Brevet FR2912778A3 — publié le 20080822

FR 2912778 A3 20080822 FR 0701238 A 20070221 MOTEUR A COMBUSTION COMPRENANT UN INJECTEUR D'ECHAPPEMENT La présente invention concerne, de façon générale, le domaine des moteurs à combustion interne dotés d'au moins un piston de combustion coulissant dans une chambre de combustion, ce piston étant relié à un vilebrequin du moteur par une bielle afin d'entrainer le vilebrequin à rotation et ce moteur disposant d'un injecteur de carburant dans une tubulure l'échappement de gaz brûlés. Plus particulièrement, l'invention concerne un moteur à combustion interne, comprenant au moins une chambre de combustion, au moins un piston de combustion coulissant à l'intérieur de ladite chambre de combustion, au moins un injecteur de combustion débouchant vers l'intérieur de la chambre de combustion, un arbre tournant calé en rotation par rapport audit au moins un piston de combustion, un conduit d'échappement de gaz brûlés lié à ladite au moins une chambre de combustion, un injecteur de carburant dit d'échappement débouchant à l'intérieur dudit conduit d'échappement de gaz brûlés pour y injecter du carburant, une pompe principale d'alimentation en carburant dudit au moins un injecteur de combustion. Afin de réduire les taux d'émissions de particules par les moteurs à combustion interne, il est fréquent de disposer des filtres à particules sur les conduites d'échappement de ces moteurs. De tels filtres à particules s'encrassent avec le temps et il est donc nécessaire de les régénérer, c'est-à-dire de détruire les particules portées par le filtre par une combustion. Pour réaliser cette combustion de particules il est connu d'utiliser des injecteurs de carburant débouchant à l'intérieur du conduit d'échappement pour y injecter du carburant devant par combustion élever la température du filtre par combustion. C'est la raison pour laquelle de nombreux fabricants de moteurs à combustion interne ont développé diverses solutions visant à maîtriser l'injection du carburant dans le conduit d'échappement. Un moteur du type précédemment défini, permettant une telle injection, est par exemple décrit dans le document brevet EP1314364 Al. Un inconvénient de ce type de moteur est que lors de l'injection de carburant dans le conduit d'échappement il y a une perturbation de l'injection dans la ou les chambres de combustion du moteur. Dans ce contexte, la présente invention a notamment pour but de proposer un moteur à combustion permettant une réduction voir la suppression des perturbations de l'injection de carburant dans la ou les chambres de combustion par l'injection de carburant dans le conduit d'échappement. A cette fin, le moteur à explosion de l'invention, par ailleurs conforme à la définition générique qu'en donne le préambule défini précédemment, est essentiellement caractérisé en ce qu'il comporte en outre une pompe secondaire d'alimentation en carburant dotée : - d'une chambre de circulation de carburant de volume variable, et - d'un moyen de variation du volume de la chambre de circulation de carburant, ce moyen de variation étant mobile entre une position de compression dans laquelle la chambre de circulation de carburant présente un volume réduit et une position de décompression dans laquelle la chambre de circulation de carburant présente un volume plus important que ledit volume réduit, le moyen de variation étant relié mécaniquement audit arbre tournant de manière à être entraîné en déplacement par cet arbre entre ses positions de compression et de décompression. L'arbre tournant calé en rotation par rapport au piston de combustion est en l'occurrence un arbre à came ou un vilebrequin ou tout autre arbre indexé à rotation par rapport à ce vilebrequin et donc par rapport aux pistons. L'utilisation d'une pompe secondaire pour l'injection de carburant dans le conduit d'échappement en plus de la pompe principale permet d'éviter les baisses de pression et de débit de carburant transitant par l'injecteur de combustion lorsque dans le même temps on injecte du carburant à l'aide de l'injecteur d'échappement. En outre l'utilisation d'un moyen de variation du volume de la chambre de circulation de carburant de la pompe secondaire, qui est relié mécaniquement audit arbre tournant pour être entraîné en déplacement par cet arbre, permet de synchroniser la pompe secondaire avec l'arbre tournant et donc avec les cycles de combustion du moteur. Par cette par synchronisation, l'injection de carburant dans le conduit d'échappement peut être calée par rapport aux injections de carburant dans la chambre de combustion de manière à ce que l'impact de l'injection de carburant à l'échappement soit le moins préjudiciable à la qualité de l'injection de carburant dans la chambre de combustion. On peut également faire en sorte que le moyen de variation de volume de la chambre de circulation de carburant soit un piston de pompe coulissant de manière étanche à l'intérieur d'un cylindre creux de la pompe secondaire, ce piston de pompe définissant à l'intérieur du cylindre creux le volume de la chambre de circulation de carburant. Dans ce mode de réalisation on peut générer un flux de carburant hautement pressurisé en direction de l'injecteur d'échappement (pression de 10*105 à 50*105 Pascals) et on peut également avoir une valeur de flux de carburant précise et régulée en fonction du régime moteur. La quantité de carburant à l'échappement est donc régulée mécaniquement en fonction du régime moteur. On peut également faire en sorte que l'arbre tournant porte une came excentrique par rapport à l'arbre tournant, cette came étant en appui contre ledit piston de pompe afin de l'entrainer en translation à l'intérieur dudit cylindre creux entre ses positions de compression et de décompression. L'avantage d'une came est que l'on peut maîtriser précisément de volume de la chambre de circulation de carburant en fonction de la position angulaire de l'arbre tournant et l'on peut ainsi maîtriser précisément le volume maximum de carburant pouvant être injecté à l'échappement par cette pompe secondaire. Le moyen de variation est relié mécaniquement audit arbre tournant (en l'occurrence l'arbre tournant est un arbre à cames) de manière à ce que lorsque l'arbre se trouve dans une première position angulaire donnée ledit moyen de variation se trouve alors dans sa position de décompression et que lorsque ledit arbre se trouve dans une seconde position angulaire donnée, différente de la première position angulaire, ledit moyen de variation se trouve alors dans sa position de compression. On peut également faire en sorte que le moteur de 5 l'invention comporte : - un réservoir de carburant et un circuit de retour de carburant adapté pour transférer du carburant provenant dudit injecteur de combustion vers ledit réservoir de carburant, 10 - un circuit de liaison adapté pour relier ladite chambre de circulation de carburant audit circuit de retour de carburant et ainsi transférer du carburant du circuit de retour de carburant vers la chambre de circulation de carburant de la pompe secondaire. 15 Le fait que le carburant alimentant la pompe secondaire provienne du circuit de retour de carburant présente les avantages suivants : - le carburant est déjà partiellement pressurisé par la pompe principale et la quantité d'énergie de 20 pressurisation nécessaire au fonctionnement de la pompe secondaire pour atteindre une pression de service donnée est donc inférieure à ce qu'elle serait si le carburant à pressuriser était à pression ambiante ; - le carburant qui a transité par le circuit de 25 retour est chauffé lors de ce transite et a donc une fluidité importante ce qui facilite son injection à l'échappement, sa pulvérisation et finalement sa combustion. On peut également faire en sorte que ledit circuit 30 de liaison comporte une vanne de contrôle du passage de carburant du circuit de retour de carburant vers la chambre de circulation de carburant. Ce mode de réalisation permet de coupler ou découpler la pompe secondaire de son alimentation en carburant de manière à sélectionner les moments durant lesquels la pompe secondaire est autorisée à injecter du carburant dans le conduit d'échappement. On peut également faire en sorte que le moteur de l'invention comporte un moyen élastique de rappel adapté pour exercer une force élastique de rappel dudit piston de pompe secondaire en direction de ladite came de manière à presser ce piston contre cette came. On peut également faire en sorte que ce moyen élastique de rappel soit un ressort hélicoïdal s'étendant préférentiellement le long de la périphérie extérieure du piston de pompe secondaire. On peut également faire en sorte que le moteur de l'invention comporte un filtre à particules disposé sur le conduit d'échappement de gaz brûlés, en aval dudit injecteur d'échappement par rapport au sens d'écoulement des gaz brulés dans ce conduit d'échappement. On peut également faire en sorte que le moteur de l'invention comporte . - un premier clapet antiretour disposé pour autoriser la circulation de carburant du circuit de retour de carburant vers la chambre de circulation de carburant et pour interdire la circulation de carburant de la chambre de circulation de carburant vers le circuit de retour de carburant et ; un second clapet antiretour disposé pour 30 autoriser la circulation de carburant de la chambre de circulation de carburant vers ledit injecteur d'échappement et pour interdire la circulation de carburant de l'injecteur d'échappement vers la chambre de circulation de carburant. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront clairement de la description qui 5 en est faite ci-après, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux dessins annexés, dans lesquels: la figure 1 représente un moteur de l'art antérieur doté de quatre injecteurs de combustion et d'un 10 injecteur d'échappement tous alimentés par une même pompe principale ; la figure 2 représente un moteur selon l'invention doté d'un injecteur d'échappement alimenté par une pompe secondaire couplée avec et entraînée par l'arbre à cames 15 du moteur ; la figure 3 représente une vue de la pompe secondaire alimentant l'injecteur d'échappement, cette pompe étant entraînée par l'arbre à cames du moteur par l'intermédiaire d'une came spécifique de la pompe. 20 La figure 1 présente un moteur à combustion interne 1 de l'art antérieur doté de quatre chambres de combustion 2 dans chacune desquelles coulisse un piston 3. Le piston 3 est relié par des bielles à un vilebrequin (non représentés) et ce vilebrequin est lui-même relié à 25 un arbre tournant qui est en l'occurrence un arbre à cames 5 entraîné par le vilebrequin. Le moteur 1 comporte quatre injecteurs de carburant appelés injecteurs de combustion 4 chacun orienté vers l'intérieur d'une des quatre chambre de combustion pour y 30 injecter du carburant. Le moteur comporte en outre une conduite d'admission d'air 24 débouchant dans chacune des chambres de combustion 2 pour y apporter du comburant. Un conduit d'échappement de gaz brûlés 6 est lui-5 même relié aux chambres de combustion 2 pour en évacuer les gaz brûlés. Le moteur 1 comprend en outre un turbocompresseur dont la turbine est placée sur le conduit d'échappement 6 en amont d'un catalyseur 26 et d'un filtre à particules 10 19. Le moteur 1 comporte en outre un réservoir de carburant 14 dans lequel plonge une conduite d'arrivée de carburant 25 et une conduite d'un circuit de retour de carburant 15. 15 Une pompe principale 8 est placée sur la conduite d'arrivée de carburant 25 pour pomper ce carburant dans le réservoir 14 et pour alimenter les injecteurs de combustion 4 en carburant sous pression via un rail d'alimentation 23 commun à ces injecteurs de combustion 20 4. Ce moteur 1 comporte en outre un injecteur de carburant dit d'échappement 7 destiné à injecter du carburant dans le conduit d'échappement 6 en amont du filtre à particules 19 par rapport au sens d'écoulement 25 des gaz brûlés. Sur cette seule figure 1 cet injecteur d'échappement 7 est uniquement alimenté par la pompe principale d'alimentation en carburant 8. Le moteur 1 de l'invention qui est représenté sur 30 la figure 2 est conforme à la description précédente relative à la figure 1 mis à part en ce qui concerne l'alimentation de l'injecteur de combustion 7. En effet sur la figure 2 l'injecteur de combustion 7 est alimenté par une pompe secondaire 9 au lieu d'être alimenté uniquement par la pompe principale 8, cette pompe secondaire 9 étant distincte de la pompe principale 5 8. Via un circuit de liaison 16 la pompe secondaire est reliée au circuit de retour de carburant 15 ce qui permet l'approvisionnement en carburant de la pompe secondaire 9. 10 Ce circuit de retour 15 est un circuit relié aux injecteurs de combustion 4 pour recevoir du carburant ayant transité via l'un au moins des injecteurs de combustion 4 sans avoir été injecté dans une des chambres de combustion 2. 15 Le circuit de liaison 16 comporte une conduite s'étendant entre le circuit de retour de carburant 15 et l'arrivée en carburant de la pompe secondaire 9 et une vanne 17 de contrôle du passage de carburant disposée sur la conduite du circuit de liaison 16 pour délimiter le 20 flux de carburant. Cette vanne 17 est pilotée à l'aide d'un moteur noté M. La pompe secondaire est par ailleurs couplée et entraînée par l'arbre à cames 5 ce qui permet sa synchronisation avec les pistons 3 du moteur. 25 Le moteur de l'invention présenté sur cette figure 2 permet donc d'avoir une injection de carburant dans le conduit d'échappement via l'injecteur 7 qui est synchronisée avec les mouvements des pistons et qui n'influe pas sur la qualité des injections réalisées dans 30 les chambres de combustion 2 via les injecteurs de combustion 4. La figure 3 présente plus en détail la liaison entre la pompe secondaire 9 et l'arbre à cames 5. Cette figure 3 illustre un mode particulier de réalisation de la pompe secondaire selon lequel la pompe secondaire 9 présente un cylindre creux 12 dans lequel coulisse un piston de pompe aussi appelé moyen de variation du volume de la chambre de circulation 10. En effet le volume de la chambre de circulation 10 de la pompe secondaire est variable en fonction de la position du piston 11 dans le cylindre. L'arbre à cames 5 qui est sensiblement perpendiculaire à l'axe de coulissement du piston 11 tourne sur lui-même et entraîne une came excentrique 13 fixée à l'arbre et qui est en appui contre une zone externe du piston 11. Un ressort 18 hélicoïdal est placé autour du piston 11 et tend à pousser ce piston en direction de la came 13. Un premier clapet antiretour 20 est placé au niveau de l'entrée de carburant de la chambre de circulation 10, cette entrée étant reliée via le clapet 20 au circuit de liaison 16 qui comprend la vanne motorisée 17. Ce premier clapet 20 autorise le passage de carburant du circuit 16 vers la chambre de circulation 10 et en interdit le retour. Un second clapet 21 est placé au niveau de la sortie de carburant de la chambre de circulation 10, cette sortie étant reliée via le clapet 21 à l'injecteur de combustion 7. Ce second clapet 21 autorise le passage de carburant de la chambre 10 vers l'injecteur 7 et interdit le retour vers la chambre 10. Il L'injecteur de combustion 7 comporte une chambre d'injecteur de combustion ayant une entrée reliée à la pompe secondaire 9 via le second clapet 21 et ayant une sortie qui peut être obturée par une aiguille 22 coulissante dans la chambre d'injecteur. Dans ce mode de réalisation la chambre de circulation de carburant 10 est donc reliée hydrauliquement à l'injecteur d'échappement pour l'alimenter en carburant et le piston de pompe secondaire est en outre relié mécaniquement audit arbre tournant 5 de manière à être entraîné en déplacement par ce dernier. Un avantage d'une telle pompe secondaire 9 est que le débit maximum de carburant pompé par la pompe et distribué à l'injecteur 7 est limité d'une part par le volume maximum de la chambre 10 et d'autre part par la vitesse de coulissement du piston dans le cylindre 12 qui dépend du régime de l'arbre 5. Revendications 1. Moteur à combustion interne (1), comprenant au moins une chambre de combustion (2), au moins un piston de combustion (3) coulissant à l'intérieur de ladite chambre de combustion (2), au moins un injecteur de combustion (4) débouchant vers l'intérieur de la chambre de combustion (2), un arbre tournant (5) calé en rotation par rapport audit au moins un piston de combustion (3), un conduit d'échappement de gaz brûlés (6) lié à ladite au moins une chambre de combustion (2), un injecteur de carburant (7) dit d'échappement débouchant à l'intérieur dudit conduit d'échappement de gaz brûlés (6) pour y injecter du carburant, une pompe principale d'alimentation en carburant (8) dudit au moins un injecteur de combustion (4), caractérisé en ce qu'il comporte en outre une pompe secondaire d'alimentation en carburant (9) dotée : - d'une chambre de circulation de carburant (10) de 20 volume variable, et - d'un moyen de variation du volume (11) de la chambre de circulation de carburant (10), ce moyen de variation étant mobile entre une position de compression dans laquelle la chambre de circulation de carburant 25 présente un volume réduit et une position de décompression dans laquelle la chambre de circulation de carburant présente un volume plus important que ledit volume réduit, le moyen de variation (11) étant relié mécaniquement audit arbre tournant (5) de manière à être 30 entraîné en déplacement par cet arbre (5) entre ses positions de compression et de décompression. 2. Moteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen de variation de volume (11) de la chambre de circulation de carburant (10) est un piston de pompe (11) coulissant de manière étanche à l'intérieur d'un cylindre creux (12) de la pompe secondaire (9), ce piston de pompe (11) définissant à l'intérieur du cylindre creux (12) le volume de la chambre de circulation de carburant (10). 3. Moteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'arbre tournant (5) porte une came excentrique (13) par rapport à l'arbre tournant (5), cette came étant en appui contre ledit piston de pompe (11) afin de l'entrainer en translation à l'intérieur dudit cylindre creux (12) entre ses positions de compression et de décompression. 4. Moteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte un réservoir de carburant (14) et un circuit de retour de carburant (15) adapté pour transférer du carburant provenant dudit injecteur de combustion (4) vers ledit réservoir de carburant (14), un circuit de liaison (16) adapté pour relier ladite chambre de circulation de carburant (10) audit circuit de retour de carburant (15) et ainsi transférer du carburant du circuit de retour de carburant (15) vers la chambre de circulation de carburant (10) de la pompe secondaire (9). 5. Moteur selon la revendication 4, caractérisé en ce que ledit circuit de liaison (16) comporte une vanne de contrôle (17) du passage de carburant du circuit de retour de carburant vers la chambre de circulation de carburant (10). 6. Moteur (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes combinée à la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comporte un moyen élastique de rappel (18) adapté pour exercer une force élastique de rappel dudit piston de pompe secondaire (11) en direction de ladite came {13) de manière à presser ce piston contre cette came. 7. Moteur selon la revendication 6, caractérisé en ce que le moyen élastique de rappel (11) est un ressort 10 hélicoïdal. 8. Moteur selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comporte un filtre à particules (19) disposé sur le conduit d'échappement de gaz brûlés (6), en aval dudit injecteur d'échappement (7) 15 par rapport au sens d'écoulement des gaz brulés dans ce conduit d'échappement (6). 9. Moteur selon l'une quelconque des revendications précédentes combinée à la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comporte : 20 - un premier clapet antiretour (20) disposé pour autoriser la circulation de carburant du circuit de retour de carburant (15) vers la chambre de circulation de carburant (10) et pour interdire la circulation de carburant de la chambre de circulation de carburant (10) 25 vers le circuit de retour de carburant (15) et ; - un second clapet antiretour (21) disposé pour autoriser la circulation de carburant de la chambre de circulation de carburant (10) vers ledit injecteur d'échappement (7) et pour interdire la circulation de 30 carburant de l'injecteur d'échappement (7) vers la chambre de circulation de carburant (10).