Brevet FR2864580A1 — publié le 20050701

La présente invention concerne un dispositif permettant d'adapter la quantité d'air frais admise dans les cylindres d'un moteur diesel en fonction de la quantité de carburant injecté. Traditionnellement, l'air frais à l'admission des moteurs diesel rencontre le minimum d'obstacle sur son passage de façon à maximaliser la quantité aspirée dans les cylindres. A l'usage cependant, il s'avère que cette masse d'air frais est à l'origine d'un couple "frein moteur" très important résultant du haut rapport volumétrique de ce type de moteur. Cependant, la conversion thermodynamique transformant l'énergie calorifique dégagée par la combustion du carburant en énergie mécanique est très efficace, et elle permet de surmonter ce handicap de frein moteur pour afficher en final un rendement intéressant. On peut estimer à environ 50% l'efficacité de la conversion de l'énergie thermique en énergie mécanique, mais un tiers environ de la fraction d'air aspirée sera utilisée uniquement à la production de l'énergie nécessaire à l'annulation du couple de frein moteur. L'air restant (environ les deux tiers) est alors utilisable à la production d'énergie utile avec un rendement thermodynamique voisin de 50%. Il en résulte que le rendement énergétique effectif pourra varier entre 0% lorsque le moteur tourne à vide et 33% lorsqu'il fournit son couple maximum. Tous ces chiffres sont donnés en supposant que la quantité de carburant effectivement brûlée est prise bien inférieure à 70% du rapport stoechiométrique pour que la combustion soit complète. On remarque donc, si le rapport de richesse maximum n'est pas atteint, qu'il est possible de bénéficier de ce rendement extraordinaire (50%), en demandant opportunément au moteur de produire un supplément de travail, par exemple fournir de l'énergie électrique ou recharger une batterie d'accumulateur, jusqu'aux limites permises par le rapport de richesse maximum autorisé et à la condition que ce surcroît de travail ne s'accompagne d'aucun changement du régime d'exploitation, c'est à dire ni de la vitesse de rotation, ni de la charge d'alimentation en air. Inversement, on peut doser la quantité d'air admise à l'entrée du moteur proportionnellement à la charge. On a alors un élargissement de la gamme des régimes de fonctionnement pour lesquels le moteur fonctionne au maximum du rapport de richesse autorisé et continue d'afficher un rendement proche de son maximum (environ 33%). C'est ce qui se passe notamment pour les moteurs diesels turbo lorsque la charge en air augmente avec le couple à fournir. L'objet de l'invention est d'étendre l'idée d'adaptation de la charge en air au couple à fournir pour tous les régimes de fonctionnement, du régime de ralenti à tous les régimes de faible charge. La conséquence attendue de cette action est une baisse du couple de frein moteur entraînant une baisse de la consommation en carburant, une amélioration du confort de conduite sur véhicule lors des phases de décélération et une diminution des vibrations en régime de ralenti, toutes choses destinées à atténuer la "rugosité"habituellement reprochée par les "non diésélistes" à ce type de motorisation. Le dispositif décrit ici, expose une solution permettant d'arriver à ce résultat. Nous savons par expérience que ce couple de frein moteur est particulièrement élevé dans le cas d'un moteur diesel, alors qu'il est beaucoup plus faible dans le cas d'un moteur à allumage commandé dont l'admission est mise en dépression par la fermeture du papillon des gaz, tel qu'indiqué sur la figure 1. Ce couple de frein moteur est proportionnel d'une part à la 25 masse d'air admise à chaque cycle et d'autre part au rapport volumétrique de compression. La solution proposée consiste à réduire masse d'air en réduisant la pression barométrique à l'entrée des cylindres au début de chaque cycle, sans nuire aux conditions d'auto inflammation nécessaire à l'entretient du cycle diesel. Le dispositif présenté en figure 1 est un simple volet (4) interposé sur la ligne d'admission (1) du moteur, préférentiellement entre le collecteur d'admission (2) et le turbo compresseur d'alimentation, si le moteur en est pourvu. La mise en uvre de ce dispositif suppose les prédispositions suivantes du moteur diesel: Il ne doit pas y avoir de croisement entre les lois d'ouverture des soupapes d'admission et de fermeture des soupapes d'échappement sous peine de voir les gaz d'échappement se faire réaspirer vers l'admission lors de la mise en dépression du cylindre. Cette condition est généralement remplie par les moteurs prévus pour être suralimentés. Par ailleurs, il faut maîtriser les connections de ré-aspiration de vapeur d'huile et de recyclage des gaz d'échappement (RGE) en amont du volet (4) pour éviter l'irruption de ces gaz en quantité incontrôlée. Enfin certaines précautions particulières devront être prises pour éviter que l'huile ne remonte dans les cylindre pendant les périodes d'aspiration. Ces solutions consistent à équiper les pistons de segments de taille et de forme appropriée et éventuellement à mettre le carter vilebrequin en dépression par l'établissement d'une liaison vers le conduit d'admission. Lorsque le moteur est en fonctionnement en régime de ralenti, c'est à dire lorsqu'il n'entraîne aucune charge, le volet (4) en position quasi fermée provoque un étranglement localisé très prononcé sur le passage de l'air d'admission. L'air (3) subit une détente isenthalpique lors du passage par le volet (4) et se retrouve en (2) à pression barométrique basse mais toujours à la même température qu'en (3) après dissipation de l'énergie cinétique apportée par la détente. Le rapport volumétrique du moteur diesel n'ayant pas été modifié, le gaz doit retrouver les conditions de température adéquate pour l'inflammation spontanée du carburant à l'approche du point mort haut tout en restant à une pression notoirement plus basse. En réalité, l'expérience montre que l'inertie thermique étant devenue notablement plus faible du fait de la diminution de la masse de l'air emprisonné, les conditions d'auto inflammation du carburant ne sont plus assurées aux faibles régimes de rotation. Le maintien en fonctionnement du moteur diesel alimenté sous basse pression barométrique nécessite d'augmenter la température d'air d'admission, et d'activer les bougies de préchauffage. Dans le concept de la FIGURE 2, le volet (4) ferme complètement la veine d'air, obligeant l'air d'admission à emprunter le trajet (9). Cet air provient d'un réchauffeur. On pourra utiliser de façon fort opportune les calories déposées par les gaz d'échappement sur le collecteur d'échappement (10) pour réaliser cette tâche. L'air ainsi réchauffé est aspiré par la prise d'air (11) vers le conduit (9) en dépression. Cette aspiration se fait au travers de l'ajutage calibré (8) qui permet un calibrage précis du débit. Cet air se mélange ensuite aux Gaz d'Echappement Recyclés (EGR en anglais) (13) en provenance de l'ajutage calibré {12) qui est lui-même en prise directe sur le collecteur d'échappement {10). La proportion de gaz d'échappement dans les gaz d'admission est déterminée avec précision par le rapport des section d'ajutage (8) et (12). Le clapet (14) s'ouvre grâce à la dépression régnant dans le conduit d'admission (2) et laisse passer l'air réchauffé arrivant par la conduite (9). La construction de ce clapet est telle que lorsque la pression régnant dans le circuit d'admission devient supérieure à la pression atmosphérique, le clapet (14) se referme. Le rôle joué par le recyclage des gaz d'échappement est double: Il fournit un supplément de chaleur opportun dans les gaz d'admission et il participe à la réduction d'émission polluantes. Le mélange à basse pression d'air réchauffé et de gaz EGR est homogénéisé dans la canalisation (9) et acheminé à grande vitesse à travers le conduit (9) pour retrouver le conduit d'admission (2). Cette solution réduit le temps de transit dans la canalisation (9) relativement longue entre le collecteur d'échappement et le collecteur d'admission et réduit la température de surface, limitant ainsi les déperditions de chaleur. On peut d'ailleurs profiter de la grande vitesse de ces gaz pour imprimer un mouvement tourbillonnaire à l'air au moment de l'admission dans les cylindres. On peut d'ailleurs améliorer le procédé en divisant le conduit (9) en autant de conduits qu'il y a de cylindres à alimenter et orienter les jets d'air de façon adéquate pour créer le mouvement recherché. Dans une variante de ce dispositif, les conduits (9) de faible diamètre pourront déboucher directement dans les cylindres au travers d'un clapet et d'un ajutage calibré, de façon que seul le cylindre en dépression reçoive le jet d'air dépressurisé, et orienté de façon optimal pour créer le mouvement de brassage recherché. Dans le calcul de la section d'ajutage {12) servant à calibrer le débit des gaz EGR, il faut tenir compte de la part de gaz d'échappement restée emprisonnée sous la culasse, et qui bénéficie aussi de l'effet d'expansion apportée par la dépression de l'aspiration. Cet effet est en outre amplifié par l'augmentation de la teneur en gaz brûlé résultant de l'appauvrissement de l'admission en air et en oxygène. Il est même possible de choisir une combinaison du taux de dépression à l'admission et du rapport volumétrique moteur pour que le recours à un circuit EGR extérieur ne soit plus nécessaire. Le circuit extérieur (9) se réduit alors à l'acheminement d'air réchauffé sans gaz d'échappement recyclé, ce qui évite les problèmes d'encrassement de ce type de dispositif. Le mélange d'air et de gaz d'échappement ainsi admis dans les cylindres est ensuite comprimé dans le rapport volumétrique nominal. Du fait de la faible masse de l'air aspiré, la température atteinte en fin de compression risque d'être insuffisante pour assurer l'auto inflammation du carburant dans les meilleures conditions. On alimentera alors les bougies de préchauffage à l'aide d'une tension auxiliaire réduite de façon à fournir l'appoint calorifique minimum pour assurer l'inflammation du carburant. Dans le schéma de la figure 3, en position de démarrage à froid, la centrale électronique (22) pré positionne l'inverseur de puissance (21) en position "B" (démarrage). Les bougies de préchauffages (20) sont alors alimentées par la tension batterie (+12 VDC) et subissent une augmentation rapide de leur température. Après démarrage du moteur et au bout du temps déterminé par la centrale électronique (22), l'inverseur (21) est basculé en position "A". Les bougies de préchauffage sont alors alimentées par une basse tension alternative délivrée par le transformateur abaisseur (24), dont l'enroulement primaire est alimenté par deux phases de l'alternateur (25). A ce moment, l'alternateur tourne, entraîné par le moteur, et fournit l'énergie électrique nécessaire au maintien en température des bougies de préchauffage (20). Dans une autre version de l'invention, on pourra utiliser un enroulement auxiliaire de l'alternateur pour fournir directement la basse tension alternative nécessaire au maintien en température des bougies de préchauffage. Ce choix d'une tension alternative permet d'éviter les pertes d'énergie dans des diodes de redressement, améliorant ainsi le rendement électrique de l'alternateur, Par ailleurs, l'énergie électrique est prélevée à partir de l'énergie mécanique transmise par le moteur thermique vers l'alternateur. Comme nous sommes dans des conditions de ralenti, ce surcroît de puissance est obtenu sans augmentation de la quantité d'air admise dans les cylindres. Dans ces conditions, nous savons que la production d'énergie supplémentaire se traduit par un surcroît de consommation en carburant avec un rapport de conversion excellent, en théorie voisin de 50%, mais en pratique, de l'ordre de 30% du fait des pertes thermiques (voir au premier chapitre). Par ailleurs, avec des bougies de préchauffage chaudes, il n'est plus nécessaire d'anticiper le point mort haut pour assurer l'inflammation correcte du carburant. Au contraire, on pourra attendre le début de la phase de détente {5 à 10 degrés après le PMH) pour injecter le carburant et limiter ainsi les déperditions de chaleurs. Par ailleurs, on ne devra pas craindre d'injecter la totalité du carburant d'un seul coup car la pression maximale atteinte restera modeste du fait de la basse pression d'admission. Ce choix apportera une amélioration sensible du rendement de conversion thermodynamique de la chaleur en travail. Il n'est plus nécessaire non plus de maintenir un régime de ralenti accéléré chaque fois que la culasse se refroidit suite à un usage prolongé en régime de frein moteur. Cette caractéristique devrait permettre une réduction supplémentaire de la consommation de carburant. Selon l'art antérieur, la résolution du problème du maintien en température de la culasse, couplé à la nécessité de disposer d'une énergie cinétique suffisante pour vaincre le point de compression avait conduit à maintenir un régime de ralenti rapide. Avec la diminution de la pression d'admission, on assiste à une diminution de l'énergie de compression. Il n'est plus nécessaire de maintenir une vitesse de rotation élevée pour passer le cap du PMH. De plus, le maintien en température des bougies de préchauffage par un appoint électrique garantit une qualité d'inflammation suffisante contribuant à l'amélioration de la combustion en régime de ralenti. La vitesse de rotation peut alors être abaissée, apportant ainsi une contribution supplémentaire à l'économie de carburant. L'accession à des régimes de fonctionnement plus élevés se fait par ouverture progressive du volet de ralenti (4). L'ouverture de ce volet provoque l'augmentation de la pression d'admission et du débit d'air frais ainsi que la diminution progressive du débit EGR et de la température des gaz d'admission, autorisant une consommation plus importante en carburant et un couple moteur plus élevé. Parallèlement à cette action, l'information de pivotement du volet est relayée par le rhéostat (16) ou par tout autre moyen permettant d'informer la centrale électronique d'une demande d'augmentation de la vitesse de rotation comme cela se pratique traditionnellement sur ce type de moteur. Lorsque les conditions le permettent. et que les bougies de préchauffage ne sont plus nécessaires à l'inflammation du carburant, la centrale électronique ouvre le relais (23), interrompant ainsi l'alimentation basse tension des bougies de préchauffage. A fort taux de charge, la pression d'admission remonte à la pression atmosphérique, ou à une pression supérieure à la pression atmosphérique sous l'action du turbo et provoque la fermeture du clapet (14) qui évite les fuites d'air comprimé d'admission par cette voie. Si l'on revient au cas précédent de régime de rotation élevé à faible puissance, les cylindres pourront continuer à être alimentés sous basse pression. Cependant, avec l'augmentation du couple résistant, d'avantage de carburant devra être brûlé. Pour éviter l'injection de carburant en excès par rapport à la quantité d'air aspirée, le moteur devra être équipé d'un dispositif permettant de mesurer exactement la masse d'air aspirée dans les cylindres. Ces moyens de mesure se composent traditionnellement d'un débit-mètre massique ou d'un capteur de température associé à un capteur de pression absolue, toutes choses permises par les calculateurs d'injection électronique actuellement sur le marché. La loi de régime moteur en fonction de l'ouverture du volet sera choisie de telle façon, qu'en utilisation normale, la quantité d'air admise dans les cylindres soit inférieure à la quantité nécessaire à l'entraînement de la charge. Cette situation oblige l'utilisateur, ou l'organe de régulation, à ouvrir d'avantage le papillon d'air (14) jusqu'à trouver la position adaptée au couple à fournir. Dans ce mode de fonctionnement et afin de réduire le niveau des émissions polluantes, le rapport de richesse maximum en carburant pourra être choisi plus faible que dans le mode de demande de puissance maximum "pied au plancher", pour lequel on pourra alors augmenter le rapport de richesse jusqu'à la limite de fumée. Cette situation, pour les moteurs diesels est nouvelle. Selon l'état de l'art antérieur, la quantité d'air était toujours maximale et le paramètre d'ajustement pour maintenir le régime était la quantité de carburant injectée dans les cylindres. Ici au contraire, la régulation ne peut pas augmenter la quantité de carburant injectée car on est aux limites du rapport de richesse autorisé. Le rhéostat d'accélérateur est en demande permanente d'augmentation du régime, mais pour que le couple augmente et permette au moteur d'atteindre un régime supérieur, il faut augmenter la quantité d'air et ouvrir plus grand encore le papillon d'air, ce qui décale plus haut encore la consigne de régime moteur. Le système de régulation est donc en permanence "frustré", condamné à rester à la limite du rapport de richesse maximum autorisé, sauf dans les cas de très faible charge, où la régulation diesel retrouve son mode de fonctionnement classique avec moins de carburant injecté. Le comportement du moteur diesel est alors très proche de celui des moteurs à allumage commandé. Cette approche nouvelle, en réduisant la quantité d'air aspirée conduit à une économie substantielle de carburant pour tous les régimes de fonctionnement à charge partielle. Pour les régimes les plus élevés, le volet (4) est complètement ouvert et l'augmentation de la charge en air à l'admission est réalisée par le turbo-compresseur, sans aucune limitation de débit opposée par le volet de ralenti. On rejoint ainsi à forte charge, le comportement classique des moteurs diesels, suralimentés ou non. De fait, ainsi modifié, le comportement du moteur diesel se rapproche de celui des moteurs à allumage commandé, avec les avantages signalés précédemment, lorsque le moteur est en régime de ralenti ou en régime de faible charge: Diminution du niveau vibratoire Diminution du niveau sonore Diminution du couple de frein moteur, autorisant une 20 conduite plus coulée, même en rapport court. En outre, la mise en dépression du circuit d'admission et la baisse du régime de ralenti conduisent à une réduction très importante du volume des gaz d'échappement. Cependant, comme pour les moteurs à allumage commandé, le couple disponible en régime de ralenti est très faible. Enfin, de même que pour les moteurs à allumage commandé, on pourra mettre à profit la dépression régnant dans la conduite d'admission pour assister les commandes de frein et d'embrayage et supprimer la pompe à vide auxiliaire. Selon une seconde mise en oeuvre de l'invention, le volet (4) effectue seulement une obturation partielle de la tubulure d'admission, autorisant le remplissage sous une pression proche de la pression atmosphérique lorsque le moteur est en régime de rotation lente. Les conditions de ralenti moteur sont alors proches des conditions traditionnelles. L'ouverture du volet (4) est retardé par rapport à la commande d'accélérateur de sorte que le circuit d'admission se retrouve de plus en plus en dépression au fur et à mesure de l'augmentation du régime de rotation du moteur. On se rapproche alors des conditions décrites précédemment. Pour les régimes de charge les plus élevés, la loi d'ouverture du volet 4 rejoint la même loi que celle décrite précédemment. L'objet de cette variante est de permettre une mise en oeuvre partielle de l'invention et de profiter partiellement des gains en économie de carburant, sur des moteurs dont l'application de l'invention au régime de ralenti n'est pas possible ou pas souhaitable. Selon une troisième mise en oeuvre de l'invention, la réduction de la quantité d'air frais admise dans les cylindres est obtenue pour partie seulement par l'abaissement de la pression barométrique d'admission, ce résultat pouvant être obtenu par un volet (4) ou par tout autre moyen permettant l'obturation partielle ou totale de la tubulure d'admission, et pour partie par le contrôle adéquat de la loi de commande d'ouverture et de fermeture des soupapes d'admission et d'échappement du moteur diesel. Cette seconde méthode a cependant l'inconvénient de diminuer le rapport volumétrique du moteur diesel ce qui, au delà d'un certain seuil, peut poser des problèmes d'allumage, malgré le maintien en température des bougies de préchauffage. Cependant, cette méthode réduit considérablement le travail de pompage de l'air d'admission en dépression et permet d'optimiser la quantité des gaz EGR recyclés dans l'admission sans qu'il ne soit plus nécessaire de recourir à un circuit EGR extérieur. 11 REVENDICATIONS 1) Procédé d'adaptation de la charge en air à l'admission dans les cylindres d'un moteur Diesel équipé d'un dispositif d'injection dont la quantité de carburant injectée par coup de piston est proportionnelle à l'écart entre le régime moteur effectif et la consigne donnée par la commande d'accélérateur, et d'un dispositif dé mesure de la quantité d'air admise dans les cylindres pour que cette quantité de carburant injectée reste dans les limites de combustion totale et caractérisé par - Une tubulure d'admission munie d'un volet (4) ou de tout autre moyen permettant l'obturation partielle ou totale de ladite tubulure d'admission. - Un moyen de couplage entre la commande d'accélérateur et la commande d'ouverture ou de fermeture dudit moyen d'obturation - Un second moyen de couplage entre ladite commande d'accélérateur, ou ledit moyen d'obturation et un rhéostat ou à tout autre moyen permettant d'informer le calculateur d'injection de la demande de régime moteur. 2) Procédé selon la revendication 1, caractérisé par la mise en dépression de la tubulure d'admission pendant les régimes de ralenti moteur, de décélération ou de faible charge. 3) Procédé selon la revendication 2, caractérisé par une loi d'ouverture de la tubulure d'admission en fonction de la demande de régime moteur. réalisée de telle façon que la quantité d'air admise dans les cylindres soit inférieure à la quantité nécessaire à la combustion totale du carburant qui devrait être injecté pour équilibrer le couple à fournir, ce qui entraîne une limitation de la quantité injectée pour rester dans les limites du rapport de richesse maximum autorisé, de sorte que pour une vitesse de rotation constante, le couple fourni par le moteur est proportionnel à l'ouverture du volet (4), et que le rapport de richesse en carburant reste quasi constant sur une large plage de couple et de vitesse. 4) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le volet 4 effectue une obturation partielle du conduit d'admission ne permettant qu'une très faible dépression dudit conduit d'admission, voir aucune dépression, lorsque le moteur fonctionne à faible vitesse de rotation. 5) Procédé selon la revendication 4 caractérisé par une ouverture retardée du volet 4 ou par une loi d'ouverture dudit volet qui soit telle qu'elle provoque la diminution de la pression d'air d'admission lorsque le moteur est en régime de rotation rapide sous faible charge, et l'ouverture complète du volet 4 lorsque la commande d'accélérateur est proche du maximum. 6) Procédé selon les revendications 3 et 5, caractérisé par la limitation du rapport de richesse en carburant à un premier seuil permettant la réduction des émissions polluantes, ce premier seuil pouvant être dépassé transitoirement lors d'une demande de puissance maximum, jusqu'au deuxième seuil correspondant à la limite de fumée et permettant d'atteindre le couple maximum du moteur. 7) Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que la réduction de la quantité d'air admise dans les cylindres est obtenue par l'adoption d'une loi de distribution adaptée utilisée en complément des moyens précédents. 8) Procédé selon la revendication 1 caractérisé par le fait que les bougies de préchauffage équipant le moteur sont alimentées sous tension réduite, réglée au plus juste pour assister la combustion diesel chaque fois que le calculateur de gestion moteur le jugera nécessaire, cette tension réduite pouvant être alternative ou continue. 9) Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que ladite tension réduite est une tension alternative issue d'un transformateur couplé à l'alternateur, ou d'un enroulement dédié issu dudit alternateur. 10) Procédé selon les revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que la tubulure d'admission réalise l'aspiration directe des gaz d'échappement (circuit EGR), et par le fait que cette aspiration se fait au travers d'un ajutage calibré, le mélange en quantité contrôlée desdits gaz EGR avec l'air réchauffé en provenance des zones chaudes du moteur étant obtenu par un second ajutage calibré installé sur le passage dudit air réchauffé. 11) Procédé selon la revendication 10, caractérisé par un clapet antiretour (14) autorisant un seul sens d'écoulement des gaz réchauffés et par le fait que la vitesse de l'air dans la canalisation (9) est mise à profit pour provoquer un mouvement de brassage de l'air dans les cylindres. 12) Procédé selon les revendications 1 et 2, caractérisée par le fait que la dépression existant dans la tubulure d'admission est utilisée pour effectuer toutes les opérations d'assistances par dépression, ce qui rend inutile l'utilisation d'une pompe à vide auxiliaire.