Brevet FR2895023A1 — publié le 20070622

L'invention concerne les moteurs de vehicules. Elie concerne notamment Ies moteurs a combustion interne a quatre temps a allumage par compression a injection directe diesel equipes de quatre soupapes par cylindre. L'invention porte en particulier sur ('amelioration du depart a froid notamment dans les conditions de tits faible temperature pouvant aller jusqu'a -30 C. On sait que les moteurs diesel on des difficultes pour demarrer a froid aux tres faibles temperatures (jusqu'a -30 C) et ce, d'autant plus que les rapports volumetriques de compression sont faibles. Un critere important pour I'initiation de la combustion est en effet la temperature au point mort haut qui est conditionnee a I'ordre 1 par la temperature au point mort bas (temperature ambiante) et le rapport volumetrique de compression. Or, afin d'accroitre les performances specifiques ou encore d'ameliorer la depollution sur chaque cycle du moteur, les taux de compression des moteurs baissent regulierement au fil des ans. Ce taux etait ainsi en moyenne d'environ 19 en 2000 alors qu'iI est passe a environ 17 en 2005. Cependant, le depart a froid constitue une contrainte face a cette baisse des taux, et ce d'autant plus que les cahiers des charges en matiere de temperature sont de plus en plus severes. On requiert ainsi dans des pays qualifies de grand froid que le vehicule puisse demarrer a des temperatures allant jusqu'a -30 C. Les techniques adoptees actuellement en demarrage a froid ne permettent pas de descendre en dessous d'un taux d'environ 15. Or Ies nouveaux concepts de combustion tels que le HCCI (Homogeneous Charge Compression Ignition ou allumage en compression de charge homogene) ont besoin d'un taux plus faible (14, voire moins) pour fonctionner de fawn optimale. II est donc essentiel d'ameliorer le demarrage a froid des moteurs diesel afin de repousser cette barriere de taux minimum. D'un autre cote, dans un raisonnement a iso-taux, tout progres nous permettra de demarrer a des temperatures encore plus faibles que I'exige le 2 cahier des charges actuel, par exemple pour titre pits en cas d'extension de marche a des pays ou le cahier des charges de temperature est inferieur a - 30 C. Aujourd'hui, pour demarrer a froid, les moteurs diesel equipant les vehicules de tourisme utilisent un artifice constitue par une bougie de prechauffage. L'extremite de cette bougie portee a tres haute temperature (jusqu'a 1250 C) cree un point chaud dans la chambre qui permet d'initier la combustion. Le positionnement de la bougie dans la culasse est soumis a plusieurs criteres. Le premier d'entre eux concerne !'interaction entre le jet et la bougie : it faut optimiser la position de la bougie par rapport au jet de carburant proche pour assurer une bonne autoinflammation de ce dernier. Un jet trop eloigne de la bougie aura des difficultes a s'allumer. A !'inverse, un jet qui impacte la bougie n'est pas non plus favorable car le melange local est trop riche et la phase liquide du jet vient refroidir localement la bougie. En general, it est donc fait de telle sorte que le jet vienne affleurer la peau de la bougie. Un autre critere est la contrainte d'implantation dans la culasse. II concerne ainsi la proximite entre les conduits d'admission et d'echappement et les noyaux d'eau et d'huile, qui limitent fortement le nombre de positionnements envisageables. Un autre critere concerne la durabilite : la bougie est en general placee du cote de la face admission de la culasse pour profiter des temperatures de matiere et de gaz reduites favorables a sa durabilite. Par ailleurs, Iorsque la bougie est a technologie ceramique, it faut eviter qu'elle soit en contact direct avec le flux d'air d'admission charge en vapeur d'huile car cela conduit a une degradation du materiau. Les contraintes thermiques sont egalement a prendre en compte : it faut eviter que la bougie se trouve proche des flux d'air des conduits d'admission car cela conduit a une chute de temperature effective tres sensible tors du demarrage a froid. Enfin, on prend en compte les contraintes aerodynamiques : it faut eviter que la bougie soit situee a proximite de la sortie des conduits d'admission pour perturber au minimum le mouvement d'air dit mouvement de swirl D. Nous rappelons ici que ce mouvement consiste en un mouvement tourbillonnaire global de I'air d'admission dans le cylindre provoque par la forme des tubulures d'admission. Lair tourne dans le cylindre autour de I'axe de deplacement longitudinal du piston, et ce contrairement a I'effet dit effet tumble ou I'air tourne perpendiculairement a cet axe. Le mouvement de swirl a pour objectif d'ameliorer le melange entre I'air et le carburant. On voit donc qu'il y a beaucoup de contraintes a satisfaire et it n'est en general pas possible d'avoir une solution optimale qui remplisse tous ces criteres. On connait du document US-5 676 107 des architectures de moteur dans lesquelles a chaque chambre sont associes deux conduits d'admission a disposition tangentielle avec une bougie de prechauffage placee en amont du conduit court, c'est-a-dire a I'oppose du flux d'air d'admission. On se referera par exemple a la figure 5 de ce document. Cette architecture s'avere avantageuse dans la mesure of la bougie se trouve du cote de la face admission et of elle est protegee du flux d'air de sorte qu'il y a peu ou pas d'effet de refroidissement, peu d'impact sur le swirl et peu ou pas de contamination avec I'huile. Toutefois, en terme d'aerodynamique, it n'est pas toujours opportun d'utiliser deux conduits d'admission a disposition tangentielle, en particulier un conduit court a disposition tangentielle. Beaucoup d'architectures aerodynamiques performantes sont donc basees sur deux conduits a disposition helicoidale ou sur un conduit court helicoidal associe a un conduit tangentiel court, comme c'est le cas par exemple aux figures 3 et 4 de ce meme document. Dans ces deux derniers cas, comme le flux d'air sortant du 4 conduit court arrose toute la peripherie du siege (conformement a la specificite du conduit helico'idal), la bougie subit directement le flux d'air d'admission avec les desavantages evoques ci-dessus. Un but de !'invention est donc d'ameliorer encore ('architecture des moteurs en vue de favoriser notamment un demarrage a froid. A cet effet, on prevoit selon ('invention un procede de commande d'un moteur de vehicule, dans Iequel on prechauffe localement une chambre dans laquelle debouchent deux conduits d'admission et, pendant au moins tout un cycle du moteur, on obture au moins en partie !'un des conduits. Ainsi, obturer partiellement ou totalement run des deux conduits d'admission permet de diminuer la section debitante et donc d'augmenter les vitesses d'entree d'air dans la chambre. Sur la plage de regime de demarrage d'un moteur (en generale inferieure a 1200 tours/minute) et compte-tenu des faibles debits massiques d'air (en ('absence de suralimentation), le fait de passer de deux a un seul conduit debitant ne degradera en aucun cas le remplissage en air frais. Avantageusement, on effectue le prechauffage et I'obturation lorsque la temperature du moteur est inferieure a un seuil predetermine et/ou lorsque le regime du moteur est inferieur a un seuil predetermine. On prevoit egalement selon ('invention un moteur de vehicule comprenant, pour au moins une chambre du moteur : - au moins deux conduits d'admission ; - une bougie de prechauffage ; et - des moyens pour obturer au moins en partie l'un des conduits pendant au moins tout un cycle du moteur. Le moteur selon I'invention pourra presenter en outre au moins !'une quelconque des caracteristiques suivantes : - les moyens d'obturation sont associes au plus court des deux conduits ; - !'un au moins des conduits est un conduit a configuration tangentielle ; - !'un au moins des conduits est un conduit a configuration helicoidale ; - la bougie s'etend plus pres du conduit associe aux moyens d'obturation qu'un axe moyen de I'autre conduit ou d'un autre conduit associe a la chambre ; - Ia bougie s'etend entre le conduit associe aux moyens d'obturation et un conduit d'echappement ; - le moteur comprend deux conduits d'echappement associes a la chambre, la bougie s'etendant entre le conduit associe aux moyens d'obturation et celui des conduits d'echappement le plus proche de ce dernier ; et - it comprend un piston associe a la chambre et presentant un bol tel qu'un ratio entre un diametre du bol et un diametre du piston est superieur a 0,5. D'autres caracteristiques et avantages de I'invention apparaitront encore dans la description suivante d'un mode prefere de realisation donne a titre d'exemple non limitatif en reference aux dessins annexes sur lesquels : - Ia figure 1 est une vue partielle en section axiale d'un moteur selon !'invention au niveau de la partie superieure d'une des chambres de combustion ; - la figure 2 est une vue partielle de dessus de la chambre de la figure 1 ; - la figure 3 est un diagramme illustrant des performances du moteur selon !'invention ; et - la figure 4 est un schema explicitant le ratio utilise dans le diagramme de la figure 3. Un mode prefere de realisation de ('invention a ete illustre aux figures 1 et 2. Le moteur 2 est un moteur de vehicule a combustion interne a allumage par compression a quatre temps de type a injection diesel directe. II comprend ici quatre chambres de combustion 4 associees chacune a un cylindre et a un piston mais le nombre de cylindres pourrait titre modifie. A chaque chambre 4 sont associees quatre soupapes de sorte que deux conduits d'admission 6 et 7 et deux conduits d'echappement 8 debouchent dans chaque chambre 4. Dans le present exemple, les intersections des conduits 6, 7 et 8 avec la culasse ont une forme circulaire comme illustre a la figure 2. Chaque conduit presente un axe longitudinal non rectiligne 10 compte-tenu de la courbure du conduit le long de sa longueur. Dans le present exemple, les embouchures des conduits visibles sur la figure 2 ont des centres, correspondant aux axes des conduits respectifs, disposes sensiblement aux quatre coins d'un rectangle voire d'un carre. Les deux conduits d'admission 6 et 7, en particulier, ont leur embouchure disposee rune a cote de I'autre de meme que les deux conduits d'echappement 8. Sensiblement au centre du carre s'etend un injecteur de carburant 12 destine a alimenter la chambre 4 avec un jet de carburant 14. Comme on le voit sur la figure 2, le conduit d'admission 6 a une longueur plus courte que le conduit d'admission 7. En particulier, ce dernier contourne en partie ('embouchure du conduit 6 avant d'arriver a sa propre embouchure. Dans le present exemple, les deux conduits 6 et 7 sont a configuration tangentielle de sorte que, a I'endroit de leur embouchure, ('axe longitudinal est incline par rapport a ['axe principal 13 de la chambre de combustion correspondant a la direction de coulissement du piston 16 rect.] dans cette chambre. De plus, ['axe localement est oriente, lorsqu'il est vu depuis I'extremite du cylindre comme sur la figure 2, suivant une direction parallele a la tangente au cercie formant la section du cylindre. Cette orientation permet d'injecter I'air d'admission a partir des conduits 6 et 7 en donnant a ('air un mouvement helicoidal dans la chambre 4 autour de I'axe 13. En variante, on pourrait prevoir qu'au moins run des deux conduits d'admission 6, 7 a une orientation non pas tangentielle mais helico'idale telle qu'elle est divulguee par exemple aux figures 3 et 4 du document US-5 676 107 precite. Dans ce cas, la section du conduit d'admission va en se retrecissant a mesure qu'il approche de son embouchure dans la chambre 4. Elie va egalement en s'enroulant de fawn helicoidale autour d'un axe local parallele lui aussi a I'axe 13 mais distinct de ce dernier. De la sorte, fair est injecte localement avec un mouvement tangent au bord de ('embouchure, ce qui entraine une diffusion centrifuge de ('air a partir des bords de ('embouchure. Les deux conduits d'admission pourront titre configures avec cet agencement helicoidal. A chaque chambre 4 est associee une bougie de prechauffage 20 dont I'extremite debouche dans la chambre 4. L'extremite de la bougie est disposee entre le conduit d'admission court 6 et le conduit d'echappement 8 le plus proche de ce dernier dans le present exemple. La bougie est donc plus proche de I'embouchure du conduit court 6 que chacun des trois autres conduits, en particulier le conduit d'echappement 8 le plus proche ou le conduit d'admission long 7. Enfin, des moyens d'obturation 22 sont prevus dans chaque chambre 4 pour obturer sur commande run des conduits d'admission 6, 7 et en I'espece le conduit 6. Cette obturation dans le present exemple est totale Iorsqu'elle est actionnee. De tels moyens d'obturation sont connus en euxmemes. Ces moyens pourront par exemple titre constitues par un volet coulissant suivant une direction localement perpendiculaire a I'axe 10. Ces moyens permettent de faire varier I'intensite du mouvement de swirl. Selon I'invention, tors d'une phase de demarrage a froid du moteur, c'est-a-dire lorsque la temperature du moteur est inferieure a une temperature predeterminee, on commande la fermeture du conduit court pendant au moins tout un cycle du moteur et de preference plusieurs pour eviter toute interaction entre la bougie 20 et I'air frais introduit par le circuit d'admission 7. De la sorte, la bougie est protegee de tout effet de refroidissement et de toute contamination par I'huile. L'augmentation de swirl qui s'ensuit est favorable a la combustion a froid comme illustre a la figure 3. II a en effet ete montre qu'une augmentation du mouvement de swirl sur une chambre de combustion possedant un piston a bol 24 large permettait de reduire la part de carburant mouillant les parois, avec a la de un meilleur demarrage. Si D definit le diametre du piston perpendiculairement a I'axe 13 et d le diametre du bol perpendiculairement au meme axe, on definit le bol comme etant large lorsque le ratio d/D est superieur a 0,5, ce qui est le cas sur la majorite des moteurs de vehicules de tourisme. On voit ainsi sur la figure 3 que pour les bols larges, correspondants aux deux courbes inferieures, la fraction de carburant adherant sur les parois va en se reduisant a mesure qu'augmente le ratio de swirl. Le phenomene est inverse pour les bols etroits comme illustre par la courbe superieure de la meme figure. C'est I'unite centrale de pilotage du moteur qui commandera I'obturation des moyens 22 lorsqu'elle reconnaitra les conditions predeterminees de demarrage a froid avec une temperature inferieure a un seuil predetermine ou encore un regime du moteur inferieur a un seuil predetermine. Bien entendu, on pourra apporter a I'invention de nombreuses modifications sans sortir du cadre de celle-ci. REVENDICATIONS 1. Procede de commande d'un moteur (2) de vehicule, caracterise en ce qu'on prechauffe localement une chambre (4) dans laquelle debouchent deux conduits d'admission (6, 7) et, pendant au moins tout un cycle du moteur, on obture au moins en partie I'un (6) des conduits. 2. Procede selon la revendication precedente, caracterise en ce qu'on effectue le prechauffage et I'obturation lorsque la temperature du moteur est inferieure a un seuil predetermine et/ou lorsque le regime du moteur est inferieur a un seuil predetermine. 3. Moteur (2) de vehicule comprenant, pour au moins une chambre (4) du moteur : - au moins deux conduits d'admission (6, 7) ; et - une bougie de prechauffage (20), caracterise en ce qu'iI comprend des moyens (22) pour obturer au moins en partie run (6) des conduits pendant au moins tout un cycle du moteur. 4. Moteur selon la revendication precedente, caracterise en ce que Ies moyens d'obturation (22) sont associes au plus court (6) des deux conduits. 5. Moteur selon rune quelconque des revendications 3 ou 4, caracterise en ce que run (6, 7) au moins des conduits est un conduit a configuration tangentielle. 6. Moteur selon rune quelconque des revendications 3 a 5, caracterise en ce que run au moins des conduits est un conduit a configuration helicoldale. 7. Moteur selon rune quelconque des revendications 3 a 6, caracterise en ce que la bougie (20) s'etend plus pres du conduit (6) associe aux moyens d'obturation (22) qu'un axe moyen de I'autre conduit (7) ou d'un autre conduit (8) associe a la chambre. 8. Moteur selon rune quelconque des revendications 3 a 7, caracterise en ce que la bougie (20) s'etend entre le conduit (6) associe aux moyens d'obturation (22) et un conduit d'echappement (8). 10 9. Moteur selon rune quelconque des revendications 3 a 8, caracterise en ce que le moteur comprend deux conduits d'echappement (8) associes a la chambre, la bougie (20) s'etendant entre le conduit (6) associe aux moyens d'obturation (22) et celui des conduits d'echappement le plus proche de ce dernier. 15 10. Moteur selon rune quelconque des revendications 3 a 9, caracterise en ce qu'il comprend un piston associe a la chambre et presentant un bol tel qu'un ratio entre un diametre (d) du bol et un diametre (D) du piston est superieur a 0,5. 20