Brevet FR2913066A1 — publié le 20080829

La présente invention se rapporte à un procédé pour faciliter la vaporisation d'un carburant dans un moteur à combustion interne. Elle concerne plus particulièrement la vaporisation de carburant pour des 5 moteurs à injection directe ou indirecte de carburant avec allumage commandé ou par compression du mélange carburé. Il est déjà connu de réaliser une telle vaporisation dans un moteur à injection indirecte en injectant ce carburant sous forme liquide ou sous forme de 10 fines gouttelettes dans des gaz très chauds, comme les gaz d'échappement du moteur. Au contact de ces gaz, le carburant se vaporise en un brouillard qui pourra de ce fait mieux se mélanger avec le fluide d'admission introduit dans le moteur. Ce fluide peut être de l'air ou de l'air comprimé dans le cas d'un moteur suralimenté. 15 Cette meilleure vaporisation de carburant a pour avantage de réduire les émissions d'oxydes de carbone (CO) et d'hydrocarbures imbrûlés (HC) lors de la combustion du mélange carburé. Comme cela est mieux décrit dans le brevet FR 2 683 862 du demandeur, 20 un moteur de ce type comprend un cylindre avec une tubulure d'admission d'un mélange carburé contrôlée par une soupape d'admission, une tubulure d'échappement avec une soupape d'échappement et un conduit auxiliaire contrôlé par un moyen de vannage, comme une soupape auxiliaire. Ce conduit est constitué soit par un passage reliant la tubulure d'échappement avec la 25 tubulure d'admission, soit par un canal mettant en communication la chambre de combustion avec la tubulure d'admission. Durant la phase d'échappement du moteur, le moyen de vannage est en position d'ouverture pendant un court instant et une fraction des gaz d'échappement, circulant dans la tubulure d'échappement ou présente dans la 30 chambre de combustion, est dirigée vers la tubulure d'admission. L'injecteur de carburant est ensuite actionné en projetant du carburant dans les gaz d'échappement contenus dans cette tubulure. Compte tenu de la température élevée de ces gaz, le carburant se vaporise plus facilement dans un délai très court et un mélange carburé quasiment homogène est réalisé dans la tubulure. Ainsi, lors de la phase d'admission, le mélange carburé admis dans la chambre de combustion est un mélange quasiment homogène résultant de la combinaison de la fraction des gaz d'échappement, du carburant et de l'air admis dans la tubulure d'admission. Cette disposition, bien que donnant satisfaction, présente des 10 inconvénients non négligeables. En effet, pour pouvoir réaliser la vaporisation du carburant, il est nécessaire de réaliser un conduit auxiliaire au sein de la culasse. La réalisation d'un tel conduit complique le moulage de la culasse et nécessite de prévoir un 15 emplacement libre de toute circulation de fluide, comme le liquide de fluide de refroidissement. De plus, le moyen de vannage doit être placé sur ce conduit, ce qui peut s'avérer difficile à réaliser compte tenu de son emplacement. En outre, il doit être prévu un moyen de commande spécifique de ce 20 moyen de vannage, comme un arbre à cames additionnel dans le cas d'une soupape auxiliaire, ce qui grève largement le coût de réalisation de la culasse. La présente invention se propose de remédier aux inconvénients ci-dessus mentionnés grâce à un procédé utilisant les éléments habituellement 25 présents dans un moteur. A cet effet, l'invention concerne un procédé pour faciliter la vaporisation d'un carburant dans un moteur à combustion interne à quatre temps comportant au moins un cylindre avec une chambre de combustion, au moins un moyen 30 d'admission avec une tubulure d'admission et une soupape d'admission, au moins un moyen d'échappement avec une tubulure d'échappement et une soupape d'échappement, des moyens de commande en ouverture/fermeture des soupapes et des moyens d'injection de carburant, caractérisé en ce qu'il consiste : - à ouvrir la soupape d'admission et la soupape d'échappement au voisinage du début de la phase d'échappement des gaz brûlés du moteur, - à fermer la soupape d'admission avant la fin de la phase d'échappement pour retenir des gaz brûlés dans la tubulure d'admission, - au voisinage du début de la phase d'admission, à fermer la soupape d'échappement et à ouvrir à nouveau la soupape d'admission pour réintroduire, dans la chambre de combustion, les gaz brûlés contenus dans la tubulure d'admission. Le procédé peut consister à réaliser une succession d'ouvertures et de fermetures de la soupape d'admission lors de la rétention des gaz brûlés dans la tubulure d'admission. Le procédé peut consister à réaliser au moins une injection de carburant dans les gaz brûlés retenus dans la tubulure d'admission. Le procédé peut consister à réaliser au moins une injection de carburant 20 dans les gaz brûlés réintroduits dans la chambre de combustion. Le procédé peut consister, au voisinage du début de la phase d'échappement des gaz brûlés du moteur, à ouvrir la soupape d'admission avant la soupape d'échappement. Les moyens de commande cl'au moins la soupape d'admission peuvent permettre de faire varier la loi de levée de ladite soupape. Les autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux 30 décrits à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre uniquement illustratif et non limitatif, et en se référant aux dessins sur lesquels : 25 - les figures 1 à 3 sont des schémas d'un moteur à injection indirecte illustrant le déroulement des différentes étapes du procédé selon l'invention et - les figures 4 à 6 sont des schémas d'un moteur à injection directe avec le procédé selon l'invention. Sur les figures 1 à 3, le moteur à combustion interne à quatre temps (ou quatre phases) comprend au moins un cylindre 10 avec un corps de cylindre 12 à l'intérieur duquel coulisse un piston 14 dans un mouvement alternatif rectiligne sous l'effet d'une bielle commandée par un vilebrequin (non représentés). Le corps de cylindre est fermé, en partie haute, par une culasse 16 en délimitant une charnbre de combustion 18 formée par la paroi latérale du corps de cylindre, la culasse et la partie supérieure du piston. La culasse porte au moins un moyen d'admission avec une tubulure d'admission 20 dont le débouché dans la chambre de combustion est contrôlé par une soupape d'admission 22. La culasse porte également au moins un moyen d'échappement avec une tubulure d'échappement 24 dont la communication avec la chambre de combustion est contrôlée par une soupape d'échappement 26. Les soupapes d'admission et/ou d'échappement sont commandées en ouverture/fermeture par des moyens 28 et 30 permettant de faire varier les lois de levées de ces soupapes, tant au niveau de leurs moments d'ouverture/fermeture qu'au niveau de leurs levées, et cela indépendamment les unes des autres ou de manière associée. Ces moyens sont plus connus sous le sigle de VVT (Variable Valve Timing) ou VVL (Variable Valve Lift) ou VVA (Variable Valve Actuation). Il peut être aussi envisagé de contrôler cette soupape d'admission et éventuellement la soupape d'échappement par des moyens de commande, dits "camless", qui ne comportent aucun arbre à cames. [)ans ce cas, le moteur comprend un moyen d'actionnement dédié à chaque soupape, comme un actionneur à commande électromagnétique ou hydraulique ou électrohydraulique ou pneumatique ou électropneumatique, qui agit directement ou indirectement sur la tige des soupapes. Dans l'exemple décrit en relation avec les figures 1 à 3, la soupape d'échappement 26 est commandée en ouverture/fermeture par des moyens conventionnels 30, comme un arbre à cames, alors que la soupape d'admission est contrôlée par des moyens 28 permettant de faire varier sa loi de levées, en particulier par des moyens de type WA. Le moteur décrit est un moteur à injection indirecte avec des moyens d'injection de carburant 32 (symbolisés par un trait d'axe sur ces figures) portés par la culasse qui projettent du carburant dans la tubulure d'admission 20 de façon à réaliser un mélange carburé avec le fluide qui y circule avant son introduction dans la chambre de combustion 18. De manière préférentielle, ces moyens d'injection comportent un injecteur mono ou multi-jets de carburant. Ce type d'injection de carburant peut être avantageusement associé à des 20 moyens d'allumage du mélange carburé présent dans la chambre 18, comme un allumage commandé par une bougie (non représentée). Les moyens de commandes 28 de la soupape d'admission ainsi que les moyens d'injection de carburant 32 sont contrôlés par une unité de calcul (non 25 représentée), plus communément appelée calculateur-moteur, que comporte habituellement un moteur. Bien entendu, dans le cas où les moyens de commandes 30 de la soupape d'échappement sont des moyens de type "camless" ou du type permettant de faire varier les lois de levées de ces soupapes, le calculateur contrôlera également ces moyens de commande. 30 Ce calculateur a pour fonction notamment de commander en ouverture/fermeture les soupapes ainsi que de contrôler les paramètres d'injection de l'injecteur, comme le moment d'injection dans le cycle du moteur, la durée d'injection de carburant... La description du procédé qui va suivre se fera en relation avec un moteur 5 à injection indirecte associant la figure 1 aux figures 2 et 3. Dans le cas du moteur à injection indirecte, la figure 1 montre la configuration de ce moteur après la fin de la phase de détente durant laquelle le mélange carburé contenu dans la chambre 18 a subi une combustion en 10 générant de l'énergie pour entraîner le piston à son point mort bas détente (PMBd). Au terme de cette combustion, la chambre de combustion ne contient que des gaz brûlés 34 (ou gaz d'échappement). Après cette détente, le piston 14 est entraîné sous l'effet de la bielle et du vilebrequin pour une phase d'échappement durant laquelle il suit un 15 mouvement vertical vers le haut (flèche F des figures 1 et 2) partant de son PMBd pour aller à son point mort haut admission (PMHa de la figure 3). Au voisinage du PMBd, le calculateur contrôle les moyens de commande 28 de façon à ce que la soupape d'admission 22 soit en position ouverte alors que la soupape d'échappement 26 est conventionnellement 20 ouverte sous l'action de l'arbre à cames 30. Dans cette position, les gaz brûlés 34 contenus dans la chambre de combustion sont évacués de cette chambre sous l'effet du mouvement du piston 14 à la fois par la tubulure d'admission 20 et par la tubulure d'échappement 24. Après un déplacement limité du piston 14 qui correspond à quelques 25 dizaines de degrés d'angle de rotation de vilebrequin (V" sur la figure 2) à partir du PMBd, le calculateur commande la fermeture de la soupape d'admission 22 et la soupape d'échappement 26 reste de manière conventionnelle dans sa position d'ouverture. Dans cette configuration, des gaz brûlés sont présents dans la tubulure d'admission et les gaz brûlés de la chambre de combustion 18 30 sont évacués uniquement par la tubulure d'échappement (figure 2). A la fin de cette phase d'échappement et au début de la phase d'admission, le piston 14 se trouve au PMHa (figure 3). Au voisinage de ce PMHa, la soupape d'échappement 26 est en position de fermeture et le calculateur commande alors la réouverture de la soupape d'admission 22 par les moyens 28 ainsi que l'injection de carburant par l'intermédiaire de l'injecteur 32. Cette injection de carburant dans les gaz brûlés chauds contenus dans la tubulure d'admission a pour effet de vaporiser ce carburant au contact de ces gaz tout en se mélangeant avec ceux-ci. Ceci permet d'obtenir une charge quasiment homogène résultant d'un mélange entre les gaz et le carburant. Bien entendu, il peut aussi être envisagé d'injecter le carburant avant que le piston n'atteigne son PMHa. Pendant la poursuite de la phase d'admission durant laquelle le piston 14 réalise un mouvement descendant (flèche F' de la figure 3) et la soupape d'admission est maintenue en position ouverte, la charge de gaz brûlés et de carburant contenue dans la tubulure d'admission est introduite dans la chambre de combustion. Par la suite, un fluide, comme de l'air suralimenté ou non suralimenté, parcoure la tubulure d'admission 20 en s'y mélangeant avec le carburant provenant de l'injecteur 32. Ce mélange carburé pénètre ensuite dans la chambre de combustion 18 qui contient déjà la charge de gaz brûlés et de carburant. Au contact de cette charge, qui est à une température plus élevée que le mélange carburé, le carburant contenu dans ce mélange finit de se vaporiser et s'allie de façon plus intime avec le fluide. Grâce à cela, le mélange obtenu dans la chambre 18 lors de la fermeture de la soupape d'admission 22 au voisinage de la fin de la phase d'admission 25 est un mélange carburé quasiment homogène. Comme cela est connu, le mode opératoire du moteur se poursuit par une phase de compression du mélange carburé et sa combustion. 30 Pendant la phase d'échappement avec ouverture de la soupape d'admission décrite ci-dessus, il peut être prévu d'injecter le carburant au fur et à mesure de l'introduction des gaz brûlés dans la tubulure d'admission. Ceci aura pour effet d'obtenir également une charge avec un mélange homogène entre ces gaz brûlés et le carburant lors de la fermeture de la soupape d'admission à la position V . Il peut être également prévu de réaliser une succession de cycles d'ouverture/fermeture de la soupape d'admission associés à une injection de carburant jusqu'à la fermeture programmé à V de cette soupape. Ceci a pour effet de minimiser la baisse de température locale des gaz brûlés lorsque les calories qu'ils contiennent sont utilisées pour vaporiser le carburant injecté dans la tubulure d'admission. Bien entendu, l'homme du métier fera en sorte de fermer la soupape d'admission à V dans la phase d'échappement du moteur de manière à ce que les gaz brûlés présents dans la tubulure d'admission ne soient pas évacués vers l'extérieur du moteur mais soient uniquement confinés dans cette tubulure d'admission (ou au pire dans le collecteur d'admission). De manière avantageuse, ill est prévu que, au début de la phase d'échappement, la soupape d'admission 22 s'ouvre avant l'ouverture de la soupape d'échappement 26. Cette soupape d'admission se referme ensuite au point V quasiment simultanément à l'ouverture de la soupape d'échappement ou très peu de temps après son ouverture. Bien entendu, toutes autres configurations entre ces deux soupapes ne sont pas écartées, comme une ouverture simultanée de celles-ci au début de la phase d'échappement. Dans l'exemple montré aux figures 4 à 6, le moteur illustré se différencie de celui des figures 1 à 3 par le fait qu'il comprend des moyens d'injection de carburant 36 (symbolisés par un trait d'axe sur ces figures) qui permettent d'injecter le carburant directement dans la chambre de combustion. Ce moteur comporte des moyens d'allumage du mélange carburé présent dans la chambre 18, soit par allumage contrôlé, comme une bougie (non30 représentée), soit par compression de ce mélange carburé avec autoinflammation. Comme déjà mentionné en relation avec la figure 1, le moteur à injection directe de la figure 4 est dans une configuration après la fin de la phase de détente et au début de la phase d'échappement. Dans cette configuration, le piston 14 suit un mouvement vertical vers le haut (flèche F des figures 4 et 5) partant de son PMBd pour aller à son PMHa de la figure 6. Comme décrit précédemment, le calculateur contrôle les moyens de commande 28 de façon à ce que la soupape d'admission 22 soit en position ouverte alors que la soupape d'échappement 26 est conventionnellement ouverte sous l'action de l'arbre à cames 30. Les gaz brûlés 34 sont ainsi évacués de la chambre de combustion 18 par la tubulure d'admission 20 et par la tubulure d'échappement 24. Après un déplacement du piston 14 selon la flèche F jusqu'à la position V de la figure 5 (correspondant à quelques dizaines de degrés d'angle de rotation de vilebrequin à partir du PMBd), la soupape d'admission 22 est commandée en fermeture en retenant ainsi une quantité de gaz brûlés dans la tubulure d'admission et la soupape d'échappement 26 reste ouverte de façon à évacuer les gaz brûlés de la chambre de combustion 18. A la fin de cette phase d'échappement et au début de la phase d'admission (figure 6), la soupape d'échappement 26 est en position de fermeture et le calculateur commande alors la réouverture de la soupape d'admission 22 par les moyens 28. Sous l'effet du mouvement descendant du piston 14 (flèche F' de la figure 6) pendant la phase d'admission, les gaz brûlés contenus dans la tubulure d'admission 20 sont réintroduits dans la chambre de combustion 18. Le calculateur commande également l'injection de carburant par l'intermédiaire de l'injecteur 36 dans les gaz brûlés réadmis dans la chambre de combustion. Le contact entre le carburant injecté et les gaz brûlés chauds facilite alors la vaporisation de ce carburant et permet d'obtenir une charge avec une composition quasiment homogène entre les gaz et le carburant. Dans la suite du déroulement de la phase d'admission, la soupape d'admission 22 est maintenue en position ouverte et un fluide, comme de l'air suralimenté ou non suralimenté, est introduit dans la chambre par la tubulure d'admission 20. Comme l'injection de carburant est maintenue pendant la phase d'admission, le fluide introduit dans la chambre de combustion se mélange avec le carburant injecté ainsi qu'avec la charge carburée déjà présente dans cette chambre. Le carburant injecté peut ainsi mieux se vaporiser sous l'effet de la température de la charge carburée contenue dans la chambre et l'homogénéité du mélange carburé obtenu est grandement améliorée. Ainsi, au voisinage de la fin de la phase d'admission, le mélange obtenu dans la chambre 18, lors de la fermeture de la soupape d'admission 22, est un mélange carburé quasiment homogène qui subira ensuite les phases conventionnelles du moteur (phase de compression et de détente). Comme pour l'exemple des figures 1 à 3, il pourra aussi être envisagé de réaliser une succession d'injections de carburant jusqu'à la fin de l'introduction des gaz brûlés dans la chambre de combustion de manière à maîtriser la baisse de température locale des gaz brûlés lors du mélange avec le carburant. La présente invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation décrits ci-dessus mais englobe toutes variantes et tous équivalents. REVENDICATIONS 1) Procédé pour faciliter la vaporisation d'un carburant dans un moteur à combustion interne à quatre temps comportant au moins un cylindre (10) avec une chambre de combustion (18), au moins un moyen d'admission avec une tubulure d'admission (20) et une soupape d'admission (22), au moins un moyen d'échappement avec une tubulure d'échappement (24) et une soupape d'échappement (26), des moyens de commande (28, 30) en ouverture/fermeture des soupapes et des moyens d'injection de carburant (32, 36), caractérisé en ce qu'il consiste : - à ouvrir la soupape d'admission (22) et la soupape d'échappement (26) au voisinage du début de la phase d'échappement des gaz brûlés du moteur, - à fermer la soupape d'admission (22) avant la fin de la phase d'échappement pour retenir des gaz brûlés dans la tubulure d'admission (20), - au voisinage du début de la phase d'admission, à fermer la soupape d'échappement (26) et à ouvrir à nouveau la soupape d'admission (22) pour réintroduire, dans la chambre de combustion, les gaz brûlés contenus dans la tubulure d'admission (20). 2) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste à réaliser une succession d'ouvertures et de fermetures de la soupape d'admission (22) lors de la rétention des gaz brûlés dans la tubulure d'admission (20). 3) Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il consiste à réaliser au moins une injection de carburant dans les gaz brûlés retenus dans la tubulure d'admission. 4) Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il 30 consiste à réaliser au moins une injection de carburant dans les gaz brûlés réintroduits dans la chambre de combustion. 5) Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il consiste, au voisinage du début de la phase d'échappement des gaz brûlés du moteur, à ouvrir la soupape d'admission (22) avant la soupape d'échappement (26). 6) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de commande (28) d'au moins la soupape d'admission (22) permettent de faire varier la loi de levée de ladite soupape.