Brevet FR2893981A1 — publié le 20070601

Dispositif de stratification en température de la charge d'un cylindre d'un moteur Diesel à combustion homogène La présente invention est relative à un dispositif de stratification en température de la charge en mélange air/carburant d'un cylindre d'un moteur Diesel à combustion homogène, comprenant des conduits d'amenée de courants de gaz frais froids et chauds, respectivement, en amont d'au moins une soupape d'admission du cylindre. Les moteurs Diesel à combustion homogène (dite HCCI dans les pays de langues anglaise) présentent l'avantage de produire très peu d'oxydes d'azote et de particules et semblent donc plus propres que les moteurs Diesel classiques à satisfaire aux normes antipollution de plus en plus sévères qui sont actuellement introduites par nombre de législations nationales ou régionales. La combustion homogène a cependant l'inconvénient d'être très bruyante du fait de l'allumage du mélange air/carburant simultanément en tous les points de la charge en ce mélange contenue dans le cylindre. Pour empêcher cet allumage simultané et commander au contraire un allumage progressif ou séquentiel de cette charge, on a pensé à organiser une stratification en température de la charge. En créant dans cette charge plusieurs strates de gaz à des températures différentes, on assure un allumage séquentiel de ces strates et donc un étalement dans le temps de l'énergie sonore globalement développée par la combustion de la charge. Suivant une première technique connue, proposée pour stratifier en température la charge d'un cylindre de moteur Diesel à combustion homogène, on refroidit fortement les parois du cylindre, avec de l'eau à une température de 50 C par exemple, de manière à créer un gradient de température entre la partie centrale de cette charge et les parties de la charge qui sont voisines des parois refroidies. Cette technique n'est praticable que si les échanges thermiques au niveau des parois du cylindre peuvent être importants. C'est pourquoi elle semble impraticable aux régimes élevés du moteur. Suivant une autre technique proposée pour un cylindre comprenant deux soupapes d'admission, on introduit par celles-ci dans le cylindre des gaz à deux températures différentes. La stratification en deux couches, seulement, de températures différentes qui en résulte paraît insuffisante pour assurer la réduction convenable du bruit recherchée. La présente invention a précisément pour but de réaliser un dispositif de stratification en température de la charge en mélange air/carburant d'un cylindre d'un moteur Diesel à combustion homogène, qui ne présente pas les limitations évoquées ci-dessus et qui soit propre à assurer une réduction du bruit de combustion de cette charge à un niveau convenable. Plus particulièrement la présente invention vise à réaliser un tel dispositif propre à assure une stratification continue en température de la charge contenue dans le cylindre. On atteint ces buts de l'invention, ainsi que d'autres qui apparaîtront dans la suite de la présente description, avec un dispositif de stratification en température de la charge en mélange air/carburant d'un cylindre d'un moteur Diesel à combustion homogène, comprenant des moyens d'amenée de courants de gaz frais froids et chauds, respectivement, en amont d'au moins une soupape d'admission du cylindre. Ce dispositif est remarquable en ce qu'il comprend des moyens pour mélanger les gaz frais froids et chauds en proportion variable et délivrer le mélange au cylindre pendant la levée de la soupape d'admission, et des moyens pour commander les moyens de mélange en fonction d'un programme de stratification en température de ladite charge du cylindre. Ces moyens de mélange sont constitués par une valve présentant des première et deuxième entrées alimentées par les courants de gaz frais froids et chauds, respectivement, et une sortie délivrant un mélange de ces gaz, la valve comprenant une partie tubulaire percée de lumières et une bague coaxiale montée coulissante sur la partie tubulaire pour obturer sélectivement une fraction variable des lumières, la valve étant montée en amont de la soupape de manière à être traversée axialement par un des courants de gaz et radialement par l'autre, à travers cette fraction variable des lumières. Comme on l'expliquera en plus de détail dans la suite, grâce à cette valve et à ses moyens de commande, le dispositif suivant la présente invention permet d'établir une stratification continue en température des gaz contenus dans la chambre de combustion du cylindre, propre à réduire efficacement le niveau de bruit pendant la combustion. En outre cette stratification est obtenue quel que soit le point de fonctionnement du moteur. Suivant d'autres caractéristiques de la présente invention: - la surface cumulée des lumières de ladite fraction variable desdites lumières est liée à la position axiale de ladite bague par une relation prédéterminée, - le dispositif comprend un conduit d'amenée de gaz frais froids à une entrée, axiale, de la valve, des moyens pour dériver une partie de ces gaz en amont de la valve, un échangeur de chaleur monté sur l'échappement du moteur et traversé par le gaz dérivé pour réchauffer ce dernier, et un conduit de renvoi du gaz réchauffé vers les lumières de la valve, - en variante, le dispositif peut comprendre un compresseur alimenté par un courant de gaz frais froids pour délivrer à sa sortie un courant de gaz frais chauds, un conduit d'amenée d'une partie du courant de gaz frais chauds à une des deux entrées de gaz de la valve, un échangeur de chaleur alimenté par le reste de ce courant pour délivrer à sa sortie un courant de gaz frais refroidis pour l'alimentation de l'autre entrée de la valve, - selon un mode de réalisation particulier de l'invention, ce compresseur est un compresseur à ondes, - l'un au moins des courants de gaz alimentant la valve comprend des gaz d'échappement recyclés, - la valve est placée en aval d'un injecteur de carburant dans le conduit d'amenée de gaz frais froids, - les moyens de commande comprennent un actionneur du groupe formé par : un actionneur mécanique à came, un actionneur électromécanique, un actionneur hydraulique, - dans un moteur comportant plusieurs cylindres, les moyens de commande agissent cylindre par cylindre. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre et à l'examen du dessin annexé dans lequel: - la figure 1 est une vue perspective schématique, avec arrachement partiel, d'un moteur Diesel monocylindre équipé du dispositif suivant l'invention, - la figure 2 est une vue agrandie d'une partie du dispositif représenté à la figure 1, -les figures 3A à 3C représentent schématiquement trois modes de réalisation des lumières de la valve équipant le dispositif suivant l'invention, - les figures 4A à 4C représentent schématiquement trois modes de réalisation d'actionneurs utilisables pour commander la valve du dispositif suivant l'invention, et - les figures 5 à 7 représentent schématiquement trois modes de réalisation du dispositif suivant l'invention, appliqués à des moteurs Diesel à 4 cylindres. On a représenté à la figure 1 du dessin annexé un moteur Diesel équipé d'un mode de réalisation du dispositif suivant l'invention. Ce moteur ne compte qu'un cylindre pour la clarté du dessin seulement. Comme cela apparaîtra en effet dans la suite, l'invention est évidemment applicable à des moteurs comptant plusieurs cylindres. Le moteur représenté comprend ainsi un cylindre 1 alimenté en gaz frais par un conduit 2 d'amenée de tels gaz, ou conduit d'admission, l'entrée des gaz dans une chambre de combustion du cylindre étant commandée par une soupape d'admission 3. Un injecteur de carburant 4 est monté dans le conduit d'admission, en amont de la soupape 3. Le cylindre est raccordé à un conduit d'échappement 5 qui permet classiquement d'évacuer les gaz brûlés dans le cylindre 1. Un conduit 6 branché en 7 sur le conduit 2, en amont de l'injecteur 4, permet de dériver une partie 8 des gaz frais vers un échangeur de chaleur 9 monté sur le conduit d'échappement 5. Cette partie est réchauffée dans cet échangeur 9 par le courant 10 de gaz d'échappement qui le traverse, pour constituer un courant 11 de gaz frais "chauds" c'est-à-dire, au sens de la présente demande de brevet, plus chauds que les gaz frais "froids" amenés par le conduit 2. Ces gaz frais froids sont ordinairement constitués par de l'air extérieur éventuellement mélangé à une fraction des gaz d'échappement rejetés par le cylindre, comme on le verra plus loin. Suivant la présente invention, un conduit 12 permet de renvoyer les gaz frais chauds 11 sortant de l'échangeur 9 vers des moyens 13 disposés en amont de la soupape d'admission 3 et en aval de l'injecteur de carburant 4, ces moyens étant conçus pour mélanger ces gaz frais chauds au courant 14 de gaz frais froids amené vers cette soupape par le conduit d'admission 2. On se réfère à la vue agrandie de la figure 2 pour décrire en plus de détail ces moyens de mélange. Ceux-ci prennent la forme d'une valve 13 comprenant une partie tubulaire 15 et une bague coaxiale 16 montée coulissante sur la partie tubulaire 15. La partie tubulaire 15 est solidaire et en ligne avec le conduit 2 au niveau d'une de ses deux bases, qui constitue l'entrée de gaz frais froids de la valve 13. L'autre base de cette partie constitue la sortie de cette valve. Cette sortie est disposée immédiatement en amont de la tête 3a de la soupape d'admission 3, comme représenté. La paroi de la partie tubulaire 15 est percée de lumières 17a, 17b,...distribuées périphériquement et axialement sur cette paroi. Quand la bague 16 est dans sa position de repos, elle obture ces lumières. Un déplacement axial de la bague à partir de cette position de repos permet de dégager une fraction variable des lumières, comme représenté à la figure 2. On a représenté schématiquement aux figures 3A à 3C diverses configurations de lumières et de distributions de ces lumières 17a, 17b,... sur la partie tubulaire 15, à titre d'exemples illustratifs et non limitatifs seulement. Sur la figure 3A, les lumières sont de forme oblongue, allongées selon l'axe de la partie tubulaire 15. Sur la figure 3B, les lumières sont circulaires et agencées selon des distributions annulaires empilées les unes au-dessus des autres, le diamètre des lumières croissant d'une distribution à la suivante, selon un des sens de l'axe de la partie 15. Une telle distribution permet de régler plus finement la croissance de la surface cumulée des lumières découvertes par la bague 16, pendant la levée de celle-ci à partir de sa position de repos. Sur la figure 3C les lumières, circulaires et de même diamètre, sont distribuées hélicoïdalement sur la partie 15. Bien entendu, d'autres distributions et formes de lumières pourraient être choisies par le concepteur du moteur. A titre d'exemple, les lumières pourraient être disposées comme sur la figure 3C, le diamètre de ces lumières croissant au long de l'hélicoïde. Dans tous les cas, il existe une relation prédéterminée entre la surface cumulée des lumières découvertes par la bague 16 et la position axiale de cette bague sur la partie tubulaire 15. On revient à la figure 2 ou il apparaît que le conduit 12 d'amenée de gaz frais chauds à la valve 13 débouche dans une enceinte 18 enveloppant la bague 16. Il en résulte que les gaz frais chauds 12 circulant dans ce conduit peuvent passer radialement à l'intérieur de la partie tubulaire 15, à travers les lumières dégagées par la bague 16, ces lumières constituant ainsi l'entrée de gaz frais chauds de la valve 13. Ces gaz frais chauds s'y mélangent alors avec les gaz frais froids 14 convoyés par le conduit 2 et circulant axialement dans cette partie tubulaire de la valve 13. On conçoit qu'en ajustant convenablement la position de la bague 16, on peut régler à tout instant les proportions relatives, et donc la température, des gaz frais froids et chauds qui se mélangent dans la partie tubulaire de la valve 13 et qui traversent la sortie de celle-ci pour pénétrer ensuite dans le cylindre 1 pendant la levée, ou temps d'ouverture, de la soupape d'admission 3. Plus précisément, ce résultat peut être obtenu comme suit. A l'ouverture de la soupape d'admission 3, la valve 13 est fermée. Seuls des gaz frais froids peuvent alors entrer dans la chambre de combustion du cylindre 1. Des moyens de commande de la valve 13, qui seront décrits dans la suite en liaison avec les figures 4A à 4C et 5, écartent alors la bague 16 de la valve 13 de sa position de fermeture pour laisser entrer des gaz frais chauds dans le courant des gaz frais froids qui traversent la valve 13 pour pénétrer dans la chambre de combustion du cylindre. Le mélange de gaz qui en résulte voit sa température croître avec l'accroissement de la quantité de gaz chauds dans ce mélange, c'est-à-dire avec la croissance de la surface des lumières qui sont débouchées par la translation progressive de la bague 16 à l'écart de sa position de repos. Du fait de leur pression plus élevée, pratiquement seuls les gaz chauds pénètrent dans la valve et dans le cylindre à la retombée de la soupape 3 sur son siège. Il apparaît qu'alors la température de la charge en mélange air/carburant de ce cylindre va croissant du piston à la culasse du cylindre. Ainsi, pendant l'ouverture de la soupape d'admission 3, on peut "empiler" séquentiellement et continûment dans la chambre de combustion du cylindre, des strates ou couches de gaz à des températures différentes sur la tête du piston circulant dans ce cylindre. Cette stratification continue pourra s'opérer selon l'une quelconque de plusieurs séquences, ou programmes, prédéterminés établis par le concepteur du moteur, en fonction du régime de ce moteur, par exemple. Cette stratification continue permet d'étaler dans le temps l'énergie sonore émise par l'inflammation du mélange air/carburant contenu dans le cylindre et donc de réduire le niveau instantané de ce bruit, conformément au but poursuivi par la présente invention. Bien entendu, il convient que la stratification en température ainsi obtenue ne soit pas détruite ou perturbée par le refroidissement provoqué par la vaporisation du carburant introduit par l'injecteur 4. On injecte ce carburant pendant la phase d'admission de manière à garantir une bonne répartition de ce carburant dans la charge en mélange air/ carburant de la chambre de combustion, conformément au principe de la combustion homogène. II faut choisir le motif d'injection de manière à tenir compte du fait que la masse volumique des gaz entrant dans le cylindre change au cours de l'admission. Ainsi, dans l'exemple décrit ci-dessus, la température des gaz entrants pendant l'admission étant croissante, le débit du carburant injecté doit décroître simultanément. On se réfère maintenant aux figures 4A à 4C du dessin annexé pour décrire différents types d'actionneurs de la bague 16, formant partie des moyens de commande de la valve 13, à titre d'exemples illustratifs et non limitatifs seulement. L'actionneur schématisé à la figure 4A est purement mécanique et prend la forme d'une came rotative 18 agissant sur une contre-came 19 solidaire de la bague 16. Cette came est entraînée par le moteur à la même vitesse que l'arbre à cames commandant les soupapes. Un ressort de rappel, non représenté, établit un contact permanent entre la came et la contre-came. Cet actionneur peut être complété par des moyens mécaniques, connus en eux-mêmes, permettant de réaliser des levées de la bague 16 variables en durée et en hauteur. L'actionneur 20 schématisé à la figure 4B est électromécanique et comprend un plateau 21 solidaire de la bague 16, intercalé entre deux bobines électromagnétiques 22a et 22b. Des ressorts de rappel 23a et 23b sont disposés de part et d'autre du plateau 21. Le principe de fonctionnement de cet actionneur est similaire à celui des soupapes électromécaniques. Les bobines maintiennent le plateau dans l'une ou l'autre de deux positions, l'énergie nécessaire au déplacement du plateau entre celles-ci étant fournie par les ressorts. Cet actionneur ne permet pas de jouer sur la hauteur de levée de la bague 16. Seul un déphasage peut être commandé. L'actionneur 24 schématisé à la figure 4C est hydraulique et comprend un vérin à double action 25 dont le piston 26 déplace la bague 16 de la valve 13. La position du piston est commandée classiquement par deux circuits, hydrauliques ou pneumatiques, haute pression HP et basse pression BP respectivement. Un tel actionneur permet de commander le phasage de l'ouverture et de la fermeture de la valve 13, ainsi que la durée d'ouverture et la hauteur de levée de la bague 16 de cette valve. Il permet d'exécuter des mouvements complexes de cette bague pendant l'ouverture de la soupape d'admission, tels qu'un mouvement composé de plusieurs levées consécutives de la bague. On se réfère maintenant aux figures 5 à 7 pour décrire divers modes de mise en oeuvre de la présente invention dans des moteurs Diesel à plusieurs cylindres, 4 dans ces modes de réalisation donnés seulement à titre illustratif et non limitatif. Le moteur schématisé à la figure 5 est suralimenté et comprend donc, classiquement, une turbine T traversée par les gaz d'échappement des cylindres 1; (i de 1 à 4) du moteur pour animer un compresseur C d'alimentation de ces cylindres en gaz frais "froids", au sens de la présente demande de brevet. Classiquement encore, le moteur comprend une ligne 30 de recyclage de gaz d'échappement (dits EGR selon le sigle de l'expression anglo-saxonne correspondante). Une électrovanne 31 est placée à l'entrée de cette ligne et cette vanne est actionnée sélectivement par une unité électronique de commande 32. Comme on le sait, l'utilisation d'EGR dans l'alimentation en gaz frais d'un moteur Diesel permet de maintenir les oxydes d'azote présents dans les gaz d'échappement à un taux très bas. Comme représenté à la figure 5, les EGR sont mélangés à l'air frais comprimé sortant du compresseur C, le mélange alimentant d'une part les cylindres 1; du moteur et, d'autre part, un échangeur de chaleur 9a grâce à une ligne de dérivation 6a. L'échangeur 9a est placé sur la sortie du collecteur des gaz d'échappement du moteur pour y jouer le même rôle que celui de l'échangeur 9 du dispositif monocylindre représenté à la figurel. La fraction des gaz frais froids réchauffés dans l'échangeur 9a est redistribuée et réinjectée dans les entrées de gaz frais froids des cylindresl sous la commande de valves 13; suivant l'invention, constituées comme la valve 13 du dispositif de la figure 1. Ces valves 13; sont actionnées sélectivement par des moyens de commande dûment programmés, qui peuvent d'ailleurs être incorporés commodément à l'unité de commande 32 qui actionne l'électrovanne 31. On comprend que la stratification en température de la charge des cylindres du moteur peut ainsi être avantageusement commandée cylindre par cylindre. Il devient possible de gérer le démarrage des combustions dans ces cylindres de manière très souple, suivant une grande variété de stratégies. On a représenté schématiquement sur la figure 6 une variante d'une partie du dispositif de la figure 5. Sur cette figure, ainsi que sur la figure 7, des références numériques identiques à des références utilisées sur la figure 5 repèrent des organes identiques ou analogues. La variante de la figure 6 se distingue par le mode de production des gaz frais froids et chauds, qui tire parti du fait qu'à la sortie du compresseur C, on dispose de gaz comprimés plus chauds qu'à son entrée en raison du travail de compression. Suivant l'invention,on refroidit une partie des gaz chauds sortant du compresseur C dans un échangeur 33 pour constituer des gaz frais "froids" débités aux cylindres 1;. La partie non refroidie des gaz sortant du compresseur C alimente les entrées de gaz chauds des valves 13;. Des EGR sont introduits dans le courant de gaz chauds sortant du compresseur C, en amont de la bifurcation alimentant ces entrées. On obtient ainsi un même dosage d'EGR dans les deux entrées de gaz des valves 13;. On pourrait aussi introduire cet EGR après cette bifurcation de manière à permettre un réglage séparé de son dosage dans les deux courants de gaz, chauds et froids. Comme schématisé sur la figure 7, on pourrait sur le même principe utiliser un compresseur à ondes 34 (dit aussi compresseur PWS selon le sigle anglo-saxon désignant couramment cet appareil) pour comprimer et réchauffer les gaz frais de l'admission, air extérieur et EGR, entrant dans le compresseur par les entrées 35 et 36 respectivement. Un mélange de ces gaz, comprimés et donc réchauffés, est débité à la sortie 37 en aval de laquelle il est divisé en deux branches dont l'une comporte un échangeur 33 de refroidissement, comme dans la variante de la figure 6. Les gaz d'échappement non recyclés sortent par la sortie 38 du compresseur. On peut aussi remplacer le compresseur de la figure 6 par un compresseur à ondes multiports comprenant deux sorties distinctes pour les gaz frais, froids et chauds. Il est alors possible de régler séparément le pourcentage d'EGR dans ces deux courants de gaz, grâce au phasage des lumières du compresseur. Bien entendu, des moyens de production de gaz frais froids et chauds, autres que ceux décrits ci-dessus, pourraient leur être substitués. Il apparaît maintenant que la présente invention permet bien d'atteindre le but annoncé, à savoir assurer une stratification en température continue ,et fine, de la charge des cylindres d'un moteur Diesel à combustion homogène, dans tous les modes de fonctionnement de ce moteur. Ce résultat est obtenu notamment grâce à la valve 13 du dispositif suivant l'invention, dont l'implantation dans les conduits d'admission du moteur est rendue particulièrement facile par sa structure cylindrique, compatible avec la géométrie de ces conduits. En outre, on remarquera que le dosage du mélange de gaz opéré dans cette valve peut être réglé avec une grande précision par une géométrie adaptée des formes et distributions des lumières de la partie tubulaire et par une commande précise appropriée des mouvements de la bague d'obturation sélective de ces lumières. REVENDICATIONS 1. Dispositif de stratification en température de la charge en mélange air/carburant d'un cylindre (1 ;1;) d'un moteur Diesel à combustion homogène, comprenant des moyens (2 ;6,12) d'amenée de courants de gaz frais froids et chauds, respectivement, en amont d'au moins une soupape d'admission (3) dudit cylindre (1 ;1;), caractérisé en ce qu'il comprend des moyens (13,13;) pour mélanger lesdits gaz frais froids et chauds en proportion variable et délivrer le mélange audit cylindre (1 ;1;) pendant la levée de ladite soupape d'admission (3), et des moyens (18 ;20 ;24 ;32) pour commander lesdits moyens de mélange (13 ;13;) en fonction d'un programme de stratification en température de ladite charge dudit cylindre (1 ;1;). 2. Dispositif conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens de mélange sont constitués par une valve (13 ;13;) présentant des première et deuxième entrées alimentées par lesdits courants de gaz frais et chauds, respectivement, et une sortie délivrant ledit mélange desdits gaz, ladite valve (13 ;13;) comprenant une partie tubulaire (15) percée de lumières (17a,17b) et une bague coaxiale (16) montée coulissante sur ladite partie tubulaire (15) pour obturer sélectivement une fraction variable desdites lumières (17a,17b), ladite valve (13 ;13;) étant montée en amont de ladite soupape (3) de manière à être traversée axialement par un desdits courants de gaz et radialement par l'autre, à travers ladite fraction variable desdites lumières (17a,17b). 3. Dispositif conforme à la revendication 2, caractérisé en ce que la surface cumulée des lumières (17a, 17b) de ladite fraction variable desdites lumières est liée à la position axiale de ladite bague (16) par une relation prédéterminée. 4. Dispositif conforme à l'une quelconque des revendications 2 et 3, caractérisé en ce qu'il comprend un conduit (2) d'amenée de gaz frais froids à ladite première entrée, axiale, de ladite valve (13 ;13;), des moyens (6) pour dériver une partie desdits gaz en amont de ladite valve (13 ;13;), un échangeur de chaleur (9) monté sur l'échappement (5) dudit moteur et traversé par ledit gaz dérivé pour réchauffer ce dernier, et un conduit (12) de renvoi dudit gaz réchauffé vers lesdites lumières (17a, 17b) de ladite valve (13 ;13;). 5. Dispositif conforme à l'une quelconque des revendications 2 et 3, caractérisé en ce qu'il comprend un compresseur (C ;34) alimenté par un courant de gaz frais froids pour délivrer à sa sortie un courant de gaz frais chauds, un conduit d'amenée d'une partie dudit courant de gaz frais chauds à une des deuxentrées de gaz de ladite valve (13;), un échangeur de chaleur (33) alimenté par le reste dudit courant pour délivrer à sa sortie un courant de gaz frais refroidis pour l'alimentation de l'autre entrée de ladite valve (13;). 6. Dispositif conforme à la revendication 5, caractérisé en ce que ledit compresseur (34) est un compresseur à ondes. 7. Dispositif conforme à l'une quelconque des revendications 4 à 6, caractérisé en ce que l'un au moins desdits courants de gaz alimentant ladite valve (13;) comprend des gaz d'échappement recyclés. 8. Dispositif conforme à l'une quelconque des revendications 2 à 6, caractérisé en ce que ladite valve (13 ; 13i) est placée en aval d'un injecteur de carburant (4) dans ledit conduit (2) d'amenée de gaz frais froids. 9. Dispositif conforme à l'une quelconque des revendications 2 à 8, caractérisé en ce que lesdits moyens de commande comprennent un actionneur (18 ; 20 ; 24) du groupe formé par : un actionneur mécanique à came (18), un actionneur électromécanique (20), un actionneur hydraulique (24). 10 Dispositif conforme à l'une quelconque des revendications 2 à 9, adapté à un moteur comportant plusieurs cylindres (1;), caractérisé en ce que lesdits moyens de commande agissent cylindre par cylindre.