Brevet FR2920826A1 — publié le 20090313

B07-0896FR - ODE/EVH Société Anonyme dite : RENAULT s.a.s. Procédé de commande du fonctionnement d'un moteur à combustion interne et moteur à combustion interne mettant en oeuvre ce procédé. Invention de : Saïd SOLTANI Alexandre MICHEL 1 Procédé de commande du fonctionnement d'un moteur à combustion interne et moteur à combustion interne mettant en oeuvre ce procédé L'invention concerne, de manière générale, la commande du fonctionnement d'un moteur à combustion interne d'un véhicule automobile. Plus particulièrement, l'invention se rapporte à la commande du fonctionnement d'un moteur à combustion interne pourvu d'un turbocompresseur de suralimentation et doté de plusieurs soupapes d'admission, par exemple d'au moins deux soupapes d'admission. Dans les moteurs de ce type, et en particulier dans les moteurs turbocompressés capables de délivrer un couple très élevé, on met souvent en oeuvre une phase de balayage, qui consiste à chasser les gaz brûlés résiduels en admettant de l'air frais dans les cylindres pendant la phase de croisement des soupapes d'admission et d'échappement, en particulier lorsque la pression dans les conduites d'admission est supérieure à la pression dans les cylindres. Outre l'évacuation des gaz brûlés résiduels, cette phase de balayage permet d'augmenter le remplissage des cylindres et d'améliorer la combustion en diminuant le phénomène de cliquetis. Toutefois, dans les moteurs à essence à injection indirecte, la phase de balayage s'effectue avec un mélange d'air et de carburant, ce qui augmente de façon relativement importante la fraction de carburant imbrûlé à l'échappement en court-circuitant une partie du flux admis dans les cylindres directement vers l'échappement. On déplore alors une augmentation des émissions de composants hydrocarburés HC et une dégradation de la consommation spécifique. Bien que ces inconvénients soient particulièrement marqués dans les moteurs à injection indirecte, on les retrouve également dans les moteurs à injection directe. I1 a été proposé de réduire l'émission des HC à l'échappement en contrôlant l'admission de carburant dans les cylindres en fonction de la loi de déplacement des soupapes d'échappement. En se référant aux figures 1 et 2 sur lesquelles on a respectivement représenté de manière très schématique un cylindre d'un moteur à combustion interne pourvu de ses deux soupapes d'admission Al et A2 associées à deux conduites d'admission Cl et C2 et à un injecteur I et de ses deux soupapes d'échappement E, d'une part, et des lois de levée L1 et L2 des soupapes d'admission A 1 et A2 et d'échappement E, respectivement, il a par exemple été proposé de procéder à une injection de carburant dans les conduites d'admission lorsque les soupapes d'admission sont ouvertes et de stopper l'injection lorsque les soupapes d'admission sont fermées afin de ne mettre en oeuvre la phase de balayage que par injection d'air, sans carburant. Mais cela nécessite de prévoir une pression d'injection relativement élevée afin de pouvoir injecter une quantité de carburant suffisante pendant la phase d'admission. En outre, la préparation du mélange peut être dégradée si l'injection est réalisée trop tardivement au cours du cycle. En se référant aux figures 3 et 4, sur lesquelles on reconnaît, respectivement, le cylindre C du moteur pourvu de ses soupapes d'admission Al et A2 associées à un injecteur I et aux conduites d'admission Cl et C2 et de ses soupapes d'échappement E, d'une part, et les lois de levée des soupapes d'échappement E et des soupapes d'admission Al et A2, il a été proposé, en variante, de ne procéder à l'injection de carburant que dans l'une des conduites d'admission C2 et de procéder à un décalage de l'ouverture des soupapes d'admission Al et A2. En particulier, le conduit Cl est dépourvu d'injecteur et est utilisé pour mettre en oeuvre la phase de balayage avec de l'air frais, sans carburant, tout en mettant en oeuvre une avance d'ouverture à l'admission pour cette soupape Al afin de prévoir un croisement des soupapes lors du balayage, tandis que l'injection de carburant est effectuée alors que les soupapes d'échappement sont fermées, afin d'éviter tout court-circuit. Ces techniques de commande engendrent néanmoins de mauvais rendements de combustion et, en particulier une augmentation de la consommation spécifique, ainsi qu'une augmentation des fractions imbrûlées, notamment une augmentation des HC à l'échappement. On pourra également se référer au document FR-A-2 781 011 qui propose de mettre en oeuvre un croisement des soupapes d'admission et d'échappement, de réaliser le balayage au cours de la phase de croisement et de réaliser l'injection de carburant après la fermeture des soupapes d'échappement. Le document US-B-6, 397, 813 propose, quant à lui, de limiter les émissions polluantes et le bruit de combustion en mettant en oeuvre un mouvement de rotation du mélange gazeux admis dans les cylindres du moteur. Au vu de ce qui précède, le but de l'invention est de profiter pleinement de l'effet du balayage, en particulier à bas régimes, tout en s'affranchissant des problèmes liés aux solutions de l'état de la technique. L'invention propose donc, selon un premier aspect, un procédé de commande du fonctionnement d'un moteur à combustion interne à au moins deux soupapes d'admission, dans lequel on réalise un croisement des soupapes d'admission et d'échappement et dans lequel on injecte de l'air dans le moteur par l'une des soupapes d'admission sensiblement lors du croisement des soupapes de manière à évacuer les gaz brûlés résiduels, puis l'on injecte du carburant dans les cylindres par l'autre soupape d'admission. On provoque en outre une rotation du mélange air/carburant injecté dans le moteur. I1 a été constaté que grâce à ce mouvement de rotation du mélange dans les cylindres du moteur, le mélange air/carburant est optimisé et homogénéisé en particulier en fin de compression, au moment de l'initiation de la combustion. On conçoit dès lors que l'on améliore grandement la combustion et l'on diminue de manière notable les fractions imbrûlées, les HC et, par conséquent, la consommation. Dans un mode de réalisation, la rotation du mélange air/carburant est réalisée en injectant le carburant de manière à obtenir ledit mouvement de rotation. On peut en outre injecter l'air dans le moteur en utilisant une conduite d'admission pourvue d'un organe de mise en rotation de l'air dans le moteur. En variante, selon un autre mode de mise en oeuvre, la rotation du mélange air/carburant est réalisée en injectant l'air dans le moteur de manière à obtenir ledit mouvement de rotation. Par exemple, on injecte le carburant selon une direction générale sensiblement opposée au mouvement de rotation de l'air. Selon une autre caractéristique de l'invention, on met par exemple en oeuvre un système de modification des lois de levée des soupapes. Par exemple, on injecte le carburant sensiblement à la fermeture des soupapes d'échappement du moteur. On peut également décaler l'ensemble de la loi de levée de la soupape d'injection de carburant relativement à la loi de levée de la soupape d'injection d'air. L'invention a également pour objet, selon un deuxième aspect, un moteur à combustion interne de véhicule automobile comprenant au moins deux soupapes d'admission et au moins une soupape d'échappement, des moyens de commande du déplacement des soupapes d'admission et d'échappement aptes à réaliser un croisement des soupapes d'admission et d'échappement et des moyens de commande d'injection d'air dans le moteur par l'une des soupapes d'admission et d'injection de carburant par l'autre soupape d'admission, de manière à injecter l'air dans le moteur sensiblement lors du croisement des soupapes puis à injecter le carburant. Ce moteur comporte en outre des moyens pour provoquer une rotation du mélange air/carburant injecté dans le moteur. Selon une autre caractéristique générale de ce moteur, celui-ci comporte en outre un système de modification des lois de levée des soupapes apte à injecter le carburant sensiblement à la fermeture des soupapes d'échappement du moteur. D'autres buts, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels : -les figures 1 à 4, dont il a déjà été fait mention, illustrent des exemples de techniques de commande du fonctionnement de moteurs à combustion interne suralimentés selon l'état de la technique ; - la figure 5 illustre très schématiquement un moteur à combustion interne équipé d'un dispositif de commande conforme à l'invention ; - la figure 6 montre schématiquement un cylindre du moteur de la figure 5 illustrant un premier mode de mise en oeuvre d'un procédé de commande conforme à l'invention ; -les figures 7 et 8 sont des lois de levée de soupapes d'admission et d'échappement, respectivement à bas régimes et à hauts régimes, correspondant au mode de mise en oeuvre de la figure 6 ; - la figure 9 montre très schématiquement un cylindre du moteur de la figure 5 illustrant un autre mode de mise en oeuvre d'un procédé de commande conforme à l'invention ; - les figures 10 et 11 illustrent respectivement des lois de levée des soupapes d'admission et d'échappement correspondant au mode de mise en oeuvre de la figure 9 respectivement à bas et à hauts régimes ; - la figure 12 illustre très schématiquement un cylindre du moteur de la figure 5 montrant un troisième mode de mise en oeuvre d'un procédé de commande conforme à l'invention ; et - les figures 13 et 14 illustrent des lois de levée des soupapes d'admission et d'échappement correspondant au mode de mise en oeuvre de la figure 12 respectivement à bas régimes et à hauts régimes. - la figure 15 illustre très schématiquement un cylindre du moteur de la figure 5 montrant un quatrième mode de mise en oeuvre d'un procédé de commande conforme à l'invention ; et - les figures 16 et 17 illustrent des lois de levée des soupapes d'admission et d'échappement correspondant au mode de mise en oeuvre de la figure 15 respectivement à bas régimes et à hauts régimes. La figure 5 illustre de manière très schématique un moteur à combustion interne de véhicule automobile turbocompressé, désigné par la référence numérique générale 1. 25 Dans l'exemple de réalisation, le moteur 1 est doté de quatre cylindres la alimentés par un mélange d'air et de carburant qui s'écoule dans une conduite d'admission 2, tandis que les gaz d'échappement issus du moteur sont véhiculés par une conduite d'échappement 3. 30 Un injecteur de carburant I est associé à chacun des cylindres 15 20 la. Comme on le voit, le moteur 1 est associé à une unité de commande électronique 4 qui contrôle le fonctionnement du moteur, en particulier à partir d'un ensemble de signaux de contrôle issus de capteurs (non représentés). En particulier, l'unité de commande électronique 4 pilote l'admission d'air dans les cylindres du moteur, l'injection de carburant par les injecteurs I et contrôle en outre le déplacement des soupapes d'admission et d'échappement dont est pourvu chaque cylindre selon des lois de levée, par exemple stockées en mémoire ou élaborées en fonction des paramètres de fonctionnement du moteur, en particulier en fonction du régime. L'unité de commande 4 comporte à cet effet tous les moyens matériels et logiciels permettant de piloter le fonctionnement du moteur 1. Conformément à une caractéristique de l'invention, l'unité de commande 4 met en oeuvre des phases de balayage, qui consistent à chasser les gaz brûlés résiduels par admission d'air frais dans les cylindres lorsque la pression dans la conduite d'admission 2 est supérieure à la pression dans les cylindres pendant la phase de croisement des soupapes d'admission et d'échappement, tout en limitant les émissions de HC et la consommation spécifique. On va maintenant décrire, en référence aux figures 6 à 8, un premier mode de mise en oeuvre du procédé de commande mis en oeuvre par l'unité de commande 4. Sur la figure 6, on reconnaît l'un des cylindres C du moteur pourvu d'au moins deux soupapes d'admission Al et A2, ici au nombre de deux, et d'au moins une soupape d'échappement E, ici également au nombre de deux. Les soupapes d'admission sont associées à des conduites d'admission Cl et C2 raccordées à la conduite 2 (figure 5). Les soupapes d'échappement E sont également raccordées à la conduite d'échappement 3 (figure 5). Comme on le voit, dans ce mode de réalisation, les conduites d'admission sont séparées. L'une des conduites, à savoir la conduite Cl, comporte un injecteur de carburant I. Elle est destinée à l'injection de carburant dans le cylindre C. L'autre conduite, à savoir la conduite C2, est destinée à l'injection d'air frais dans le cylindre C. Comme on le voit sur les figures 7 et 8, les lois Ll et L'l de levée des soupapes d'admission Al et A2, respectivement, sont décalées à bas régimes et à hauts régimes afin d'ouvrir, respectivement fermer, la soupape A2 avant la soupape Al. Ainsi, on injecte de l'air frais dans le cylindre C avant de procéder à l'injection de carburant. L'unité de commande 4 commande la soupape A2 de manière à mettre en oeuvre une avance d'ouverture à l'admission et à mettre en oeuvre une phase de balayage sensiblement lors du croisement des soupapes. En outre, la conduite Cl est conformée de manière à engendrer un mouvement de rotation selon la flèche F du mélange air/carburant dans le cylindre. En d'autres termes, selon le mode de mise en oeuvre, on procède, à bas régimes, d'une part à une avance d'ouverture à l'admission en ce qui concerne la soupape A2 de manière à injecter de l'air frais dans les cylindres pendant la phase de croisement des soupapes pour balayer les gaz brûlés résiduels. Par ailleurs, on entretient un mouvement de rotation du mélange air/carburant dans le cylindre. Ce mouvement de rotation peut être complété en dotant la conduite C2 d'admission d'air d'un dispositif D approprié, connu en soi, de type guillotine, boisseau, papillon, ...afin de faire varier le mouvement de rotation en continu. On dotera de préférence la conduite C2 d'un tel dispositif D afin de minimiser la perturbation du flux d'air dans la conduite Cl portant l'injecteur I. Grâce à l'action combinée du mouvement de rotation et du balayage pendant la phase de croisement des soupapes, on améliore le mélange afin d'obtenir une charge homogène en fin de compression, au moment de l'initiation de la combustion. Dans l'exemple de réalisation représenté, le mouvement de rotation est entretenu en utilisant une conduite C l de forme hélicoïdale. I1 est également possible, en variante, d'utiliser une conduite tangentielle judicieusement orientée. On pourrait également, dans d'autres modes de réalisation, utiliser à cet effet tout autre dispositif approprié. On notera enfin, en référence à la figure 8, que, en ce qui concerne les hauts régimes, l'unité de commande 4 commande les soupapes de manière à augmenter le retard de fermeture à l'admission, tant en ce qui concerne la soupape d'admission de carburant Al que la soupape d'admission d'air A2. On va maintenant décrire en référence aux figures 9 à 11 un autre mode de mise en oeuvre d'un procédé de commande selon l'invention. Sur la figure 9, on reconnaît le cylindre C pourvu de ses soupapes d'admission Al et A2 associées aux conduites d'admission Cl et C2 et ses soupapes d'échappement E. Dans ce mode de réalisation, l'une des conduites C2 est pourvue d'un injecteur I, l'autre conduite Cl, destinée à l'admission d'air frais dans les cylindres, étant pourvue d'un dispositif D destiné à entretenir un mouvement de rotation du mélange air/carburant dans le cylindre C selon la flèche F. La conduite C l est alors conformée de la même manière que la conduite C l décrite précédemment en référence à la figure 6, c'est-à- dire hélicoïdale ou une conduite tangentielle judicieusement orientée. L'unité de commande 4 pilote les soupapes Al et A2 de manière à ouvrir, respectivement fermer, la conduite Cl dédiée à l'admission d'air frais dans le cylindre C avant la conduite C2 d'injection de carburant. De même, l'unité de commande 4 provoque une avance d'ouverture à l'admission, en ce qui concerne la soupape Al d'admission d'air, de manière à provoquer un balayage lors de la phase de croisement des soupapes, à bas régimes. A hauts régimes (figure 11), l'unité de commande 4 assure un retard de fermeture à l'admission, tant en ce qui concerne la soupape Al que la soupape A2. Enfin, comme dans le mode de réalisation décrit précédemment en référence aux figures 6 à 8, l'admission de carburant débute après la fermeture des soupapes d'échappement E. Dans ce mode de réalisation, la conduite Cl engendre un flux apte à entretenir une rotation du mélange air/carburant dans le cylindre C, l'injection de carburant étant effectuée dans le sens opposé au mouvement de rotation généré par cette conduite Cl. Cette variante est avantageuse lorsque l'on cherche à modifier la quantité de mouvement de rotation par l'effet de décalage des levées de soupapes d'admission tout en assurant une bonne qualité du mélange. Comme illustré dans le mode de réalisation représenté aux figures 12 à 14, l'unité de commande 4 peut être associée à un système de modification de loi de levée des soupapes, par exemple par variation de levée et étalement des lois de levée à l'admission permettant d'optimiser davantage le fonctionnement du moteur. Dans l'exemple de réalisation représenté, l'agencement de la figure 12 correspond au mode de réalisation de la figure 9. Ainsi, par exemple, la conduite Cl associée à la soupape Al d'admission d'air frais dans le cylindre est utilisée pour entraîner en rotation le mélange air/carburant, l'autre conduite C2, associée à la soupape A2 étant utilisée pour l'injection de carburant dans le cylindre. Comme illustré à la figure 13, à bas régimes, la loi de levée de la soupape Al est modifiée de manière à ouvrir la soupape Al avant la soupape A2 de manière à mettre en oeuvre une phase de balayage pendant la phase de croisement des soupapes. En d'autres termes, à bas régimes, l'ouverture de la soupape A2 est retardée afin d'éviter d'envoyer du carburant à l'échappement lors du balayage. En revanche, le retard de fermeture à l'admission de la soupape A2 est inchangé de sorte que les deux soupapes d'admission Al et A2 sont fermées simultanément. En d'autres termes, on évite le refoulement après le point mort bas. Par contre, à hauts régimes, les lois de levées des soupapes Al et A2 sont confondues (voir figure 14). Le maintien du retard de fermeture d'admission en ce qui concerne la soupape d'admission de carburant peut également être mis en oeuvre dans l'agencement décrit précédemment en référence à la figure 6. En d'autres termes, comme illustré aux figures 15 à 17, dans un agencement de cylindre dans lequel la conduite Cl dotée d'un injecteur I servant à l'injection de carburant dans le cylindre C est conformée pour entretenir un mouvement de rotation du mélange air/carburant, dans lequel l'autre conduite C2 associée à la soupape d'admission A2 dédiée à l'admission d'air frais dans les cylindres C assure un balayage pendant la phase de croisement et dans lequel l'injection de carburant est réalisée après fermeture des soupapes d'échappement E, on maintient le retard de fermeture à l'admission, en ce qui concerne la soupape Al d'admission de carburant à une valeur optimale pour maximiser le remplissage pour le régime concerné. Dans ce mode de mise en oeuvre, le retard de fermeture à l'admission est maintenu tant en ce qui concerne les bas régimes que les hauts régimes. On notera enfin que dans les différents modes de réalisation envisagés, on peut également prévoir d'utiliser un système de soupapes d'échappement variable, connu sous l'appellation � VVT � ou � VVA � agissant en parallèle sur les lois de levée des soupapes décrites précédemment afin d'atteindre pleinement les objectifs de performance, dépollution et consommation spécifiques du moteur. REVENDICATIONS 1. Procédé de commande du fonctionnement d'un moteur à combustion interne à au moins deux soupapes d'admission, dans lequel on réalise un croisement des soupapes d'admission (Al, A2) et d'échappement (E) et dans lequel on injecte de l'air dans le moteur par l'une des soupapes d'admission sensiblement lors du croisement des soupapes de manière à évacuer les gaz brûlés résiduels, puis l'on injecte du carburant dans les cylindres (C) par l'autre soupape d'admission, caractérisé en ce que l'on provoque une rotation du mélange air/carburant injecté dans le moteur. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la rotation du mélange air/carburant est réalisée en injectant le carburant de manière à obtenir ledit mouvement de rotation. 3. Procédé selon la revendication 2, dans lequel on injecte en outre l'air dans le moteur en utilisant une conduite d'admission (Al, A2) pourvue d'un organe (D) de mise en rotation de l'air dans le moteur. 4. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la rotation du mélange air/carburant est réalisée en injectant l'air dans le moteur de manière à obtenir ledit mouvement de rotation. 5. Procédé selon la revendication 4, dans lequel on injecte le carburant selon une direction générale sensiblement opposée au mouvement de rotation de l'air. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'on met en outre en oeuvre un système de modification des lois de levée des soupapes 7. Procédé selon la revendication 6, dans lequel on injecte le carburant sensiblement à la fermeture des soupapes d'échappement du moteur. 8. Procédé selon l'une des revendications 6 et 7, dans lequel on décale l'ensemble de la loi de levée de la soupape d'injection de carburant relativement à la loi de levée de la soupape d'injection d'air. 9. Moteur à combustion interne de véhicule automobile comprenant au moins deux soupapes d'admission (Al, A2) et au moins une soupape d'échappement (E), des moyens de commande du déplacement des soupapes d'admission et d'échappement aptes à réaliser un croisement des soupapes d'admission (Al, A2) et d'échappement (E) et des moyens de commande de l'injection d'air dans le moteur par l'une des soupapes d'admission et de l'injection de carburant par l'autre soupape d'admission de manière à injecter l'air dans le moteur sensiblement lors du croisement des soupapes puis à injecter le carburant, caractérisé en ce qu'il comporte en outre des moyens pour provoquer une rotation du mélange air/carburant injecté dans le moteur. 10. Moteur selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un système de modification des lois de levée des soupapes apte à injecter le carburant sensiblement à la fermeture des soupapes d'échappement du moteur.