Brevet FR2916238A1 — publié le 20081121

La présente invention concerne un moteur thermique à recyclage de gaz d'échappement intégré. ARRIERE PLAN DE L'INVENTION Pour améliorer les performances d'un moteur ther- mique, en particulier en ce qui concerne une diminution de la pollution, il est connu de réinjecter des gaz d'échappement lors de l'admission. Dans les moteurs existants, le recyclage de gaz d'échappement est effectué au moyen d'un dispositif sépa-ré du moteur comprenant généralement un conduit refroidi et un conduit non refroidi montés en parallèle, une vanne de by-pass pour orienter les gaz d'échappement à recycler vers le conduit refroidi ou le conduit non refroidi, et une vanne de régulation de débit pour réguler le débit des gaz d'échappement recyclés. Le dispositif de recyclage de gaz d'échappement est monté entre le tube d'échappement et le conduit d'admission en amont du col-lecteur d'admission. La présence du dispositif de recyclage d'échappe- ment externe augmente l'encombrement global du moteur. OBJET DE L'INVENTION Un premier objet de l'invention est de proposer un moteur thermique dans lequel le dispositif de recyclage de gaz est au moins partiellement intégré directe- ment au moteur. Un autre objet de l'invention est d'associer à l'architecture du moteur thermique selon l'invention, une réserve d'air comprimé permettant de multiples améliorations des performances du moteur. RESUME DE L'INVENTION En vue de la réalisation de ce but, on prévoit selon l'invention un moteur thermique comportant au moins deux cylindres équipés de soupapes d'admission reliées à un conduit d'admission et de soupapes d'échappement re- liées à un conduit d'échappement par l'intermédiaire d'un 2 collecteur d'échappement, les soupapes étant associées à des organes de commande, dans lequel chaque cylindre comporte une soupape additionnelle associée à un organe de commande indépendant, les soupapes additionnelles étant reliées au conduit d'échappement par un conduit de recyclage d'échappement. Il est ainsi possible de simplifier le dispositif de recyclage d'échappement en supprimant le conduit de recyclage d'échappement non refroidi. Selon un mode de réalisation préféré de cet aspect de l'invention, le moteur comporte un premier conduit de recyclage d'échappement non refroidi et un second conduit de recyclage d'échappement refroidi montés en parallèle et chacun pourvu d'une vanne d'isolement. Les soupapes additionnelles assurent alors la fonction de régulation de débit de sorte que le dispositif de recyclage d'échappement est totalement intégré au moteur. Selon le deuxième aspect de l'invention, le conduit de recyclage d'échappement est relié à un réser- voir d'air comprimé par l'intermédiaire d'un conduit de liaison comportant une vanne d'isolement de réservoir, une vanne d'isolement d'échappement étant montée entre le conduit d'échappement et un point de jonction du conduit de recyclage d'échappement avec le conduit de liaison. Ainsi, par un contrôle approprié de la vanne d'isolement du réservoir, de la vanne d'isolement d'échappement et des soupapes additionnelles, on peut réaliser des multiples utilisations afin d'améliorer les performances du moteur. BREVE DESCRIPTION DES DESSINS D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description qui suit d'un mode de réalisation préféré de l'invention et d'une variante de réalisation, en relation avec les figu- res ci-jointes parmi lesquelles : - la figure 1 est une représentation schématique d'un moteur thermique selon l'invention, - la figure 2 est une représentation schématique d'une variante de réalisation du dispositif de la figure 1. DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION En référence à la figure 1, le moteur thermique 1 illustré comporte de façon connue en soi quatre cylindres 2 chacun équipé de deux soupapes d'admission 3 reliées à un conduit d'admission 4 et associées à un organe de commande 5. Egalement de façon connue en soi, chaque cylindre est équipé d'une soupape d'échappement 6 reliée à un conduit d'échappement 7 et associée à un organe de commande 8. Dans le mode de réalisation illustré, chaque soupape est commandée par un organe de commande individuel tel qu'un actionneur électromagnétique, mais l'invention concerne également les moteurs thermiques équipés de façon classique d'un arbre à came ou de tout autre organe d'actionnement pour commander les soupapes d'admis- sion et d'échappement. Selon le mode de réalisation illustré de l'invention, chaque cylindre 2 est en outre équipé d'une soupape additionnelle 9 reliée à un réservoir 10 par un conduit de liaison généralement désigné en 11. Chaque soupape ad- ditionnelle 9 est associée à un organe de commande indépendant 32 qui peut être un actionneur électromagnétique hydraulique ou pneumatique relié à une unité de traite-ment 34. Le conduit de liaison 11 comporte successivement à partir du moteur 1 un collecteur 12, une branche 13 re- liée au collecteur 12 sur laquelle est montée un échangeur de chaleur 14 comprenant un serpentin 33 relié au circuit de refroidissement du moteur, une branche 15 reliée à la branche 13, un filtre 16 disposé dans la branche 15 à la jonction avec la branche 13, un clapet anti- retour 17 monté pour permettre un écoulement de gaz vers 4 le réservoir 10, un régulateur de pression 18 monté en parallèle au clapet anti-retour 17 pour permettre un écoulement de gaz à partir du réservoir 10, et une vanne d'isolement de réservoir 19 raccordée au réservoir par un tronçon de conduit 20. Le réservoir 10 est lui-même équipé d'un clapet de sûreté 21. A son embranchement avec la branche 15, la branche 13 du conduit de liaison 11 est reliée à une première extrémité d'un conduit de recyclage 22 dont une extrémité opposée est reliée au collecteur d'échappement 23, une vanne d'isolement d'échappement 24 étant montée sur le premier conduit de recyclage 22. La branche 13 est donc commune au conduit de liaison 11 et au conduit de recyclage 22. Un second conduit de recyclage 25 s'étend entre le collecteur 12 du conduit de liaison 11 et le collecteur d'échappement 23. Le second conduit de recyclage 25 est équipé d'une vanne d'isolement 26. Par ailleurs, de façon connue en soi, un turbocompresseur 27 est monté à cheval sur le conduit d'admis- Sion 4 et le conduit d'échappement 7. Les différentes vannes d'isolement sont normale-ment maintenues fermées. Pour le remplissage du réservoir, la vanne d'isolement 19 est ouverte et chaque sou-pape additionnelle 9 est ouverte pendant la phase de corn- pression correspondante du cylindre concerné lors d'une décélération du véhicule. L'air comprimé par le cylindre passe ainsi dans la branche 13 où il est refroidi par l'échangeur 14 puis par le clapet anti-retour 17 et alimente donc le réservoir 10 jusqu'à ce que la pression dans le réservoir 10 soit égale à la pression en fin de compression. On notera à ce propos que la majeure partie de l'air contenu dans le cylindre est chassé pendant la phase de compression vers le réservoir 10 de sorte que dans la phase qui suit immédiatement la compression, le piston exerce un travail pour provoquer une détente des gaz restés dans le cylindre. Le couple global du cycle du moteur est alors négatif et agit comme un frein moteur important. Pendant cette phase, le couple de freinage 5 peut être ajusté en modifiant la levée de la soupape in-dépendante ainsi que l'instant d'ouverture et/ou le temps pendant lequel la soupape est ouverte. Dans le cas d'un moteur associé à une transmission variable réversible, on peut également adapter le régime de rotation du moteur pour assurer une récupération d'énergie dans les meilleu- res conditions. On peut également cesser le remplissage du réservoir à une pression inférieure en fermant la vanne d'isolement 19 lorsque la pression dans le réservoir 10 at- teint un seuil prédéterminé. Dans les instants où le moteur fonctionne à faible charge on peut faire fonctionner deux cylindres en moteur tandis que les deux autres cylindres fonctionnent en compresseur pour remplir le réservoir 10. Par ailleurs, de façon non exhaustive, les différentes utilisations de l'architecture du moteur selon l'invention sont les suivantes : Lors d'un démarrage à froid, la vanne d'isolement 19 est ouverte et le détendeur de pression 18 est action- né pour permettre un écoulement de l'air depuis le réservoir 10 vers les soupapes indépendantes 9. Lorsqu'un cylindre est en phase d'admission, juste après la fermeture des soupapes d'admission 3, la soupape indépendante 9 correspondante est ouverte un bref instant pour admettre un volume d'air supplémentaire. La masse d'air comprimée dans le cylindre est donc augmentée de sorte que les gaz comprimés dans le cylindre atteignent une température élevée en fin de compression. Après un démarrage du moteur et lorsque le moteur est encore froid, la vanne d'isolement d'échappement 26 est ouverte de sorte que des gaz d'échappement peuvent s'écouler dans le conduit de recyclage 25 non refroidi. Lors de la phase d'admission d'un cylindre, la soupape indépendante 9 est ouverte de sorte que des gaz chauds sont admis dans les cylindres, ce qui facilite la montée en température du moteur et la réduction des émissions polluantes. Lorsque le moteur est chaud, la vanne d'isolement 26 est fermée tandis que la vanne d'isolement 22 est ou-verte. En ouvrant une soupape indépendante 9 pendant la phase d'admission, on admet ainsi des gaz d'échappement qui ont été refroidis par l'échangeur de chaleur 14. En fin d'admission, on peut également admettre de l'air frais en provenance du réservoir 10, ce qui permet d'ob- tenir une stratification des gaz contenus dans le cylindre 2 correspondant. Dans ce cas l'échangeur de chaleur 14 sert à réchauffer l'air détendu venant du réservoir 10. On bénéficie ainsi tout à la fois de la réduction des émissions polluantes et d'une bonne combustion des gaz. A ce propos, on notera que l'architecture du moteur selon l'invention permet de supprimer le circuit habituel de recyclage de gaz d'échappement, ce qui réduit le coût global de réalisation du moteur. Dans le cas d'une forte accélération, les soupa- pes additionnelles 9 permettent d'admettre un supplément d'air dans les cylindres, les vannes d'isolement d'échappement étant fermées, de sorte qu'il est possible de travailler à une richesse 1 favorisant une accélération rapide tout en limitant les émissions polluantes. En outre, la suralimentation peut encore être augmentée en ouvrant la vanne d'isolement 24 de sorte que de l'air sous pression en provenance du réservoir 10 est envoyé dans le conduit d'échappement 7, ce qui raccourcit la montée en vitesse du turbocompresseur 27 et permet une suralimenta- tion plus rapide dans le conduit d'admission, augmentant 7 ainsi le rendement du cycle thermodynamique. En régime stable à forte charge, les vannes d'isolement d'échappement 24 et 26 sont ouvertes et les soupapes additionnelles 9 sont commandées de façon syn- chronisée avec les soupapes d'échappement 6, de sorte que le cylindre se vide plus rapidement lors de la phase d'échappement. En fin d'échappement et alors que les soupapes d'échappement 6 sont encore ouvertes, on peut également fermer les vannes d'isolement 24 et 26 et alimenter le conduit de liaison 11 avec de l'air sous pression de sorte que cet air est injecté dans le cylindre correspondant et facilite l'évacuation des gaz brûlés encore présents dans la chambre de combustion. Cela permet en outre d'assurer un refroidissement du cylindre de sorte que les phénomènes de cliquetis et l'émission de NOx sont ré-duits. En référence à la figure 2, les éléments identiques à ceux de la figure 1 portent les mêmes références numériques que sur la figure 1. Dans cette variante le second conduit de recyclage 25 a été supprimé et le conduit de recyclage 22 est relié à une branche 28 non refroidie du conduit de liaison 11. Parallèlement le moteur est équipé d'un conduit de recyclage 29 relié de fa- çon connue en soi entre le conduit d'échappement 7 et le conduit d'admission 4. Le conduit de recyclage 29 est équipé d'un échangeur de chaleur 30 et d'une vanne de recyclage 31 de sorte que ce circuit de recyclage se distingue du circuit de recyclage habituel par la suppres- Sion de la ligne de by-pass. Bien entendu l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits et on peut y apporter des variantes de réalisation sans sortir du cadre de l'invention telle que définie par les revendications. En particulier, bien que l'invention ait été dé- 8 crite avec un conduit de recyclage d'échappement relié à un réservoir d'air comprimé, ce qui permet les multiples améliorations de performances énoncées ci-dessus, le moteur selon l'invention peut également être réalisé en prévoyant simplement une architecture permettant une intégration partielle ou totale du dispositif de recyclage de gaz d'échappement. Bien que dans la variante de réalisation qui est illustrée par la figure 2 le moteur comprenne un conduit de recyclage non refroidi 28 intégré au moteur et un circuit de recyclage refroidi 29 extérieur au moteur, l'invention peut être réalisée en conservant la branche 13 et l'échangeur 14 illustrés sur la figure 1 et en supprimant l'échangeur de chaleur 30 sur le conduit de recyclage 29. En outre, lorsque les soupapes d'échappement 6 sont commandées par des organes de commande indépendants les uns des autres, comme illustré sur les figures, il est possible d'assurer le recyclage non refroidi en ouvrant la soupape d'échappement d'un cylindre lorsque ce- lui-ci est en phase d'admission de sorte que les gaz d'échappement qui sont envoyés dans le conduit d'échappement par un cylindre en phase d'échappement sont partiellement recyclés dans le cylindre en phase d'admission. Par rapport à l'architecture de la figure 1, il est donc possible de supprimer le conduit de recyclage 25. Dans la version du moteur comportant un réservoir d'air comprimé, celui-ci peut être alimenté de façon ex-terne, la liaison avec le moteur servant alors exclusive-ment lors des phases d'utilisation de l'air comprimé. REVENDICATIONS 1. Moteur thermique comportant au moins deux cylindres (2) équipés de soupapes d'admission (3) reliées à un conduit d'admission (4) et de soupapes d'échappement (6) reliées à un conduit d'échappement (7) par l'intermédiaire d'un collecteur d'échappement (23), les soupapes étant associées à des organes de commande (5, 8), caractérisé en ce que chaque cylindre comporte une soupape ad- ditionnelle (9) associée à un organe de commande (32) in-dépendant, les soupapes additionnelles (9) étant reliées au conduit d'échappement (7) par un conduit de recyclage d'échappement (22, 28). 2. Moteur thermique selon la revendication 1, ca- ractérisé en ce que le conduit de recyclage d'échappement (22) comporte un échangeur de chaleur (14). 3 Moteur thermique selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte un second conduit de recyclage d'échappement (25) non refroidi reliant les soupa- pes additionnelles (9) au conduit d'échappement (7) par l'intermédiaire d'une vanne d'isolement (26) en parallèle au premier conduit d'échappement (22), le premier conduit d'échappement (22) étant pourvu d'une vanne d'isolement (24). 4. Moteur thermique selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un second conduit de recyclage d'échappement (29) s'étendant entre le conduit d'échappement (7) et le conduit d'admission (4) et comportant une vanne de régulation de recyclage (31). 5. Moteur thermique selon la revendication 4, caractérisé en ce que le second conduit de recyclage d'échappement (29) est équipé d'un échangeur de chaleur (30). 6. Moteur thermique selon la revendication 1, ca- 35 ractérisé en ce que le conduit de recyclage d'échappement 30(22, 28) est relié à un réservoir d'air comprimé (10) par l'intermédiaire d'un conduit de liaison (11) comportant une vanne d'isolement de réservoir (19), une vanne d'isolement d'échappement (24) étant montée entre le conduit d'échappement (7) et un point de jonction du conduit de recyclage d'échappement (22, 28) avec le conduit de liai-son (11). 7. Moteur thermique selon la revendication 6, caractérisé en ce que le conduit de liaison (11) comporte un échangeur de chaleur (14). 8. Moteur thermique selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'échangeur de chaleur (14) est monté sur une branche (13) commune au conduit de liaison (11) et au conduit de recyclage d'échappement (22). 9. Moteur thermique selon la revendication 6, caractérisé en ce que le conduit de liaison (11) comporte un clapet anti retour (17) monté pour permettre un écoulement de gaz vers le réservoir. 10. Moteur thermique selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'un régulateur de pression (18) est monté en parallèle au clapet anti-retour (17) pour per-mettre un écoulement de gaz à partir du réservoir (10).