Brevet FR2900203A1 — publié le 20071026

"Dispositif de répartition des gaz d'entrée dans un système d'alimentation en air d'un moteur à combustion interne" [0001] La présente invention concerne un dispositif de répartition des gaz d'entrée dans un système d'alimentation en air d'un moteur à combustion interne ayant un ou plusieurs cylindres, avec re-circulation des gaz d'échappement. [0002] La présente invention s'applique aussi bien à des moteurs à allumage par compression qu'à des moteurs à allumage commandé. [0003] En ce qui concerne le fonctionnement des moteurs à allumage par compression, également appelés moteurs Diesel, la re-circulation des gaz d'échappement permet de diminuer les rejets de gaz polluants dont principalement les oxydes d'azote, gaz dont les seuils d'émission sont normalisés. [0004] La re-circulation des gaz d'échappement, c'est-à-dire la réintroduction d'une partie des gaz d'échappement, ensemble avec de l'air frais permet de diminuer les émissions de gaz polluants. L'octroi de normes d'émission de plus en plus sévères rend l'utilisation du procédé de re-circulation des gaz d'échappement systématique en motorisation de type Diesel. Il est courant de voir les taux de re-circulation de l'ordre de 50%, ce qui signifie que la moitié des gaz aspirés par un cylindre d'un moteur à combustion interne sont des gaz d'échappement re-circulés. [0005] Un moteur à combustion interne, ou moteur thermique, ayant un ou plusieurs cylindres comprend pour chaque cylindre une culasse, formant couvercle au-dessus de celui-ci, au moins une soupape d'admission de l'air frais et au moins une soupape d'échappement montée dans la culasse. L'air frais est amené aux soupapes par l'intermédiaire d'un volume appelé Plenum ou répartiteur. Ce dernier est généralement en communication avec l'échappement par l'intermédiaire d'une soupape ou d'une vanne. On parle alors d'un circuit EGR (du terme anglais exhaust gaz recirculation ). Alors que l'emploi d'EGR n'est pas encore systématique en motorisation de type allumage commandé, et que les taux de re-circulation ne sont généralement pas au niveau élevé des motorisations Diesel, son emploi est sérieusement envisagé à grande échelle à terme, particulièrement pour les modes de combustion fondés sur l'allumage spontané et non plus commandé, de la charge. Les bénéfices attendus de l'emploi d'EGR sont principalement associés à une réduction de la consommation de carburant qu'autorise une combustion en mélange pauvre. [0006] La technique de re-circulation de gaz d'échappement est ainsi communément admise et apparaît généralement satisfaisante. Toutefois, des études plus approfondies du fonctionnement d'un moteur à combustion interne sur régime air+gaz d'échappement re-circulés montrent que la combustion est très sensible aux hétérogénéités de ce mélange et à l'évolution de la proportion d'EGR dans la masse de gaz admise dans le cylindre. [0007] Pour améliorer l'homogénéité des mélanges air+gaz d'échappement, des systèmes de plus en plus complexes sont développés. Dans certains systèmes, comme par exemple dans celui utilisé pour le moteur Diesel décrit dans le document US-A-6301888, l'admission des gaz re-circulés dans l'air frais est effectué au plus près des soupapes d'admission du moteur, afin d'améliorer la réactivité du système. [0008] Cependant, les systèmes d'alimentation en air avec re-circulation de gaz 15 d'échappement présentent certains inconvénients liés aux conditions nécessaires à l'alimentation en gaz d'échappement re-circulé du moteur. [0009] Si l'air est admis avec une pression P dans le moteur, et que les gaz d'échappement sont rejetés à une pression P', le débit des gaz d'échappement recirculés ne sera instauré de l'échappement vers l'admission que si P' est supérieur à P. 2 0 On peut bien sûr jouer sur l'acoustique des gaz, mais elle ne permet d'installer un flux de gaz d'échappement re-circulés à fort débit. Dès lors, l'augmentation du niveau des gaz d'échappement re-circulés n'est possible qu'avec l'augmentation du différentiel de pression (P'-P). [0010] Or, la différence (P'-P) influence la consommation de carburant en entrant 25 dans le calcul du travail de la boucle basse pression du cycle du moteur, et donc dans son rendement. [0011] Le but de l'invention est de proposer des moyens plus simples que ceux utilisés à ce jour pour l'alimentation en air d'un moteur à combustion interne avec recirculation des gaz d'échappement. [0012] Le but de l'invention est atteint avec un dispositif de répartition des gaz d'entrée dans un système d'alimentation en air d'un moteur à combustion interne ayant un ou plusieurs cylindres, le système comprenant une tubulure d'admission d'air frais et une tubulure d'admission de gaz d'échappement re-circulés, et le moteur à combustion interne comprenant pour chaque cylindre une culasse formant couvercle au-dessus de celui-ci, au moins une soupape d'admission de gaz d'entrée et au moins une soupape d'échappement montées dans la culasse, et, en cas d'un moteur à plusieurs cylindres, un répartiteur reliant au moins la tubulure d' admission d'air frais aux cylindres. Selon l'invention, la tubulure d'admission d'air frais et la tubulure d'admission de gaz d'échappement re-circulés sont reliées au cylindre unique ou à chacun des cylindres indépendamment l'une de l'autre, chacune par une soupape d'admission réservée à elle. [0013] [0014] L'invention permet plus particulièrement d'augmenter le taux de re-circulation des gaz d'échappement et donc de diminuer les émissions polluantes. Une telle augmentation peut être réalisée sans induire une forte surconsommation de carburant liée la différence (P'-P), généralement nécessaire pour instaurer ce débit. De même, l'invention permet d'améliorer le fonctionnement et les performances d'un moteur à combustion interne, à allumage par compression ou à allumage commandé, lorsqu'il admet avec un mélange air+gaz d'échappement re-circulés. L'invention permet enfin d'améliorer le comportement en transitoire du moteur lors d'un passage d'un point de fonctionnement avec gaz d'échappement re-circulés vers un point de fonctionnement sans gaz d'échappement re-circulés, et plus généralement lors de fortes variations du différentiel de pression (P'-P). [0015] Le dispositif de l'invention est conformé pour fonctionner essentiellement suivant le principe que le débit d'air frais est établi uniquement via la pression P et que le débit de gaz d'échappement re-circulés est établi uniquement via la pression P'. [0016] Cette disposition permet de fonctionner avec des gaz d'échappement recirculés alors que les pressions P' et P sont égales, ce qui est intéressant d'un point de vue consommation de carburant, car cela minimise le travail de la boucle basse pression du cycle moteur. De plus, cette disposition permet d'augmenter le taux de gaz d'échappement re-circulés dans le cylindre, puisque le débit de gaz d'échappement re-circulés n'est plus instauré par le différentiel de pression (P'-P), mais uniquement par la pression P'. [0017] Le dispositif de l'invention améliore par ailleurs l'homogénéité du dosage des gaz d'entrée cylindre par cylindre sans devoir recourir à des outils complexes d'homogénéisation des deux flux de gaz, respectivement l'air frais et les gaz d'échappement re-circulés. [0018] En outre, le dispositif de l'invention assure une distribution des gaz d'échappement re-circulés dédiée à chacun des cylindres du moteur à combustion interne. Les soupapes d'échappement des gaz aboutissent directement, abstraction faite de l'éventuel répartiteur, aux soupapes d'admission des gaz re-circulés. [0019] C'est pour cela que la présente invention propose d'utiliser, dans un moteur à plusieurs cylindres, un répartiteur d'admission pour chaque flux. En même temps, cette conception de l'invention permet pour les aspects transitoires, d'utiliser une stratégie de pilotage d'une valve papillon disposée à l'entrée du répartiteur des gaz d'échappement re-circulés. [0020] L'un des deux répartiteurs est en communication avec l'échappement via un circuit de gaz d'échappement re-circulés classique : vanne ou soupape avec ou sans échangeur eau/gaz. [0021] Le débit des gaz d'échappement re-circulés dans les cylindres se fait donc directement aux conditions suivantes (P'-Pcyl)-dP où • P' est la pression moyenne dans le collecteur échappement, • Pcyl, la pression dans le cylindre et • dP la perte de charge dans le circuit de gaz d'échappement re-circulés, réglable par la vanne ou soupape citée auparavant. [0022] Par ce dispositif, le remplissage en gaz d'échappement re-circulés n'est donc pas dépendant de la différence de pression établie aux bornes des cylindres (P'-P), mais de (P'-Pcyl). [0023] Au moyen d'un papillon, que l'on essayera de conserver fermé sur la majorité de la plage d'utilisation des gaz d'échappement re-circulés, ce répartiteur peut aussi être en communication avec l'air frais. De cette manière, lorsque l'on ne voudra pas fonctionner avec des gaz d'échappement re-circulés, ce répartiteur pourra servir pour amener de l'air aux soupapes d'admission qui lui sont dédiées. [0024] Dans une variante de l'invention, le papillon pourra être piloté lors du changement de mode du moteur : air+gaz d'échappement re-circulés vers uniquement air. [0025] L'autre répartiteur est, quant à lui, relié à la ligne d'admission d'air frais. Il est possible d'y adjoindre un papillon, préférentiellement placé en amont des deux répartiteurs. Il servira alors d'étouffoir au moteur lors des phases d'arrêt, ou de régulateur de pression P du flux d'air frais. [0026] Par ce dispositif de répartiteur scindé, le remplissage en air n'est donc pas perturbé par le débit de gaz d'échappement re-circulés et est réalisé aux conditions (P- Pcyl). [0027] Avec ce dispositif répartiteur scindé en deux, les gaz d'échappement recirculés arrivent directement aux soupapes par l'intermédiaire de son répartiteur dédié, garantissant une bonne distribution air et gaz d'échappement re-circulés cylindre à cylindre, sans avoir recours à un complexe dispositif d'homogénéisation. Les deux 2 0 fonctions de mélange et d'homogénéisation des flux air et gaz d'échappement re-circulés sont assurés par le cylindre lui-même. [0028] Le répartiteur dédié au gaz d'échappement re-circulés aura un volume adéquat permettant de supporter sur toute la plage d'utilisation du moteur sa demande en débit de gaz d'échappement re-circulés : typiquement un volume du type aC/N où 25 • C est la cylindrée totale du moteur, • N est le nombre de cylindres, et • a est choisi entre 0,3 et 3, préférentiellement autour de 1,5. La sensibilité lié au volume restant au niveau des conduits primaires : entre les soupapes et le répartiteur. [0029] Le second répartiteur aura sensiblement le même volume et sera dédié à l'approvisionnement du ou des cylindres en air frais. [0030] Comme stipulé plus haut, une variante de l'invention permettra, à l'aide du papillon en amont du répartiteur des gaz d'échappement re-circulés (référencé 6 sur les dessins), de fonctionner en l'ouvrant quelque peu. Ceci particulièrement dans les cas où les besoins en air des cylindres seront tels que le flux ne pourra pas passer par le seul répartiteur dédié à l'air, typiquement pour les cas de pleine charge ou de très fortes charges partielles, ou encore de hauts régimes. [0031] Dans une autre variante de l'invention, le papillon pourra être piloté lors du changement de mode d'admission du moteur (air+gaz d'échappement re-circulés vers uniquement air), afin de gagner en dynamique, le gain étant d'autant plus important que le taux de gaz re-circulés est important. [0032] Lors du passage air+gaz d'échappement re-circulés vers air seul, le papillon restera fermé le temps que le répartiteur d'air soit proche de ses conditions limites de fonctionnement, c'est-à-dire jusqu'à sa saturation en débit volumique. Après quoi, le répartiteur initialement dédié au gaz d'échappement re-circulés pourra être ouvert à l'air frais. Ceci permet de gagner en réactivité sur la boucle d'air en minimisant l'effet vidange gaz d'échappement re-circulés du répartiteur dédié. [0033] Suivant la dynamique du papillon gaz d'échappement re-circulés, il sera nécessaire d'anticiper la saturation. Dans ce cas, le test dQ/dt > 0 sera remplacé par dQ/dt > n, n étant une valeur consigne calibrée comme représentative du besoin en agrément. [0034] Enfin, avantageusement, le système ainsi décrit pourra être associé à un système de distribution variable soupape par soupape permettant de contrôler au mieux les débits d'air et de gaz d'échappement re-circulés et ainsi le taux de gaz d'échappement re-circulés dans le cylindre. [0035] Dans les dessins annexés, les principales caractéristiques de la présente invention seront représentées de la manière suivante : [0036] la figure 1 représente schématiquement un dispositif de l'invention en position 3 0 de fonctionnement avec des gaz d'échappement re-circulés, [0037] la figure 2 montre le dispositif de la figure 1 en fonctionnement à air frais seul, [0038] la figure 3 est un exemple de réalisation d'un dispositif de l'invention et, [0039] la figure 4 montre un diagramme de la logique de pilotage d'une valve papillon EGR. [0040] Le dispositif de répartition du gaz d'entrée selon l'invention est représenté sur les figures 1 et 2 pour un moteur à deux cylindres Cl et C2. Le système comprend une tubulure d'admission d'air frais 1, une tubulure d'admission de gaz d'échappement recirculé 2 et un collecteur de gaz d'échappement 11 à partir duquel est dérivée la tubulure d'admission de gaz d'échappement re-circulés. Le moteur comprend par ailleurs pour chaque cylindre une culasse formant couvercle au-dessus de celui-ci, deux soupapes d'admission de gaz d'entrée 3, 4 et une soupape d'échappement 5 montées dans la culasse. La tubulure d'admission d'air frais 1 est reliée aux cylindres Cl, C2 moyennant un répartiteur 7 et, de manière analogue, la tubulure d'admission de gaz d'échappement re-circulé 2 est reliée aux cylindres Cl, C2 moyennant un répartiteur 8. [0041] Conformément à l'invention, la tubulure d'admission d'air frais 1 est reliée aux cylindres Cl, C2, outre par le répartiteur 7 avec ses deux branches 7A, 7B, par des soupapes d'admission dédiée 3. De manière analogue, la tubulure d'admission de gaz d'échappement re-circulé 2 est reliée aux cylindres Cl, C2, outre par le répartiteur 8 avec ses deux branches 8A, 8B, par des soupapes dédiées 4. Ainsi, chacune des deux branches des deux répartiteurs 7 et 8 est reliée au cylindre correspondant Cl ou C2 respectivement par les premières soupapes d'admission 3 ou par des secondes soupapes d'admission 4. [0042] Avantageusement, comme représenté sur les figures 1 et 2, la tubulure d'admission de gaz d'échappement re-circulé 2 comporte une première valve papillon 6 destinée à commander un passage entre la tubulure d'admission d'air frais 1 et la tubulure de gaz d'échappement re-circulé 2. La première valve papillon 6 est commandée, par exemple, par l'ordinateur de bord ou sa partie conformée pour commander les différentes fonctions de régulation nécessaires au bon fonctionnement 3 0 du moteur. [0043] Comme le montrent bien les figures 1 et 2, le système de l'invention peut être équipé d'une seconde valve papillon 9 disposée dans la tubulure d'admission d'air frais 1 en amont de la première valve papillon 6 de la tubulure d'admission de la tubulure de gaz d'échappement re-circulé 2. La seconde valve papillon 9 est destinée à être actionnée, par exemple, lors des phases d'arrêt du moteur. [0044] Le flux de la partie de gaz d'échappement qui est re-circulée est influencé par une valve EGR 10. [0045] Lorsque le moteur fonctionne normalement avec re-circulation des gaz d'échappement, la valve EGR 10 est ouverte suivant le pourcentage de gaz d'échappement dans le mélange gaz d'échappement / air frais à atteindre dans les cylindres. [0046] Lorsque le moteur doit être alimenté uniquement en air frais, la soupape EGR 10 est fermée et la première valve papillon 6 est entièrement ouverte de manière que l'air frais, après avoir passé la seconde valve paillon 9, puisse être reparti sur le répartiteur d'admission d'air frais 7 et le répartiteur d'admission de gaz re-circulés 8. [0047] La figure 3 montre de manière très schématisée un ensemble d'admission pour un moteur à quatre cylindres. On y voit plus particulièrement le répartiteur d'admission d'air frais 7 et le répartiteur d'admission de gaz d'échappement recirculés 8 avec les branches référencées respectivement 7A, 7B, 7C, 7D pour le répartiteur d'air frais et les branches référencées 8A, 8B, 8C, 8D pour le répartiteur d'admission de gaz d'échappement 8. [0048] La figure 4 montre un diagramme de la logique de pilotage d'une valve papillon EGR dans le cas d'un fonctionnement transitoire de la zone air + gaz d'échappement re-circulés vers la zone air seul Ce diagramme inclus le test test dQ/dt > 0 qui, comme expliqué plus haut, peut être remplacé par le test dQ/dt > n, où n est une valeur consigne calibrée comme représentative du besoin en agrément. REVENDICATIONS 1. Dispositif de répartition des gaz d'entrée dans un système d'alimentation en air d'un moteur à combustion interne ayant un ou plusieurs cylindres (Cl, C2), le système comprenant une tubulure d'admission d'air frais (1) et une tubulure d'admission de gaz d'échappement re-circulés (2), et le moteur à combustion interne comprenant pour chaque cylindre une culasse formant couvercle au-dessus de celui-ci, au moins une soupape d'admission de gaz d'entrée (3, 4) et au moins une soupape d'échappement (5) montées dans la culasse, et, en cas d'un moteur à plusieurs cylindres, un répartiteur (7) reliant au moins la tubulure d'admission d'air frais (1) aux cylindres, caractérisé en ce que la tubulure d'admission d'air frais (1) et la tubulure d'admission de gaz d'échappement re-circulés (2) sont reliées au cylindre unique ou à chacun des cylindres indépendamment l'une de l'autre, chacune (1, 2) par une soupape d'admission (3, 4) réservée à elle (1, 2). 2. Dispositif selon la revendication 1 adapté à un moteur à combustion interne ayant au moins deux cylindres, caractérisé en ce qu'il comprend deux répartiteurs (7, 8) dont l'un (7) relie la tubulure d'admission d'air frais (1) aux cylindres par des premières soupapes d'admission (3) et dont l'autre (8) relie la tubulure d'admission de gaz d'échappement recirculés (2) aux cylindres par des secondes soupapes d'admission (4). 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la tubulure d'admission de gaz d'échappement re-circulés (2) comporte une première valve papillon (6) destinée à commander un passage entre la tubulure d'admission d'air frais (1) et la tubulure d'admission de gaz d'échappement re-circulés (2). 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que la tubulure d'admission d'air frais (1) comporte une seconde valve papillon (9) disposée en amont de la première valve papillon (6) de la tubulure d'admission de gaz d'échappement recirculés (2). 5. Dispositif selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de commande permettant de piloter la première valve papillon (6) demanière à ouvrir cette valve (6) entièrement lors d'un changement de mode de fonctionnement du moteur d'alimentation mixte air frais plus gaz d'échappement recirculés à uniquement air frais. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que les deux répartiteurs (7, 8) ont au moins approximativement le même volume. 7. Dispositif selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de commande permettant de piloter la première valve papillon (6) de manière à ouvrir cette valve (6) quelque peu lorsque le moteur est sollicité en pleine charge, en forte charge partielle ou à haut régime. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comprend un système de distribution variable soupape par soupape, permettant de contrôler cylindre par cylindre les débits respectifs d'air frais et de gaz d'échappement re-circulés. 9. Véhicule automobile, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8.