Brevet FR2914366A1 — publié le 20081003

La présente invention se rapporte à un procédé pour contrôler le fonctionnement d'un moteur à combustion interne et plus particulièrement un moteur à combustion interne fonctionnant en un mode de combustion en autoallumage contrôlé, dit CAI (Controlled Auto Ignition), pour les faibles et moyennes charges. Elle concerne notamment des moteurs à combustion interne à allumage commandé, de préférence de type essence. Dans ce mode de fonctionnement et comme cela est mieux décrit dans la demande de brevet N 2 760 487 du demandeur, la combustion du mélange carburé contenu dans la chambre de combustion est réalisée par autoallumage grâce à des gaz brûlés (ou gaz d'échappement) qui restent dans cette chambre après la combustion précédente. Plus précisément, ceci se réalise en contrôlant la quantité de gaz brûlés résiduels et son mélange avec de l'air d'admission carburé. Ces gaz brûlés qui sont à une température élevée permettent d'initier la combustion du mélange carburé par une combinaison de cette température associée à la présence d'espèces actives. Ce mode de combustion est particulièrement intéressant, car il permet de limiter les émissions de polluants, comme les oxydes d'azote (NOx), tout en limitant la consommation de carburant. Il demande cependant de fortes quantités de gaz brûlés résiduels, généralement de l'ordre de 30% à 75% de la masse des gaz enfermés dans la chambre de combustion durant la phase de combustion. En effet, ces gaz servent à la fois de source d'énergie thermique pour promouvoir l'autoallumage du mélange carburé et de gaz de dilution pour limiter le gradient de pression et la température de combustion, ce qui permet de limiter les émissions sonores ainsi que les émissions de NOx. De plus, cette combustion est généralement réalisée sans utilisation du papillon à l'admission afin de limiter les pertes par pompage. Ceci implique que la masse de gaz brûlés contenue dans la chambre de combustion, lors de la fermeture de la soupape d'échappement, est un paramètre de première importance pour ce mode de combustion. Il est à noter que la quantité de gaz brûlés résiduels permet également d'assurer le contrôle de la charge dans la chambre. En effet, plus la quantité de gaz brûlés augmente, plus la quantité de gaz frais admis diminue puisque la masse totale enfermée varie peu. La gestion des gaz brûlés résiduels décrite dans le document précité permet effectivement de gérer ces gaz brûlés dans la chambre sur une large plage de taux de gaz brûlés et de régimes, mais demande des calages très particuliers des lois de distribution. En effet, plus le régime moteur augmente, plus la soupape d'échappement doit être fermée tôt pour obtenir une même quantité de gaz brûlés résiduels. Ceci conduit à des calages extrêmes pour les forts régimes qui ont le désavantage de produire une troncature de la détente et donc une diminution de l'efficacité de la boucle haute pression. De plus, ces calages extrêmes posent le problème de l'application d'une telle stratégie sur certains types de moteur puisque les plages de calage demandées deviennent trop larges pour être réalisées avec un déphaseur d'arbre à cames conventionnel. La présente invention se propose de remédier aux inconvénients énumérés ci-dessus grâce à un procédé permettant de contrôler la rétention de gaz brûlés dans la chambre de combustion qui est simple et peu coûteux et qui pénalise peu la consommation en carburant du moteur. A cet effet, l'invention concerne un procédé de contrôle du fonctionnement d'un moteur à combustion interne avec au moins un cylindre comprenant une chambre de combustion, des moyens de commande des lois de levée d'au moins une soupape d'échappement contrôlant l'évacuation des gaz d'échappement vers des moyens d'échappement dans lesquels règne une contre-pression échappement, ledit moteur fonctionnant, pour les faibles et moyennes charges, en un mode de combustion à autoallumage contrôlé durant lequel une rétention de gaz brûlés est réalisée à l'intérieur de la chambre de combustion par diminution de la durée d'ouverture de ladite soupape, caractérisé en ce qu'il consiste, durant ledit mode de combustion, à faire varier la contre-pression échappement pour s'opposer à la pression des gaz d'échappement sortant de ladite chambre de combustion de manière à contrôler la quantité de gaz brûlés résiduels dans cette chambre. Avantageusement, le procédé peut consister à contrôler la circulation des gaz d'échappement dans les moyens d'échappement pour faire varier la contre-pression. Le procédé peut également consister à diminuer la durée d'ouverture de la soupape d'échappement par fermeture de ladite soupape à un angle de vilebrequin compris entre 60 et 120 et avantageusement entre 60 et 90 , et de préférence à un angle d'environ 60 avant le point mort haut échappement. De manière préférentielle, le procédé peut consister à diminuer la levée de la soupape d'échappement. Le procédé peut consister à diminuer la levée de la soupape 25 d'échappement, lors du mode de combustion à autoallumage contrôlé du moteur, d'une valeur inférieure ou égale à environ la moitié de la levée maximale de cette soupape lors du mode de combustion conventionnelle. Le procédé peut consister à diminuer la levée d'une valeur comprise entre 30 1/4 et 1/2 de la levée conventionnelle de la soupape d'échappement. 20 La présente invention concerne également un moteur à combustion interne avec au moins un cylindre comprenant une chambre de combustion, des moyens de commande des lois de levée d'au moins une soupape d'échappement, et des moyens d'échappement dans lesquels règne une contre-pression échappement, caractérisé en ce que le moteur comprend des moyens de variation de la contre-pression échappement. Les moyens de variation peuvent comprendre des moyens de vannage placés entre la sortie du collecteur d'échappement et la ligne d'échappement. Les moyens de vannage peuvent comprendre un volet basculant autour d'un axe. Les moyens de vannage peuvent alternativement comprendre un robinet à 15 boisseau. Les autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux décrits à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre uniquement illustratif et non limitatif, et en se référant aux dessins annexés sur lesquels : 20 • la figure 1 est un schéma d'un moteur à combustion interne utilisant le procédé selon l'invention et • la figure 2 est un graphique montrant les lois de levées des soupapes. 25 Sur la figure 1 est montré un moteur à combustion interne, notamment de type essence à allumage commandé, pouvant fonctionner, pour les faibles et moyennes charges, avec un mode de combustion en autoallurnage contrôlé, dit CAI (Controlled Auto Ignition) et, pour les fortes charges, selon un mode de combustion conventionnelle. 30 Ce moteur comprend au moins un cylindre 10 avec une chambre de combustion 12 dans laquelle se produit la combustion d'un mélange carburé. Le10 cylindre comprend au moins une admission 14 avec une soupape d'admission 16 contrôlant une tubulure d'admission 18 ainsi qu'au moins un échappement 20 avec une soupape d'échappement 22 et une tubulure d'échappement 24. Le cylindre comprend également un moyen d'allumage 26 du mélange carburé contenu dans la chambre de combustion, tel qu'un allumage par étincelles comme par une bougie, pour le fonctionnement du moteur en mode conventionnel. 10 Les soupapes d'échappement 22 sont commandées en ouverture et en fermeture par des moyens 28 permettant de faire varier les lois de levée de ces soupapes, notamment au niveau de leurs phasages, de leurs moments d'ouverture et de fermeture ou de l'étendue de leurs levées, comme ceux plus 15 connus sous le terme de déphaseur ou sous le sigle VVA (Variable Valve Actuation). Les soupapes d'admission sont avantageusement commandées en ouverture et en fermeture par des moyens permettant de faire varier le phasage des lois de levée de ces soupapes, tel qu'un arbre à cames 30 avec déphaseur, mais peuvent être aussi commandées par des moyens de type WA. 20 Ces moyens de commande peuvent être utilisés pour commander les soupapes d'admission et d'échappement indépendamment les unes des autres ou de manière associée. Préférentiellement, des moyens de commande de type WA sont utilisés pour les soupapes d'échappement et un arbre à came avec déphaseur est 25 utilisé pour les soupapes d'admission. Des moyens d'injection de carburant 32, tel qu'un injecteur à nappe de jets de carburant, sont placés sur les tubulures d'admission 18 pour y injecter du carburant de façon à réaliser un mélange carburé à introduire dans la chambre 30 de combustion 12 lors de l'ouverture des soupapes d'admission.5 Les tubulures 24 des échappements 20 aboutissent à un collecteur d'échappement 34 dont la sortie 36 est raccordée, de manière connue en soi, à une ligne d'échappement 38. Ainsi, les échappements 20, le collecteur et la ligne d'échappement constituent pour l'essentiel les moyens d'échappement des gaz du moteur. Des moyens de vannage 40, dont le rôle sera explicité dans la suite de la description, sont placés à cette sortie 36. A titre d'exemple, ces moyens de vannage comprennent un volet 42 articulé sur un axe 44 entraîné en rotation par tous moyens connus, comme un micromoteur 46, pour obtenir dans toutes les positions comprises entre une position de pleine fermeture de la sortie 36 à celle de sa pleine ouverture. Comme cela est connu, une unité de contrôle du moteur 48, telle qu'un calculateur-moteur, contrôle le fonctionnement du moteur. Cette unité contient des cartographies ou des tables de données permettant d'évaluer, en fonction des conditions de fonctionnement du moteur (enfoncement de la pédale d'accélération, régime du moteur, pressions d'admission et d'échappement au niveau des cylindres, ...), la puissance que doit générer ce moteur pour répondre à la demande du conducteur du véhicule. Ainsi, en fonction de cette demande, le calculateur commande les actions 20 pour faire fonctionner ce moteur, soit en mode de combustion avec autoallumage contrôlé (CAI), soit en mode conventionnel. Pour cela, ce calculateur permet de contrôler les organes de ce moteur, comme les injecteurs 32, les bougies 26, les moyens de commande 28 et 30 des soupapes ou la position de la vanne 42, par des lignes de commande 50, 25 52, 54, 56, 58 pour fonctionner selon le mode de combustion sélectionné. Ainsi, dans le cas d'une demande avec des faibles charges ou des charges moyennes aboutissant à un fonctionnement du moteur en autoallumage contrôlé, le calculateur déclenche un certain nombre d'actions sur 30 le moteur pendant sa phase d'échappement durant laquelle le piston a une course allant de son point mort bas échappement (PMBe) à son point haut échappement (PMHe). Plus précisément, et en rapportant en plus à la figure 2 qui illustre les lois de levée en fonction de l'angle vilebrequin V pour la soupape d'échappement (loi conventionnelle 22, loi avec fermeture précoce 22' et loi avec fermeture précoce et limitation de levée 22") et la soupape d'admission (loi conventionnelle 16 et loi avec déphasage 16'), le calculateur 48 contrôle les moyens de commandes 28 de la soupape d'échappement par la ligne 56 de façon à ce que sa loi de levée (indiquée par la courbe 22') diffère de celle pour le mode conventionnel (indiquée par la courbe 22) en réalisant une fermeture précoce de cette soupape. A titre d'exemple, la fermeture de la soupape d'échappement lors du mode de fonctionnement en autoallumage contrôlé se situe à un angle de vilebrequin VI compris entre 60 et 120 et avantageusement entre 60 et 90 , et de préférence comme indiqué sur la figure 2, à un angle d'environ 60 avant ce PMHe. Avantageusement et comme cela est montré par la courbe 22" de la figure 2, la loi de levée de cette soupape d'échappement peut encore différer de celle de la courbe 22' en diminuant sa course (ou levée). Cette levée peut être maximale en mode de combustion à autoallumage contrôlé à une valeur supérieure ou égale à environ la moitié de la levée maximale de cette soupape lors du mode de combustion conventionnelle. A titre d'exemple, cela consiste à diminuer cette levée maximale de la soupape en combustion à autoallumage d'environ 1 /3 de celle de la levée maximale de la soupape à pleine charge mais des valeurs comme 1/4 ou 1/2 conviennent également. De plus, le demandeur a pu constater que, dans le collecteur d'échappement 34, résident des gaz d'échappement qui sont à une pression supérieure à la pression atmosphérique, la différence étant appelée contre- pression échappement. Cette contre-pression est due aux obstacles rencontrés par ces gaz lors de leur cheminement en aval du collecteur. Cette contre-pression est généralement un obstacle à l'évacuation des gaz brûlés contenus dans la chambre de combustion et, de manière habituelle, on cherche à ce qu'elle soit la moins élevée possible. De ce fait et contrairement aux habitudes, le procédé consiste à utiliser cette contre-pression échappement en combinaison avec cette modification de la loi de levée des soupapes d'échappement, et à la faire varier de façon à ce qu'elle s'oppose à la pression des gaz d'échappement qui sortent de la chambre de combustion 12. Ceci permet de contrôler ainsi l'évacuation de ces gaz et en conséquence de contrôler la quantité de gaz brûlés retenue dans la chambre à la fermeture 10 de la soupape d'échappement. Pour ce faire, les moyens de vannage 40 sont utilisés pour faire varier la contre-pression. Ainsi, le calculateur contrôle le micromoteur 46 par la ligne 58 de façon à ce que le volet 42 soit dans une position telle qu'il génère une 15 augmentation de la contre-pression des gaz d'échappement contenus dans le collecteur (ou une diminution de cette contre-pression générée lors d'un précédent cycle d'échappement) en obstruant plus ou moins la sortie 36. Avantageusement, il est prévu que ce volet ne ferme pas complètement la sortie 36 de façon à ne pas générer une contre-pression qui soit égale ou 20 supérieure à la pression d'échappement de la chambre de combustion. Ainsi, la contre-pression vient s'opposer à la pression des gaz d'échappement sortant de la chambre 12 lorsque la soupape d'échappement s'ouvre sans pour cela interdire complètement l'évacuation des gaz. Cette contre-pression, de l'ordre de 50 mbar à 300mbar pour un moteur 25 non suralimenté, permet de freiner cette évacuation et de retenir dans la chambre une quantité de gaz brûlés plus importante lors de la fermeture de la soupape d'échappement à l'angle V1. Cette quantité sera encore plus importante dans la configuration de la loi de levée illustrée par la courbe de 22" où la levée de cette soupape est moins 30 importante que la levée conventionnelle, ce qui permet de retenir encore plus de gaz d'échappement dans cette chambre. A la fermeture de la soupape d'échappement au point V1, le piston continue sa course jusqu'au PMHe en comprimant les gaz brûlés contenus dans la chambre de combustion. A partir de ce point, le moteur entame sa phase d'admission avec une 5 course du piston allant de ce point mort haut (PMHa confondu avec le PMHe) vers le point mort bas admission (PMBa). Durant cette phase, le calculateur commande l'injection de carburant par la ligne 50, désactive les moyens d'allumage 26 et actionne les moyens de commande 30 des soupapes d'admission 16 par la ligne 56 de façon à ce 10 qu'elle s'ouvre au point V2, symétrique au point V1 par rapport au PMHe-PMHa. Cette symétrie permet de faire chuter la pression dans le cylindre due à la compression des gaz brûlés pendant la fin de la phase d'échappement et autorise ainsi l'introduction dans la chambre de combustion du mélange carburé formé dans la tubulure d'admission. 15 Après cette phase d'admission, la phase de compression permet de comprimer le mélange carburé additionné de gaz brûlés résiduels jusqu'à obtenir un autoallumage de ce mélange carburé. Grâce à cette disposition, il est possible de contrôler à tous moments la 20 quantité de gaz brûlés résiduels en agissant sur la contre-pression du collecteur et cela par une simple action sur le volet qui contrôle la sortie 36 vers la ligne d'échappement. Pour le fonctionnement en mode de combustion conventionnelle, le 25 calculateur 48 commande le volet 42 en pleine ouverture de la sortie 36 pour minimiser la contre-pression dans le collecteur et la faire approcher d'une valeur proche de celle de la pression atmosphérique. Ce calculateur actionne également, de manière classique, les moyens de commande des soupapes d'échappement et d'admission pour qu'elles suivent les lois de levées 22 et 16 30 illustrées sur la figure 2 tout en rendant opérationnel les bougies 26 et les injecteurs 32. La présente invention n'est pas limitée à l'exemple de réalisation décrit mais englobe tous équivalents ou variantes. Notamment, il peut être envisagé d'utiliser en lieu et place du volet 42, un 5 robinet à boisseau commandé en rotation par le micromoteur 46. De même les moyens de commande des soupapes d'échappement et/ou d'admission peuvent être un moyen d'actionnement dédié à chaque soupape, comme un actionneur à commande électromagnétique ou hydraulique ou 10 électrohydraulique ou pneumatique ou électropneumatique, qui agit directement ou indirectement sur la tige de soupape. Ceci permet de changer tout aussi bien les angles et durées d'ouverture des soupapes que leurs levées. REVENDICATIONS 1) Procédé de contrôle du fonctionnement d'un moteur à combustion interne avec au moins un cylindre (10) comprenant une chambre de combustion (12), des moyens de commande (28) des lois de levée d'au moins une soupape d'échappement (22) contrôlant l'évacuation des gaz d'échappement vers des moyens d'échappement (34, 38) dans lesquels règne une contre-pression échappement, ledit moteur fonctionnant, pour les faibles et moyennes charges, en un mode de combustion à autoallumage contrôlé durant lequel une rétention de gaz brûlés est réalisée à l'intérieur de la chambre de combustion par diminution de la durée d'ouverture de ladite soupape, caractérisé en ce qu'il consiste, durant ledit mode de combustion, à faire varier la contre-pression échappement pour s'opposer à la pression des gaz d'échappement sortant de ladite chambre de combustion de manière à contrôler la quantité de gaz brûlés résiduels dans cette chambre. 2) Procédé de contrôle selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste à contrôler la circulation des gaz d'échappement dans les moyens d'échappement (34, 38) pour faire varier la contre-pression. 3) Procédé de contrôle selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste à diminuer la durée d'ouverture de la soupape d'échappement (16) par fermeture de ladite soupape à un angle de vilebrequin compris entre 60 et 120 et avantageusement entre 60 et 90 , et de préférence à un angle d'environ 60 avant le point mort haut échappement. 4) Procédé de contrôle selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste à diminuer la levée de la soupape d'échappement (16). 5) Procédé de contrôle selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il consiste à diminuer la levée de la soupape d'échappement (16), lors du mode de combustion à autoallumage contrôlé du moteur, d'une valeur inférieure ou égale à environ la moitié de la levée maximale de cette soupape lors du mode de combustion conventionnelle. 6) Procédé de contrôle selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce qu'il consiste à diminuer la levée d'une valeur comprise entre 1/4 et 1/2 de la levée conventionnelle de la soupape d'échappement. 7) Moteur à combustion interne avec au moins un cylindre (10) comprenant une chambre de combustion (12), des moyens de commande (28) des lois de levée d'au moins une soupape d'échappement (22), et des moyens d'échappement (34, 38) dans lesquels règne une contre-pression échappement, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de variation (40) de la contre-pression échappement. 8) Moteur à combustion interne selon la revendication 7, caractérisé en ce que les moyens de variation comprennent des moyens de vannage (40) placés entre la sortie (36) du collecteur d'échappement (34) et la ligne d'échappement (38). 9) Moteur à combustion interne selon la revendication 8, caractérisé en ce que les moyens de vannage comprennent un volet (42) basculant autour d'un axe (44). 10) Moteur à combustion interne selon la revendication 8, caractérisé en 25 ce que les moyens de vannage comprennent un robinet à boisseau.