Brevet FR2896545A1 — publié le 20070727

DOMAINE TECHNIQUE AUQUEL SE RAPPORTE L'INVENTION La présente invention concerne de manière générale les moteurs à combustion interne. L'invention concerne plus particulièrement un moteur à combustion 5 interne à injection, directe ou indirecte, comprenant un circuit d'admission et un circuit d'échappement. Elle trouve une application particulièrement avantageuse pour les moteurs à combustion interne à allumage commandé. ARRIERE-PLAN TECHNOLOGIQUE 10 Lorsque les moteurs à combustion interne à allumage commandé à injection, directe ou indirecte, fonctionnent en charge partielle, c'est-à-dire lorsque la pression d'admission des gaz frais dans la chambre de combustion est inférieure à un bar, la masse de mélange de gaz frais présente dans la chambre de combustion est faible. 15 Pour assurer la stabilité de la combustion, il est alors souhaitable de diminuer la densité du mélange de gaz frais. Le plus souvent cette diminution de la densité du mélange de gaz frais est réalisée par l'abaissement de la pression de ce mélange de gaz frais. Cependant, il apparaît du fait de la faible pression du mélange un 20 phénomène de pompage au début du cycle thermodynamique du moteur. Ce phénomène de pompage, en charge partielle, entraîne une surconsommation de carburant et une augmentation des émissions polluantes. Plusieurs solutions existent pour diminuer la densité du mélange de gaz frais tout en augmentant la pression de ce mélange de gaz frais. 25 La première solution consiste à diluer le mélange de gaz frais par des gaz brûlés. Cependant, la dilution du mélange de gaz frais par les gaz brûlés doit être limitée pour que la combustion du mélange de gaz frais reste stable. La deuxième solution consiste à réduire la cylindrée effective du moteur en utilisant des moyens de distribution variable. Selon cette solution, on retarde 30 l'ouverture de la soupape d'admission ou on anticipe la fermeture de cette soupape d'admission.- On réduit ainsi le volume du mélange de gaz qui est enfermé à l'intérieur des cylindres, ce qui augmente la masse volumique et donc aussi la pression du mélange de gaz puisque la température du mélange de gaz n'est pas affectée. Une telle solution est cependant complexe et coûteuse à mettre en oeuvre. OBJET DE L'INVENTION La présente invention propose un nouveau moteur dont la consommation en carburant est réduite, notamment lorsqu'il fonctionne en charge partielle. À cet effet, on propose selon l'invention un moteur à combustion interne à injection, directe ou indirecte, comprenant un circuit d'admission et un circuit d'échappement, dans lequel il est prévu des moyens d'échange de chaleur entre le circuit d'échappement et le circuit d'admission. L'air présent dans le circuit d'admission récupère les calories des gaz d'échappement par transfert de chaleur entre le conduit d'échappement et le circuit d'admission d'air. Grâce à l'invention, pour un fonctionnement du moteur en charge partielle, la température de l'air circulant dans le circuit d'admission est augmentée avant son introduction dans le cylindre. L'augmentation de la température de l'air introduit dans le cylindre permet, après mélange avec le carburant injecté, d'obtenir un mélange de gaz frais dont la température est augmentée et donc de plus faible densité. Le mélange de gaz frais n'est pas dilué et possède une pression suffisante, proche de la pression atmosphérique, permettant de limiter le travail du pompage pendant l'admission. L'augmentation de température du mélange de gaz frais permet aussi de favoriser la propagation de la combustion dans la chambre de combustion. Cette amélioration de la propagation de la combustion permet d'avoir une combustion du mélange de gaz frais dans la chambre de combustion plus rapide et donc plus stable. L'augmentation de température de mélange de gaz frais, permet aussi d'augmenter la vitesse de vaporisation du carburant liquide injecté. L'augmentation de la vitesse de vaporisation du carburant liquide facilite l'homogénéisation du mélange de l'air avec le carburant constituant le mélange de gaz frais. Les conditions thermodynamiques étant favorables à la combustion du mélange de gaz frais, le moteur selon l'invention peut donc fonctionner normalement en charge partielle avec un mélange carburé de richesse 1, tout en limitant la consommation en carburant et les émissions polluantes. En outre, la propagation de la combustion étant rapide, il est possible de procéder à la dilution de ce mélange de gaz frais par des gaz brûlés, même pour des phases de fonctionnement à faible couple et faible régime, ce qui diminue encore la consommation en carburant et certaines émissions polluantes telles que les oxydes d'azote (NOx). Selon une première caractéristique avantageuse du moteur selon l'invention, les moyens d'échange de chaleur comportent au moins un circuit de dérivation issu du circuit d'admission qui enveloppe au moins une partie du circuit d'échappement. Grâce au circuit de dérivation selon l'invention, dans lequel on fait circuler un certain volume d'air issu du circuit d'admission pour qu'il soit réchauffé, puis réintroduit dans le circuit d'admission pour être mélangé à un autre volume d'air non chauffé et admis dans le cylindre, on peut contrôler de façon précise la température de l'air introduit dans le cylindre. Il est en effet possible d'avoir une plage étendue de valeurs de température pour l'air admis dans le cylindre, du fait que l'on peut atteindre une température minimale, la température de l'atmosphère, en fermant l'entrée du circuit de dérivation, et une température maximale, fonction des spécificités techniques du moteur et de l'efficacité de l'échange thermique, en ouvrant totalement le circuit de dérivation. D'autres caractéristiques avantageuses et non limitatives du moteur selon l'invention sont les suivantes : - chaque circuit de dérivation enveloppe une branche d'échappement du circuit d'échappement ; le circuit d'admission comportant une conduite d'air et un répartiteur d'admission d'air pourvu de branches d'admission chaque circuit de dérivation se repique à une extrémité sur la conduite d'air en amont du répartiteur et à l'autre extrémité sur une branche d'admission du répartiteur d'air ; les moyens d'échange de chaleur comportent une pluralité de circuits de dérivation montés en parallèle, chaque circuit de dérivation étant associé à un 30 cylindre ; - les moyens d'échange de chaleur comportent un seul circuit de dérivation repiqué, d'une part, sur la conduite d'air en amont du répartiteur d'admission d'air et, d'autre part, à une extrémité du répartiteur d'admission d'air opposée à la conduite d'air ce circuit de dérivation unique entourant localement chaque branche d'échappement de chaque cylindre ; le circuit d'admission d'air comprend des moyens de déviation du flux d'air de la conduite d'air vers le circuit de dérivation ; - le répartiteur d'admission d'air et le circuit de dérivation comprennent chacun des moyens de régulation du débit d'air qu'ils véhiculent ; les moyens d'échange de chaleur comportent au moins un circuit de dérivation issu du circuit d'échappement qui enveloppe au moins une partie du circuit d'admission ; - le circuit de dérivation enveloppe entièrement le répartiteur d'admission d'air ; le circuit de dérivation comporte des moyens de régulation du débit des gaz d'échappement. DESCRIPTION DETAILLEE D'UN EXEMPLE DE REALISATION La description qui va suivre en regard des dessins annexés de plusieurs 15 modes de réalisation, donnés à titre d'exemples non limitatifs, fera bien comprendre en quoi consiste l'invention et comment elle peut être réalisée. Sur les dessins annexés : - la figure 1 est une vue schématique du moteur selon l'invention en faible charge suivant un premier mode de réalisation ; 20 -la figure 2 est une vue schématique du moteur de la figure 1 en charge intermédiaire ; - la figure 3 est une vue schématique du moteur de la figure 1 en forte charge ; - la figure 4 est une vue schématique du moteur selon l'invention en 25 faible charge suivant un deuxième mode de réalisation ; - la figure 5 est une vue schématique du moteur de la figure 1 en forte charge ; - la figure 6 est une vue schématique d'une première généralisation du moteur selon l'invention de la figure 1 à un moteur pourvu de plusieurs cylindres ; 30 - la figure 7 est une vue schématique d'une deuxième généralisation du moteur selon l'invention de la figure 1 à un moteur pourvu de plusieurs cylindres ; - la figure 8 est une vue schématique du moteur selon l'invention en charge intermédiaire selon un troisième mode de réalisation. La description ci-dessous est réalisée pour un moteur à allumage commandé à injection directe c'est-à-dire un moteur qui comporte un injecteur de carburant situé dans chaque cylindre Bien entendu, le moteur selon l'invention peut aussi être un moteur à 5 injection indirecte (ou indirecte multipoints) comportant un injecteur situé dans le conduit d'admission de chaque cylindre. Les moteurs à allumage commandé à injection directe ou indirecte ne comprennent pas de carburateur. On a représenté sur la figure 1 une partie d'un moteur à combustion 10 interne à allumage commandé à injection directe d'un véhicule automobile. Ce moteur comprend un circuit d'admission 10 rapporté sur un bloc cylindre pourvu d'une pluralité de cylindres 5, et un circuit d'échappement 20. Le circuit d'admission 10 comprend une conduite d'air 11 qui prélève l'air dans l'atmosphère et qui, dans le sens d'écoulement de l'air, débouche dans un 15 répartiteur 13 d'admission d'air. Ce répartiteur 13 d'admission est prolongé par des branches d"admission 14 qui débouchent dans les cylindres 5 du bloc cylindre. La conduite d'air 11 comporte un volet papillon 30 qui permet en fonction d'une consigne du conducteur, soit une accélération, soit une décélération, de 20 faire varier le débit d'air qui circule par la conduite d'air 11 et donc dans les cylindres 5 du moteur. Le circuit d'échappement 20 comprend des branches d'échappement raccordées à une de leurs extrémités au cylindre 5 correspondant du bloc cylindre et raccordées à leur autre extrémité à un collecteur d'échappement (non 25 représenté) puis, en aval du collecteur d'échappement à une conduite d'échappement (non représenté) qui évacue les gaz d'échappement dans l'atmosphère. Avantageusement, selon l'invention, il est prévu entre le circuit d'admission 10 et le circuit d'échappement 20 un dispositif d'échangeur de chaleur 30 entre ces deux circuits d'admission et d'échappement 10, 20. Selon un premier mode de réalisation représenté sur les figures 1 à 3, les moyens d'échange de chaleur 40 sont constitués d'un circuit de dérivation 40 qui comporte une chambre 43 reliée à une canalisation amont 41 et une canalisation aval 42, dans le sens d'écoulement du fluide. L'extrémité de la canalisation amont 41 opposée à la chambre 43 est piquée sur la conduite d'air 11 à un noeud de raccordement N1 situé en amont du répartiteur d'admission 13, ici, à la jonction entre la conduite d'air 11 et le répartiteur d'admission 13. L'extrémité de la canalisation aval 42 opposée à la chambre 43 est piquée sur la branche d'admission 14 à un noeud de raccordement N2. La chambre d'admission 43 enveloppe une partie du circuit d'échappement 20. Ici, la chambre 43 enveloppe une partie de la branche d'échappement 21. Avantageusement, comme expliqué ci-dessous pour le fonctionnement du moteur, l'air frais qui circule dans la chambre 43 passe autour d'une partie de la branche d'échappement 14 enveloppée par la chambre 43. Ainsi, les calories des gaz d'échappement sont transférées par la paroi de la branche d'échappement vers l'air frais qui circule dans cette chambre 43. II est prévu au premier noeud de raccordement NI des moyens de déviation 31 de l'air de la conduite d'air 11 vers le circuit de dérivation 40. Ces moyens de déviation 31 sont ici constitués d'un clapet 31 dont la position angulaire varie continûment entre une première position extrême où il obture complètement l'entrée du répartiteur d'admission 13 et une deuxième position extrême où il obture totalement l'entrée du circuit de dérivation 40 (voir figures 1 et 3). Comme représenté sur la figure 2, ce volet 31 peut varier entre ces deux positions extrêmes pour diriger une partie de l'air frais directement dans le répartiteur 13 d'admission et une autre partie vers le circuit de dérivation 40 pour être réchauffé et mélangé avec l'air frais en provenance du répartiteur 13 d'admission. Il est ainsi possible de contrôler la température de l'air admis dans la chambre de combustion. Comme représenté sur la figure 6, il est possible de généraliser ces moyens d'échange de chaleur à plusieurs cylindres 5, 5A, 5B. Ici, pour un moteur à trois cylindres 5, 5A, 5B les moyens d'échange de chaleur 40 comportent comme décrit précédemment le circuit de dérivation 40 associé au cylindre 5 et deux circuits de dérivation 40A, 40B supplémentaires montés en parallèle et associés aux deux autres cylindres 5. Le fonctionnement du moteur selon l'invention est décrit ci-dessous. Comme représenté sur la figure 1, lorsque le moteur fonctionne en faible charge, c'est-à-dire par exemple lorsque la pédale d'accélération est relâchée, le volet papillon 30 de la conduite d'air 11 ferme une partie de la section de passage de cette conduite d'air 11 pour limiter le débit d'air tandis que le clapet 31 obture l'entrée du répartiteur d'admission 13. L'air passe alors entièrement dans le circuit de dérivation 40 par la canalisation amont 41 puis débouche dans la chambre 43 où il est réchauffé en circulant autour de la paroi de la branche d'échappement 21 enveloppée par la chambre 43. Puis, cet air réchauffé est véhiculé par la branche aval 42 et dirigé vers la branche d'admission 14 du cylindre 5 correspondant. Cet air réchauffé possède une densité plus faible et une pression suffisante pour qu'après mélange avec le carburant et obtention du mélange carburé, la combustion dans la chambre de combustion du cylindre 5 soit stable. Lorsque le moteur fonctionne en charge importante, c'est-à-dire par exemple lorsque l'utilisateur enfonce au maximum la pédale d'accélération, le volet papillon 30 est en position ouverte de manière à libérer la section de passage de la conduite d'air 11 pour admettre un débit d'air important, tandis que le clapet 31 est positionné de sorte qu'il obture totalement l'entrée du circuit de dérivation 40. Ainsi, l'air en provenance de la conduite d'air 11 est dirigé vers le répartiteur 13 d'admission puis dans la branche d'admission 14 correspondante et cet air possède une température minimale. Sa densité est alors augmentée, ce qui pour un fonctionnement du moteur à forte charge permet de stabiliser la combustion et ainsi de diminuer la consommation en carburant. Pour une charge intermédiaire, comme représenté sur la figure 2, le clapet 31 peut prendre une position dans laquelle il laisse passer, d'une part, une certaine partie du flux d'air en provenance de la conduite d'air 11 dans le répartiteur 13 et, d'autre part, l'autre partie de ce flux d'air dans le circuit de dérivation 40, pour être réchauffé. Ainsi, le moteur selon l'invention permet de contrôler la température et la pression de l'air admis dans les cylindres, et donc aussi du mélange de gaz frais, pour assurer la stabilité de la combustion dans la chambre de combustion. En particulier, les deux circuits de dérivation 40A, 40B associés au cylindre 5A, 5B comportent chacun comme pour le circuit de dérivation 40 une canalisation amont 41, 41B qui est piquée à un noeud de raccordement N3 sur la canalisation amont 41 du premier circuit de dérivation 40 et qui débouche dans une chambre 43A, 43B qui enveloppe localement une branche d'échappement 21A, 21B associée au cylindre 5A, 5B correspondant. II est prévu en aval de cette chambre 43A, 43B une canalisation aval 42A, 42B qui est piquée à son extrémité opposée à la chambre 43A, 43B sur la branche d'admission 14A, 14B du cylindre 5A, 5B correspondante. Sur la figure 7, on a représenté une variante du mode de réalisation de la figure 6 selon laquelle les moyens d'échange de chaleur 40 comportent un seul circuit de dérivation 40 repiqué, d'une part, sur la conduite d'air 11 en amont du répartiteur d'admission d'air 13 et, d'autre part, à une extrémité du répartiteur 13 d'admission d'air opposée à la conduite d'air 11, ce circuit de dérivation 40 unique entourant localement, au moyen des chambres 43, 43A, 43B, chaque branche d'échappement 14 de chaque cylindre 5. Ainsi, l'air qui passe dans le circuit de dérivation à la faveur du clapet de dérivation 31 est réchauffé lors de son passage dans les trois chambres successives et est injecté directement dans le répartiteur d'admission puis distribué dans les branches d'admission 14, 14A, 14B. La température de l'air admis dans les cylindres est donc sensiblement la même pour tous les cylindres. Bien entendu pour un nombre supérieur de cylindres, il convient de rajouter des circuits de dérivation repiqués sur la canalisation amont du premier circuit de dérivation et sur la branche d'échappement du cylindre correspondant. Selon un deuxième mode de réalisation du moteur selon l'invention représenté sur les figures 4 et 5, les moyens d'échange de chaleur 40 entre le circuit d'admission 10 et le circuit d'échappement 20 comportent un circuit de dérivation 26 qui est repiqué à ses deux extrémités sur la branche d'échappement 21 du cylindre 5. En particulier, ce circuit de dérivation 26 comporte une canalisation amont 22 dont une extrémité est raccordée à la branche d'échappement 21 à un noeud de raccordement M1 situé à proximité du cylindre 5. Cette canalisation amont 22 débouche dans une chambre 23 du circuit de dérivation 26 qui enveloppe une partie du répartiteur d'admission 13 du circuit d'admission 10. En aval de cette chambre 23 le circuit de dérivation 26 comporte une canalisation aval 24 dont l'extrémité opposée à la chambre 23 est piquée sur la branche d'échappement 21 à un noeud de raccordement M2 situé dans le sens de l'écoulement des gaz d'échappement en aval du noeud de raccordement M1. Il est prévu dans ce circuit de dérivation 26 un volet papillon 25 permettant de contrôler le débit de circulation des gaz d'échappement dans ce circuit de dérivation 26. Le fonctionnement du moteur selon ce deuxième mode de réalisation est décrit ci-dessous. Comme représenté sur la figure 4, lorsque le moteur fonctionne en faible charge, similairement au premier mode de réalisation (figure 1), le volet papillon 30 obture une partie de la section de passage de la conduite d'air 11 ce qui limite le débit d'air circulant par le répartiteur 13 puis par la branche d'admission 14. Le volet papillon 25 du circuit de dérivation 26 du circuit d'échappement 20 est alors totalement ouvert pour avoir un débit important de gaz d'échappement dans le circuit de dérivation 40 de sorte que les échanges de chaleur entre les gaz d'échappement de fortes températures traversant la chambre 23 et les gaz d'admission frais circulant par le répartiteur 13, enveloppé par ladite chambre 43, soient importants. Pour un fonctionnement du moteur en forte charge (figure 5), similairement au premier mode de réalisation (figure 2), le volet papillon 30 est en position ouverte pour laisser libre la section de passage de la conduite d'air 11 de façon à admettre un débit d'air important dans le répartiteur 13 d'admission et la branche d'admission 14 du cylindre 5 correspondant. En parallèle, le volet papillon 25 du circuit de dérivation 26 du circuit d'échappement 20 est fermé de sorte à obstruer totalement le passage des gaz d'échappement dans le circuit de dérivation de sorte que l'air admis dans la branche d'admission 14 ait une température basse. De même que pour le premier mode de réalisation, pour un fonctionnement du moteur en charge intermédiaire, le volet papillon 25 peut prendre une position intermédiaire qui permet de faire circuler une partie des gaz d'échappement dans le circuit de dérivation 26 et ainsi de réchauffer l'air circulant dans le répartiteur 13 d'admission et les branches d'admission 14 de sorte que cet air atteigne une certaine température. L'autre partie des gaz d'échappement est dirigée vers le collecteur d'échappement puis la ligne d'échappement pour être rejetée dans l'atmosphère. On peut généraliser de tels moyens d'échange de chaleur à plusieurs cylindres en utilisant un circuit de dérivation tel que décrit ci-dessus pour chaque cylindre et en prévoyant en particulier pour chaque circuit de dérivation une telle chambre enveloppant la partie du répartiteur située dans le voisinage de la branche d'admission correspondante. On peut aussi pour un moteur comportant plusieurs cylindres utiliser un seul circuit de dérivation piqué sur une des branches d'échappement associée à un des cylindres, comme expliqué ci-dessus, et prévoir une chambre qui enveloppe la totalité du répartiteur d'admission. Ainsi, la température de l'air admis est la même dans toutes les branches d'admission et donc dans les cylindres correspondant. Préférentiellement, comme représenté sur la figure 8, on peut remplacer le clapet 31, qui permet de guider une partie de l'air de la conduite d'air 11 vers le répartiteur 13 et une autre partie vers le circuit de dérivation 40, ainsi que le volet papillon 30 qui permet de faire varier le débit d'air qui circule par la conduite d'air Il, par deux volets papillon 32, 33. Le volet papillon 32 est situé dans le circuit de dérivation 40 tandis que le volet papillon 33 est situé dans le répartiteur 13 d'admission d'air. Ces volets papillon 32, 33 constituent des moyens de régulation des débits d'air véhiculés par le répartiteur 13 d'admission d'air et le circuit de dérivation 40 . La position angulaire de chacun de ces volets papillon 32, 33 peut varier continûment, indépendamment de la position de l'autre volet, entre une première position extrême d'obturation complète et une deuxième position extrême d'ouverture complète. Ainsi, grâce à ces deux volets papillons 32, 33, le débit d'air destiné à être réchauffé qui traverse le circuit de dérivation 40 est indépendant du débit d'air froid qui traverse le répartiteur 13 d'admission d'air. On peut alors piloter le débit d'air réchauffé et le débit d'air froid au moyen des deux volets papillons 32, 33, d'une part, pour obtenir la température souhaitée de l'air admis dans les cylindres 5 et d'autre part pour avoir un gradient de pression le long du circuit de dérivation 40 qui permette de s'assurer que l'air réchauffé est bien aspiré par les cylindres 5 et non pas refoulé dans le circuit d'admission 10. La disposition préférentielle des volets papillon 32, 33 peut être appliquée à tous les modes de réalisation décrits ci-dessus et à leurs variantes. La présente invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et représentés, mais l'homme du métier saura y apporter toute variante conforme à son esprit. REVENDICATIONS 1. Moteur à combustion interne à injection, directe ou indirecte, comprenant un circuit d'admission (10) et un circuit d'échappement (20), caractérisé en ce qu'il est prévu des moyens d'échange de chaleur (40) entre le circuit d'échappement (20) et le circuit d'admission (10). 2. Moteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens d'échange de chaleur (40) comportent au moins un circuit de dérivation (40) issu du circuit d'admission (10), qui enveloppe au moins une partie du circuit d'échappement (20). 3. Moteur selon la revendication précédente, caractérisé en ce que chaque circuit de dérivation (40) enveloppe une branche d'échappement (21) du circuit d'échappement (20). 4. Moteur selon l'une des deux revendications précédentes, caractérisé en ce que, le circuit d'admission (10) comportant une conduite d'air (11) et un répartiteur (13) d'admission d'air pourvu de branches d'admission (14), chaque circuit de dérivation (40) se repique à une extrémité sur la conduite d'air (10) en amont du répartiteur (13) et à l'autre extrémité sur une branche d'admission (14) du répartiteur d'air (13). 5. Moteur selon l'une des trois revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens d'échange de chaleur (40, 40A, 40B) comportent une pluralité de circuits de dérivation (40, 40A, 40B) montés en parallèle, chaque circuit de dérivation (40, 40A, 40B) étant associé à un cylindre (5). 6. Moteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens d'échange de chaleur (40) comportent un seul circuit de dérivation (40) repiqué, d'une part, sur la conduite d'air (11) en amont du répartiteur d'admission d'air (13) et, d'autre part, à une extrémité du répartiteur (13) d'admission d'air opposée à la conduite d'air (11), ce circuit de dérivation (40) unique entourant localement chaque branche d'échappement (14) de chaque cylindre (5). 7. Moteur selon l'une des revendications 2 à 6, caractérisé en ce que le circuit d'admission (10) d'air comprend des moyens de déviation (31) du flux d'air de la conduite d'air (11) vers le circuit de dérivation (40). 8. Moteur selon l'une des revendications 2 à 6, caractérisé en ce que le répartiteur d'admission d'air (13) et le circuit de dérivation (40) comprennent chacun des moyens de régulation (32, 33) du débit d'air qu'ils véhiculent. 9. Moteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens d'échange de chaleur (40) comportent au moins un circuit de dérivation (40) issu du circuit d'échappement (20), qui enveloppe au moins une partie du circuit d'admission (10). 10. Moteur selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le circuit de dérivation (40) enveloppe entièrement le répartiteur (13) d'admission d'air. 11. Moteur selon l'une des revendications 9 et 10, caractérisé en ce que le circuit de dérivation (40) comportent des moyens de régulation (25) du débit des gaz d'échappement.