Brevet FR2892767A1 — publié le 20070504

Moteur à combustion interne pour véhicule automobile pourvu d'un dispositif d'admission additionnel de gaz frais et procédé associé. La présente invention concerne le domaine automobile et plus particulièrement le fonctionnement d'un moteur à combustion interne pour véhicule automobile, qu'il soit du type à allumage commandé ou du type Diesel. Un moteur à combustion interne comprend généralement un carter dans lequel est formé au moins un cylindre, une culasse fermant une extrémité supérieure du cylindre, et un piston délimitant avec la culasse une chambre de combustion, ledit piston étant destiné à coulisser dans le cylindre selon un mouvement alternatif de va-et-vient entre deux positions extrêmes supérieure et inférieure. La culasse comprend généralement au moins un orifice d'admission d'air et au moins un moyen d'injection de carburant. La culasse comprend également au moins un orifice d'échappement des gaz de combustion permettant le refoulement du mélange de carburant et d'air admis, après combustion du carburant. Les moteurs à allumage commandés offrent la possibilité d'un fonctionnement avec des mélanges dits homogènes , c'est-à-dire des mélanges carburés contenant une quantité d'air par rapport à la quantité de carburant uniforme dans tout le cylindre, ou avec des mélanges dits hétérogènes ou stratifiés , c'est-à-dire des mélanges carburés contenant une quantité d'air par rapport à la quantité de carburant non-uniforme dans le cylindre. Dans le cas d'un moteur à allumage commandé à aspiration suralimentée, des niveaux de températures élevées peuvent limiter les performances du moteur. En effet, la présence de gaz brûlés résiduels à haute température subsistant à l'intérieur des chambres de 2 combustion après la phase d'échappement d'un cycle de fonctionnement, provoque après l'introduction d'un mélange air-essence lors du cycle suivant, l'apparition de phénomènes de cliquetis. Ces phénomènes obligent à dégrader le réglage de la combustion du moteur, ce qui limite sensiblement ses performances et son rendement. Ainsi, dans le but d'obtenir de meilleures performances du moteur, il est souhaitable de réduire le taux de gaz brûlés résiduels présents dans les chambres de combustion après la phase d'échappement, et la température des gaz d'échappement issus de la combustion. A cet égard, il est possible de faire recirculer une partie des gaz d'échappement issus de la combustion au moyen d'une conduite de recirculation partielle des gaz d'échappement (EGR) apte à permettre un refroidissement des gaz recirculés. En effet, la réintroduction des gaz d'échappement à l'admission du moteur permet notamment de diminuer la température de combustion à l'intérieur des cylindres. Une autre stratégie permettant également la diminution de la température de combustion consiste à imprimer à l'air introduit dans la chambre de combustion un mouvement de rotation, qui peut s'effectuer autour d'un axe parallèle à l'axe du cylindre. On parle alors de swirl . C'est ainsi que le document FR-A-2 854 651 décrit un moteur à combustion interne dans lequel on combine l'utilisation du swirl à une injection de gaz comprimés à l'intérieur de la chambre de combustion à une pression supérieure à celle régnant dans ladite chambre. On connaît encore, par le document DE-A-41 02 037, un moteur à combustion interne comprenant au moins un cylindre et une culasse obturant le cylindre, la culasse étant pourvue de soupapes d'admission d'air frais et de soupapes d'échappement des gaz de combustion. Le moteur comprend également un conduit d'admission additionnel d'air frais débouchant au voisinage de l'extrémité inférieure du cylindre. Ledit conduit est apte à favoriser l'évacuation des gaz présents dans la chambre de combustion, lorsque le piston est proche d'une position extrême inférieure, appelée point mort bas. Les solutions décrites dans ces documents ne proposent pas un agencement permettant de réduire de façon significative le taux de gaz brûlés résiduels présents à l'intérieur de la chambre de combustion et la température des gaz d'échappement issus de la combustion. La présente invention vise donc à remédier à ces inconvénients. Selon un aspect de l'invention, un moteur à combustion interne pour véhicule automobile comprend au moins un cylindre, une culasse délimitant intérieurement avec le cylindre une chambre de combustion, un piston déplaçable dans le cylindre entre des positions extrêmes supérieure et inférieure, la culasse comprenant au moins un orifice d'admission de gaz frais dans la chambre de combustion muni d'une soupape d'admission et au moins un orifice d'échappement des gaz de combustion muni d'une soupape d'échappement. Le moteur est pourvu, en outre, d'un dispositif d'admission additionnel de gaz frais configuré pour injecter, pendant l'ouverture de la soupape d'échappement, des gaz frais lors des déplacements du piston d'une position extrême à l'autre de manière à permettre une vidange des gaz de combustion présents dans la chambre de combustion. Avec une telle disposition, il devient dès lors possible d'obtenir une vidange particulièrement efficace des gaz brûlés résiduels présents à l'intérieur de la chambre de combustion. En effet, il peut être possible de prévoir une admission significative d'air frais à l'intérieur de la chambre de combustion du 4 moteur, ce qui permet de refroidir ladite chambre et d'augmenter le débit d'échappement du moteur. En d'autres termes, la prévision d'un dispositif apte à assurer une admission additionnelle de gaz frais dans la chambre de combustion, et ce, quel que soit la position du piston à l'intérieur du cylindre, permet d'accroître la fiabilité des éléments qui constituent le moteur. En outre, l'amélioration de la vidange des gaz brûlés présents à l'intérieur de la chambre de combustion permet ainsi d'obtenir de la garde à l'apparition de phénomènes de cliquetis, ce qui rend possible l'augmentation des pressions de combustion. Dans un mode de réalisation, le moteur comprend un circuit principal d'admission de gaz frais relié à l'orifice d'admission et un circuit auxiliaire d'admission de gaz frais monté en dérivation sur ledit circuit principal et relié au dispositif d'admission. Avantageusement, les circuits principal et auxiliaire d'admission comprennent respectivement des compresseurs principal et auxiliaire montés sur un même arbre d'entraînement mécanique. De préférence, le moteur comprend un turbocompresseur comprenant le compresseur principal et une turbine de détente disposée dans un circuit d'échappement et montée sur ledit arbre d'entraînement mécanique. Préférentiellement, le circuit auxiliaire d'admission de gaz frais comprend un échangeur de chaleur thermique traversé par lesdits gaz et par un fluide caloporteur. Dans un mode de réalisation, le dispositif d'admission débouche dans la chambre de combustion au moins à proximité de la culasse. Dans un autre mode de réalisation, le dispositif d'admission débouche dans le circuit principal d'admission au voisinage de l'orifice d'admission. L'invention concerne également un procédé d'admission de gaz frais dans au moins un cylindre d'un moteur à combustion interne pour véhicule automobile à l'intérieur duquel se déplace un piston entre des positions extrêmes supérieure et inférieure, dans lequel on effectue une admission supplémentaire de gaz frais dans le cylindre lors de l'ouverture d'une soupape d'échappement et pendant des déplacements du piston entre les positions extrêmes supérieure et inférieure de manière à permettre une vidange des gaz de combustion résiduels présents dans le cylindre. Dans un mode de mise en oeuvre du procédé, on effectue l'admission supplémentaire de gaz frais lorsqu'une soupape d'admission est fermée. Avantageusement, on effectue une admission supplémentaire de gaz frais pendant un temps au moins égal à la moitié de la durée d'ouverture de la soupape d'échappement. Dans un mode de mise en oeuvre du procédé, on effectue l'admission de gaz frais lorsque sont ouvertes simultanément la soupape d'échappement et une soupape d'admission. On peut continuer l'admission de gaz frais après fermeture de la soupape d'échappement. La présente invention sera mieux comprise à l'étude de la description détaillée de modes de réalisation pris à titres d'exemples nullement limitatifs et illustrés par les dessins annexés, sur lesquels : les figures 1 et 2 illustrent schématiquement un moteur à combustion interne selon des premier et second modes de réalisation de l'invention, 6 les figures 3 et 4 sont des graphiques représentant les phases d'ouverture de soupapes d'admission, de soupapes d'échappement, et d'un dispositif d'admission additionnel de gaz frais du moteur des figures 1 et 2 en fonction de l'angle de rotation d'un vilebrequin, la figure 5 illustre schématiquement un moteur à combustion interne selon un troisième mode de réalisation de l'invention, et la figure 6 est un graphique représentant les phases d'ouverture de soupapes d'admission, de soupapes d'échappement, et d'un dispositif d'admission additionnel de gaz frais du moteur de la figure 5 en fonction de l'angle de rotation d'un vilebrequin. En référence aux figures 1, 2 et 5, on va maintenant décrire différents modes de réalisation d'un moteur à combustion interne, désigné par la référence numérique générale 1. Sur l'exemple de réalisation de la figure 1, le moteur 1 est pourvu de quatre cylindres 2 en ligne à l'intérieur de chacun desquels coulisse un piston se déplaçant entre des positions extrêmes inférieure et supérieure, appelées points morts bas et haut, et d'une culasse obturant les cylindres 2 et délimitant avec les pistons des chambres de combustion. Bien entendu, il est envisageable de prévoir un moteur 1 présentant un nombre différent de cylindres 2. Chaque cylindre 2 comprend un orifice d'admission 3 et un orifice d'échappement 4 pouvant être obturés respectivement par des soupapes d'admission et d'échappement qui sont commandées par des cames portées par un arbre à cames. Bien entendu, il est également envisageable de prévoir d'autres types d'actionnement des soupapes, par exemple par commande électromagnétique. 7 De l'air frais est admis au niveau des cylindres 2, lors de l'ouverture des soupapes d'admission, par l'intermédiaire du circuit principal 5 d'admission connecté à chacun des orifices d'admission 3. Une conduite d'échappement 6 amène les gaz d'échappement issus de la combustion vers l'extérieur. De manière à permettre une admission supplémentaire d'air frais à l'intérieur des cylindres 2, 1,e moteur 1 comprend également un piquage 7 prévu sur le circuit principal 5 pour un circuit auxiliaire 8 apte à alimenter en air frais lesdits cylindres. Sur le circuit auxiliaire 8 est monté un compresseur 9 auxiliaire. En variante et tel que représenté à la figure 2, le moteur 1 peut également comprendre un turbocompresseur pourvu d'un compresseur 10 principal pour le circuit d'admission 5 de manière à faire transiter dans ledit circuit un flux d'air comprimé, et d'une turbine 11 de détente disposée sur la conduite d"échappement 6. La turbine 11 est montée sur un même arbre d'entraînement mécanique (non représenté) que le compresseur 10 de sorte que ladite turbine puisse entraîner en rotation le compresseur. L'arbre d'entraînement mécanique peut être relié à un moteur électrique. Avantageusement, le compresseur auxiliaire 9 du circuit 8 est également monté sur ledit arbre d'entraînement mécanique, de manière à réduire l'encombrement. Toutefois, il est également envisageable de prévoir un entraînement en rotation spécifique pour chacun des compresseurs. En se référant de nouveau à la figure 1, chaque cylindre 2 du moteur 1 comprend au moins un orifice d'admission 12 relié au circuit auxiliaire 8 et apte à permettre une admission additionnelle d'air frais à l'intérieur des chambres de combustion. Chaque orifice d'admission 12 est ménagé au niveau d'une face feu de la culasse et débouche ainsi dans la chambre de combustion du moteur. En variante, il est également envisageable de disposer les orifices d'admission 12 au niveau d'une paroi latérale des cylindres 2 à proximité de la culasse de manière qu'ils soient situés entre les faces supérieures des pistons et la culasse, lorsque les pistons sont au point mort haut. Le moteur 1 comprend également des moyens de commande du débit d'air disposés au niveau des orifices d'admission 12, par exemple des électrovannes, et pilotés par des moyens de contrôle pouvant ajuster le débit d'air additionnel ainsi injecté dans les cylindres. Avantageusement, les moyens de contrôle sont constitués par le système électronique de contrôle du moteur 1. Le compresseur 9, les orifices 12 et les moyens de commande du débit d'air forment ainsi un dispositif d'admission d'air frais à l'intérieur des cylindres 2 relié au circuit auxiliaire 8 et apte à injecter l'air frais, lorsque les pistons se trouvent au point mort bas, au point mort haut, ou entre ces deux points. Le compresseur 9 du circuit 8 est adapté pour permettre une admission d'air frais à une pression supérieure à celle des gaz d'échappement présents dans les cylindres 2 de manière à obtenir une vidange efficace des gaz d'échappement résiduels. En fonctionnement, la rotation d'un vilebrequin du moteur 1 générée par les déplacements alternatifs des pistons à l'intérieur des cylindres 2, entraîne notamment l'arbre à cames dudit moteur qui commande l'ouverture et la fermeture des soupapes d'admission et d'échappement. Sur la figure 3, les courbes 13 et 14 illustrent respectivement le coefficient d'ouverture des soupapes d'échappement et d'admission en 9 fonction de l'angle de rotation du vilebrequin, la courbe 15 représentant la pression régnant à l'intérieur de la chambre de combustion en fonction dudit angle. A partir d'un angle de rotation du vilebrequin sensiblement égal à 115 après le point mort haut de combustion, la soupape d'échappement commence à coulisser pour libérer progressivement l'orifice d'échappement jusqu'à obtenir l'ouverture totale dudit orifice approximativement pour un angle de rotation de 250 après le point mort haut de combustion. La fermeture progressive de l'orifice d'échappement 4 est ensuite obtenue par coulissement inverse de la soupape d'échappement, l'obturation complète étant obtenue pour un angle de rotation du vilebrequin de l'ordre de 385 après le point mort haut de combustion. D'une manière analogue, l'orifice d'admission 3 est progressivement ouvert puis progressivement fermé entre 315 et 450 , après le point mort haut de combustion, puis entre 450 et 585 , après le point mort haut de combustion par coulissement de la soupape d'admission. De manière à permettre une vidange efficace des gaz brûlés résiduels présents à l'intérieur des chambres de combustion ainsi qu'un refroidissement par convection des soupapes d'échappement et des éléments du moteur disposés en aval desdites soupapes, en considérant le sens de circulation dies gaz d'échappement, le système électronique de contrôle du moteur 1 commande, lorsque les soupapes d'échappement sont ouvertes, l'ouverture totale des orifices 12 (figures 1 et 2) de manière à introduire de l'air frais à l'intérieur des cylindres 2 et chasser vers l'extérieur les gaz d'échappement issus de la combustion. A titre indicatif, on peut alimenter en air les cylindres 2, par l'intermédiaire des orifices d'admission 12 lorsque l'angle de rotation 0 du vilebrequin est compris entre 200 et 335 , après le point mort haut de combustion, tel qu'illustré par la courbe 16. Ainsi, on effectue une admission significative d'air frais dans chacun des cylindres pendant la phase d'échappement du cycle de fonctionnement du moteur. Pendant l'admission additionnelle d'air frais, les pistons se déplacent ainsi à l'intérieur des cylindres d'une position proche du point mort bas vers le point mort haut. Bien entendu, de manière à accroître l'efficacité de la vidange, il est possible de prévoir une admission d'air frais supplémentaire pendant toute la durée de la phase d'échappement, lors du déplacement des pistons du point mort bas jusqu"au point mort haut. A contrario, il est également envisageable de prévoir une admission d'air frais, lors de la phase d'échappement, pendant une durée sensiblement réduite mais étant toutefois supérieure à la moitié du temps d'ouverture des soupapes d'échappement de manière à obtenir une vidange efficace des cylindres. Ainsi, le moteur 1 permet d'effectuer une injection supplémentaire d'air frais dans les chambres de combustion pendant la phase d'échappement dans les chambres de combustion, de manière à permettre un contrôle de la température des gaz de combustion en fonction du débit d'air amené par le circuit auxiliaire 8. L'admission d'air frais supplémentaire est ici arrêtée avant le début de la nouvelle phase d'admission d'air à l'intérieur des chambres de combustion par les orifices 3. Toutefois, avec un tel moteur 1, il est également envisageable de continuer l'admission d'air frais par l'intermédiaire des orifices 12 à l'intérieur des cylindres 2 lors de l'ouverture des soupapes d'admission pour accroître la quantité d'air présente à l'intérieur des chambres de combustion, ce qui permet d'augmenter les performances du moteur. Il est par exemple possible de maintenir en position ouverte les orifices d'admission 12 jusqu'à ce que l'angle de rotation du vilebrequin soit égal à environ 450 après le point mort haut de combustion. Avec un tel moteur 1, il est également envisageable de réaliser, pendant certains cycles de fonctionnement du moteur, une vidange des chambres de combustion par admission d'air supplémentaire lors du recouvrement des périodes d'ouvertures des soupapes d'admission et d'échappement, puis de maintenir l'admission d'air supplémentaire lors de la phase d'admission desdits cycles de fonctionnement, comme illustré à la figure 4. Dans une variante de réalisation représentée à la figure 5, le moteur 1 comprend un circuit 8 auxiliaire débouchant directement dans le circuit principal 5 d'admission. Les orifices d'admission 12 sont ici situés à proximité des orifices d'admission 3. Comme on le conçoit aisément, cette disposition permet, lors de la phase d'échappement, une injection supplémentaire d'air frais à l'intérieur des cylindres 2 uniquement lorsque les soupapes d'admission et d'échappement sont simultanément ouvertes, tel qu'illustré à la figure 6. De manière à obtenir une vidange prolongée des gaz d'échappement résiduels présents dans les cylindres, il est possible de prévoir des cames de commande des soupapes d'admission et d'échappement permettant un important recouvrement des périodes d'ouvertures desdites soupapes, par exemple pour obtenir un croisement de 80 de l'arbre à cames. D'une manière analogue au mode de réalisation précédent, l'air admis dans les cylindres 2 par l'intermédiaire des orifices d'admission 12 présente une pression supérieure à celle des gaz d'échappement de manière à obtenir une vidange efficace des gaz d'échappement résiduels. Le dispositif selon l'invention permet ainsi une admission additionnelle de gaz frais dans la chambre de combustion pendant la phase d'échappement, et ce, de manière à permettre une vidange des cylindres dans le but de réduire sensiblement la présence de gaz résiduels dans lesdits cylindres et de refroidir les soupapes d'échappement et les éléments du moteur situés en aval, en considérant le sens d'écoulement des gaz de combustion. De manière à obtenir un refroidissement amélioré desdits éléments, il pourrait également être envisageable de prévoir un échangeur de chaleur thermique monté au niveau du circuit auxiliaire d'amission et traversé par l'air frais additionnel et par un fluide caloporteur. REVENDICATIONS 1. Moteur à combustion interne pour véhicule automobile comprenant au moins un cylindre (2), une culasse délimitant intérieurement avec le cylindre une chambre de combustion, un piston déplaçable dans le cylindre entre des positions extrêmes supérieure et inférieure, la culasse comprenant au moins un orifice d'admission (3) de gaz frais muni d'une soupape d'admission et au moins un orifice d'échappement (4) des gaz de combustion muni d'une soupape d'échappement, le moteur étant pourvu, en outre, d'un dispositif d'admission additionnel de gaz frais dans la chambre de combustion, caractérisé en ce que ledit dispositif d'admission est configuré pour injecter, pendant l'ouverture de la soupape d'échappement, des gaz frais lors des déplacements du piston d'une position extrême à l'autre de manière à permettre une vidange des gaz de combustion présents dans la chambre de combustion. 2. Moteur selon la revendication 1, dans lequel il comprend un circuit principal (5) d'admission de gaz frais relié à l'orifice d'admission (3) et un circuit auxiliaire (8) d'admission de gaz frais monté en dérivation sur ledit circuit principal et relié au dispositif d'admission additionnel . 3. Moteur selon la revendication 2, dans lequel les circuits principal et auxiliaire d'admission de gaz frais comprennent respectivement des compresseurs principal et auxiliaire (10, 9) montés sur même arbre d'entraînement mécanique. 4. Moteur selon la revendication 3, dans lequel il est muni d'un turbocompresseur comprenant le compresseur principal (10) et une turbine de détente (11) disposée dans un circuit d'échappement (6) et montée sur ledit arbre d'entraînement mécanique. 5. Moteur selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, dans lequel le circuit auxiliaire d'admission de gaz frais comprend un échangeur de chaleur thermique traversé par lesdits gaz et par un fluide caloporteur. 6. Moteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le dispositif d'admission débouche dans la chambre de combustion au moins à proximité de la culasse. 7. Moteur selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, dans lequel le dispositif d'admission débouche dans le circuit principal d'admission au voisinage de l'orifice d'admission. 8. Procédé d'admission de gaz frais dans au moins un cylindre d'un moteur à combustion interne pour véhicule automobile à l'intérieur duquel se déplace un piston entre des positions extrêmes supérieure et inférieure, caractérisé en ce qu'on effectue une admission supplémentaire de gaz frais dans le cylindre lors de l'ouverture d'une soupape d'échappement et pendant des déplacements du piston d'une position extrême à l'autre de manière à permettre une vidange des gaz de combustion présents dans le cylindre. 9. Procédé selon la revendication 8, dans lequel on effectue l'admission supplémentaire de gaz frais lorsqu'une soupape d'admission est fermée. 10. Procédé selon la revendication 8 ou 9, dans lequel on effectue une admission supplémentaire de gaz frais pendant un temps au moins égal à la moitié de la durée d'ouverture de la soupape d'échappement. 11. Procédé selon la revendication 8, dans lequel on effectue l'admission de gaz frais lorsque sont ouvertes simultanément la soupape d'échappement et une soupape d'admission. 12. Procédé selon l'une quelconque des revendications 9 à 11, dans lequel on continue l'admission de gaz frais après fermeture de la soupape d'échappement.