Brevet FR2910054A1 — publié le 20080620

Moteur à combustion interne à allumage commandé et procédé de commande d'un tel moteur. L'invention concerne un moteur à combustion interne à allumage commandé et un procédé de commande d'un tel moteur. Le principe d'un moteur à combustion interne à allumage commandé est connu depuis longtemps. Un tel moteur comporte au moins un cylindre, une chambre de combustion délimitée par le cylindre et un piston monté coulissant dans le cylindre. Une combustion est provoquée dans la chambre de combustion pour fournir de l'énergie mécanique par les gaz de combustion qui repoussent le piston. Un embiellage permet de transformer ce mouvement de translation en mouvement de rotation. La paroi qui ferme la chambre de combustion, appelée culasse, comporte au moins une soupape d'admission permettant de relier la chambre de combustion avec un conduit d'admission pour faire entrer un mélange d'air et de carburant dans la chambre, et au moins une soupape d'échappement permettant de relier la chambre de combustion avec un conduit d'échappement 124 pour évacuer les gaz brûlés. Les soupapes sont commandées par un dispositif qui est appelé distribution. Une bougie d'allumage fait saillie dans la chambre de combustion et permet de provoquer l'allumage du mélange dans la chambre. Lors de la rotation du vilebrequin de l'embiellage, quatre phases se succèdent et se répètent. Ces phases sont appelées aussi temps. Dans 2910054 2 une première phase lorsque le piston est au plus près de la culasse, le mélange est admis dans la chambre. Puis le mélange est comprimé, ce qui provoque une élévation de sa température. Lorsque le piston est à 5 nouveau au plus près de la culasse, une étincelle générée par la bougie permet de provoquer le début de la combustion du mélange. Un front de flamme se propage à partir de l'étincelle pour enflammer la totalité du mélange. Ce phénomène est une 10 déflagration. Ensuite, dans une troisième phase, les gaz brûlés se détendent et sont évacués de la chambre dans une quatrième phase, de manière connue en soi. Dans un tel moteur, le rapport, dit rapport volumétrique, entre le volume de la chambre de 15 combustion lorsque le piston est au point mort bas et celui lorsque le piston est au point mort haut est typiquement de 10, en variant entre 8 et 12 selon les moteurs. Le mélange est introduit dans un rapport entre le comburant et le carburant proche des 20 conditions stoechiométriques, c'est-à-dire à richesse proche de 1. Lors de la combustion, le taux d'évolution de la pression est typiquement de 2 bars par degré de rotation du vilebrequin. Ce type de moteur est caractérisé par un 25 rendement thermodynamique de l'ordre de 38%, peu satisfaisant, en particulier en comparaison avec les moteurs Diesel. Des développements récents ont conduit à proposer un moteur fonctionnant avec un mélange dilué. Un tel moteur comporte des moyens de contrôle d'un taux de gaz brûlés résiduels dans le cylindre, permettant de maintenir une température suffisamment 2910054 3 élevée afin d'obtenir un bon déroulement de la combustion malgré une richesse inférieure à 1. Le taux de gaz résiduels est défini par le rapport entre la masse de gaz brûlés résiduels et la masse totale 5 de gaz contenus dans le cylindre et qui sont comprimés pendant la phase de compression. Les moyens de contrôle du taux de gaz brûlés résiduels sont par exemple une distribution variable permettant de faire varier les instants d'ouverture des soupapes en 10 fonction du point de fonctionnement du moteur. La plage d'utilisation de ce mode de fonctionnement est assez réduite et réservée aux faibles charges. De tels moteurs présentent une amélioration du rendement moyen assez limitée. 15 On connaît aussi des moteurs a auto-inflammation contrôlée, dit CAI selon l'acronyme anglais : controlled auto-ignition. Dans ces moteurs, les conditions de combustion sont telles que, lors de la phase de compression, la température du mélange et 20 la pression augmentent au point que le mélange s'enflamme spontanément. Ici également, on utilise des gaz brûlés résiduels, selon un taux de l'ordre de la moitié du mélange. Le début de l'inflammation dépend fortement des 25 conditions thermiques régnant dans le moteur, et on constate des difficultés importantes pour contrôler celui-ci. De plus, l'auto-inflammation se produit simultanément en plusieurs endroits du volume de la chambre de combustion. Le taux d'augmentation de la 30 pression est très élevé, se qui induit des conditions thermiques et mécaniques très sévères pour les organes du moteur. 2910054 4 C'est donc un objectif de l'invention de fournir un moteur à combustion interne permettant d'obtenir un bon rendement thermodynamique sans les contraintes d'une auto-inflammation. 5 Avec cet objectif en vue, l'invention a pour objet un moteur à combustion interne à allumage commandé comportant au moins un cylindre, une chambre de combustion délimitée par le cylindre et un piston monté coulissant dans le cylindre, et des moyens de 10 contrôle d'un taux de gaz brûlés résiduels dans le cylindre, au moins une bougie d'allumage faisant saillie dans la chambre de combustion. La forme de la chambre de combustion, la position de la bougie d'allumage et le rapport volumétrique sont déterminés 15 et le taux de gaz brûlés et la richesse sont contrôlés de telle sorte que la combustion s'emballe après son déclenchement. Les inventeurs ont réussi à obtenir une combustion qui commence à se développer de la même 20 manière que dans un moteur à allumage commandé, mais qui se poursuit avec une vitesse de combustion plus rapide, multipliée par un facteur de l'ordre de 2,5, ce qui caractérise un emballement de la combustion. Cette combustion n'est pas une auto-inflammation du 25 mélange, qui se caractérise par des vitesses de combustion beaucoup plus rapides et par des points d'ignition dispersés dans le mélange. A titre d'exemple, on constate un taux d'augmentation maximal de pression dans la chambre de 30 combustion compris entre 4 et 5 bars par degré de rotation du vilebrequin. 2910054 5 De manière préférentielle, la chambre de combustion a une forme proche d'un ellipsoïde de révolution lorsque le piston est au point mort haut. L'axe de révolution est l'axe du cylindre. La forme 5 de la chambre de combustion est déterminée par la forme de la paroi de la culasse et par celle de la paroi supérieure du piston. On constate qu'avec cette forme, le front de la déflagration reste suffisamment éloigné des parois, ce qui évite qu'il se refroidisse 10 et permet d'obtenir l'emballement de la combustion. La forme de la chambre peut approcher celle d'un ellipsoïde par une approximation à partir de cônes successifs ou de portions sphériques ou toroïdales. De manière particulière, la bougie est apte à 15 créer une étincelle en un point sensiblement à mi-distance entre une paroi de culasse et une paroi de piston délimitant la chambre de combustion selon l'axe de coulissement du piston. La combustion est ainsi initiée de telle sorte que la flamme atteigne 20 l'une des parois le plus tardivement possible. Selon une caractéristique préférentielle, le lieu de l'étincelle est distant d'au moins 4 mm des parois, et de préférence d'au moins 8 mm. On a constaté que lorsque ladite distance est trop faible, 25 l'emballement de la combustion ne se produit pas. Selon un perfectionnement, le moteur comporte deux bougies d'allumage faisant saillie dans la chambre de combustion. En initiant ainsi deux fronts de combustion, la vitesse de combustion du mélange 30 est augmentée, ce qui participe à l'augmentation de l'efficacité thermodynamique du cycle de combustion. Par ailleurs, le développement de la combustion reste 2910054 6 symétrique lorsque les bougies sont placées de manière symétrique par rapport à l'axe du cylindre. Cela évite d'avoir un développement asymétrique lorsqu'il n'est pas possible de placer la bougie sur 5 l'axe du cylindre. De manière particulière, le rapport volumétrique est compris entre 13 et 16. Ce niveau de compression est supérieur à celui couramment utilisé dans les moteurs à allumage commandé. Ce niveau élevé 10 permet une efficacité thermodynamique élevée du cycle de combustion. Selon une disposition particulière, les moyens de contrôle du taux de gaz résiduels sont une distribution variable. 15 L'invention a aussi pour objet un procédé de commande d'un moteur à combustion interne à allumage commandé tel que décrit précédemment, selon lequel on introduit un mélange d'air, de carburant et de gaz brûlés résiduels dans la chambre de combustion, avec 20 un taux de gaz brûlés et une richesse prédéterminés. Le taux de gaz brûlés et la richesse sont contrôlés de telle sorte que le taux de combustion maximal est compris entre 20 et 30% par degré de vilebrequin. Le taux de combustion est défini par le 25 pourcentage de gaz qui ont brûlé pendant que le vilebrequin tourne d'un degré. A titre indicatif, on commande le taux de gaz brûlés résiduels pour que ledit taux soit inférieur à 50%, et de préférence compris entre 10 et 25% de la 30 masse des gaz. Les gaz brûlés résiduels permettent 2910054 7 d'éviter le phénomène de cliquetis, c'est-à-dire d'auto-allumage du mélange, malgré le rapport volumétrique élevé. Le taux est cependant limité pour garantir la propagation de la flamme. 5 Egalement à titre indicatif, on commande la richesse pour quelle soit supérieure à 0,56 au point d'étincelle. Si le mélange est trop pauvre, les conditions d'emballement de la combustion ne sont pas atteintes. 10 La maîtrise des conditions de fonctionnement du moteur devrait conduire à ce que la température des gaz dans la chambre de combustion en fin de compression soit comprise entre 900 et 1050 K, de préférence entre 950 et 1000 K. On constate que 15 l'emballement de la combustion se produira lorsque ces conditions de température sont atteintes. L'invention sera mieux comprise et d'autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, la description 20 faisant référence aux dessins annexés parmi lesquels : - la figure 1 est une vue en coupe selon un plan radial du cylindre d'un moteur conforme à l'invention. 25 - la figure 2 est une vue de la culasse selon la flèche II de la figure 1 ; - la figure 3 est un diagramme du cycle d'ouverture et de fermeture des soupapes du moteur de la figure 1 ; 30 la figure 4 est un diagramme temporel de la 2910054 8 pression dans la chambre de combustion du moteur de la figure 1 ; - la figure 5 est un diagramme temporel de l'évolution de la vitesse de combustion. 5 Un moteur 1 à combustion interne conforme à l'invention est représenté partiellement sur les figures 1 et 2. Il comporte de manière classique un bloc moteur 10 dans lequel est réalisé un cylindre 11 d'axe B et une culasse 12 fixée sur le bloc-moteur 10 10 et fermant le cylindre 11. Un piston 13 est monté coulissant dans le cylindre 11 et est relié à un vilebrequin, non représenté, par une bielle 14. Une chambre de combustion 15 est délimitée entre une paroi de culasse 120, fermant le cylindre 11, et une 15 paroi de piston 130 portée par le piston 13. Le rapport volumétrique est de 16. La paroi de culasse 120 comporte un orifice d'admission 121 au débouché d'un conduit d'admission 122 traversant la culasse 12. La culasse 12 comporte 20 une soupape d'admission 125 ouvrant et fermant l'orifice d'admission 121 sur commande. Le conduit d'admission 122 est prévu pour amener des gaz frais dans le cylindre 11, composés d'air et de carburant tel que de l'essence. 25 La paroi de culasse 120 comporte en outre un orifice d'échappement 123 au débouché d'un conduit d'échappement 124 traversant la culasse 12. La culasse 12 comporte une soupape d'échappement 126 ouvrant et fermant l'orifice d'échappement 123 sur 30 commande. Le conduit d'échappement 124 est prévu pour évacuer du cylindre 11 des gaz brûlés issus de la 2910054 combustion des gaz frais. La paroi de culasse 120 a une forme concave de portion de sphère, avec un rayon de 25 mm pour un diamètre de cylindre 11 de 30 mm. Par ailleurs, la 5 paroi de piston 130 a une forme également concave d'une profondeur de 6 mm. La forme de la chambre de combustion 15 est ainsi proche de celle d'un ellipsoïde ayant une grande section circulaire parallèle au plan de jonction de la culasse sur le 10 bloc moteur, et une épaisseur de l'ordre de 11 mm, lorsque le piston 13 est au plus proche de la culasse 12, c'est-à-dire au point mort haut. Deux bougies 2, dont une seule est représentée sur la figure 1, font saillie dans la chambre de 15 combustion 15. Chaque bougie comporte de manière classique une électrode centrale 20 et une électrode de masse 21 entre lesquelles une étincelle est générée sur commande afin d'enflammer les gaz frais. L'entrefer 22, espace où est générée l'étincelle, est 20 disposé sensiblement à mi-distance entre la paroi de culasse 120 et la paroi de piston 130. Le moteur 1 comporte un dispositif appelé distribution qui commande l'ouverture et la fermeture des soupapes. Cette distribution n'est pas 25 représentée. Elle est d'un type variable, connu de manière classique, c'est-à-dire que les positions angulaires du vilebrequin pour lesquelles l'ouverture ou la fermeture des soupapes 125, 126 se produit peuvent évoluer sur commande en fonction du point de 30 fonctionnement du moteur. A titre d'exemple, on a représenté sur la figure 3 le cycle d'ouverture et de fermeture adapté à ce moteur. Un segment radial 9 2910054 10 représente la position angulaire du vilebrequin, se déplaçant dans le sens trigonométrique au cours du temps. Le segment OE représente la position dans laquelle se produit l'ouverture de la soupape 5 d'échappement 126, en fin de phase de détente. Dans cette position, le piston 13 n'a pas encore atteint la position du point mort bas. La soupape d'échappement 126 reste ouverte pendant la phase d'échappement, jusqu'au segment FE, avant le passage 10 du point mort haut PMH, comme le représente la flèche E. Ultérieurement, l'ouverture de la soupape d'admission 125 se produit en OA, et se poursuit jusqu'au segment FA, un peu après le passage suivant au point mort bas PMB, comme représenté par la flèche 15 A. Le cycle se poursuit ensuite par la phase de compression puis par phase de détente, non représentées sur la figure 3. Le cycle qui vient d'être exposé permet d'obtenir un taux de gaz brûlés résiduels variant de 20 10 à 25% en fonction de la position effective des segments OE, FE, OA et FA. Le mélange d'air et de carburant est préparé en amont de l'orifice d'admission 121 par des moyens classiques, non détaillés ni représentés ici. La 25 richesse du mélange est contrôlée pour maîtriser les conditions de développement de la combustion. La richesse représente le rapport entre le taux de carburant dans l'air pour le mélange introduit et le même taux pour un mélange dans des conditions 30 stoechiométriques. Le moteur 1 selon l'invention fonctionne de manière classique, comme un moteur à allumage 2910054 11 commandé. A titre d'exemple, on décrit un point de fonctionnement du moteur décrit ci-dessus. Le vilebrequin tourne à 1800 tours par minute, à pleine charge. La richesse est contrôlée à 0,7. Le 5 remplissage est de 70% et le taux de gaz brûlés résiduels est de 20%. Dans ces conditions de fonctionnement, la pression P dans la chambre de combustion 15 évolue comme représenté par exemple sur le diagramme de la 10 figure 4. Sur ce diagramme, on a représenté en abscisse la position angulaire du vilebrequin, la position 0 correspondant au point mort haut en fin de phase de compression. Sur la courbe 3 on constate que la pression P augmente d'abord progressivement 15 par la compression des gaz contenus dans la chambre, jusqu'à un niveau de l'ordre de 32 bar. A ce moment, la température des gaz est comprise entre 950 et 1000K. L'allumage est provoqué par une étincelle au niveau de la bougie lorsque le piston 13 est à 20 proximité du point mort haut. On constate alors une augmentation rapide de la pression P jusqu'à un niveau de 76 bars, puis une diminution progressive pendant la phase de détente, au-delà de 10 . La vitesse maximale d'augmentation de la pression est de 25 l'ordre de 4,5 à 5 bars par degré de rotation de vilebrequin. La figure 5 montre en complément un taux de combustion, représentant le taux C de carburant brûlé pendant la rotation d'un degré du vilebrequin, en 30 rapport avec la masse initiale de carburant. On constate que ce taux C atteint et dépasse 20% par degré, mais est inférieur à 30% par degré. 2910054 12 On mesure que ce moteur a un rendement de l'ordre de 44%. Le mode de réalisation décrit précédemment est donné uniquement à titre d'exemple, et les valeurs 5 numériques citées sont à considérer comme des exemples non limitatifs. Des variations autour des valeurs indiquées permettent de conserver le mode de fonctionnement souhaité. REVENDICATIONS 1. Moteur à combustion interne à allumage commandé comportant au moins un cylindre (11), une chambre de combustion (15) délimitée par le cylindre (11) et un piston (13) monté coulissant dans le cylindre (11), et des moyens de contrôle d'un taux de gaz brûlés résiduels dans le cylindre (11), au moins une bougie (2) d'allumage faisant saillie dans la chambre de combustion (15), caractérisé en ce que la forme de la chambre de combustion (15) est proche d'un ellipsoïde de révolution lorsque le piston (13) est au point mort haut, le moteur comportant des moyens de commande pour contrôler le taux de gaz brûlés et la richesse, et la position de la bougie (2) d'allumage et le rapport volumétrique étant déterminés de telle sorte que la combustion s'emballe après son déclenchement. 2. Moteur selon la revendication 1, dans lequel la bougie (2) est apte à créer une étincelle en un point (22) sensiblement à mi-distance entre une paroi de culasse (120) et une paroi de piston (130) délimitant la chambre de combustion (15) selon l'axe (B) de coulissement du piston (13). 3. Moteur selon la revendication 2, dans lequel le lieu de l'étincelle (22) est distant d'au moins 4 mm des parois. 4. Moteur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte deux bougies (2) d'allumage faisant saillie dans la chambre de 2910054 combustion (15). 5. Moteur selon la revendication 1, dans lequel le rapport volumétrique est supérieur à 12, et de préférence compris entre 13 et 16. 5 6. Moteur selon la revendication 1, dans lequel les moyens de contrôle du taux de gaz résiduels sont une distribution variable. 7. Procédé de commande d'un moteur à combustion interne à allumage commandé selon l'une 10 des revendications 1 à 6, selon lequel on introduit un mélange d'air, de carburant et de gaz brûlés résiduels dans la chambre de combustion (15), avec un taux de gaz brûlés et une richesse prédéterminés, caractérisé en ce que le taux de gaz brûlés et la 15 richesse sont contrôlés de telle sorte que le taux (C) de combustion maximal est compris entre 20 et 30% par degré de vilebrequin. 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'on commande le taux de gaz 20 brûlés résiduels pour que ledit taux soit inférieur à 50%, et de préférence compris entre 10 et 25% de la masse des gaz. 9. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'on commande la richesse pour 25 quelle soit supérieure à 0,56 au point (22) d'étincelle. 10. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que la température des gaz dans la chambre de combustion (15) en fin de compression est comprise entre 900 et 1050 K, de préférence entre 950 14 15 2910054 et 1000 K.