FR2705729A1 - Moteur à combustion à injection directe et procédé pour le faire fonctionner. - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un moteur à combustion multicylindres à injection directe et un procédé pour le faire fonctionner, dans lequel les cylindres du moteur sont remplis, de manière régulée et stratifiée, avec des quantités de gaz d'échappement provenant de cylindres dont les pistons sont montés sur les manetons de vilebrequin avec un angle du vilebrequin-coude identique. De préférence, la stratification des gaz d'échappement s'effectue de façon qu'il se forme, dans le cylindre, une concentration tournante, sensiblement en forme de pot, de gaz d'échappement, à l'intérieur de laquelle de l'air frais est aspiré pour compléter le remplissage de la chambre du cylindre. A l'issue de la compression de cette stratification de gaz dans le cylindre, du carburant est injecté directement dans l'air frais et ensuite enflammé à l'aide d'une bougie d'allumage. La quantité de gaz d'échappement admise, la quantité résiduelle du gaz frais aspiré et la quantité du carburant injectée sont dosées de façon à conserver en permanence une valeur de lambda = 1, indépendamment du point de charge du moteur.
Description
L'invention concerne un procédé pour faire fonctionner un moteur à
combustion multicylindres avec optimisation de ses gaz d'échappement et de sa consommation, dans lequel une stratification tournante de gaz d'échappement remis en circulation et d'air frais est effectuée avant la course de compression d'un piston à l'aide d'un dispositif placé sur le cylindre du moteur, les gaz d'échappement sont introduits dans le cylindre du moteur en quantités différentes et de manière régulée en fonction de la charge du10 moteur, et les gaz d'échappement destinés à remplir un cylindre du moteur sont prélevés sur le cycle d'évacuation des gaz d'échappement d'un autre cylindre du moteur dont le piston est monté sur un maneton de vilebrequin avec un angle du vilebrequin-coude identique, le prélèvement de gaz d'échappement sur l'autre cylindre s'effectuant dans la zone
de la position de point mort bas du piston correspondant.
Elle concerne également un moteur à combustion à injection directe, dans lequel sont disposés, dans un
bloc-moteur, des cylindres de moteur dans lesquels des pis-
tons articulés sur un vilebrequin peuvent se déplacer en va-et-vient de manière cyclique, dans lequel chaque cylindre est fermé à son extrémité supérieure par une culasse, au moins une soupape d'admission d'air et une soupape d'échappement de gaz d'échappement ainsi qu'une soupape d'injection de carburant et une bougie d'allumage sont disposées dans la culasse de chaque cylindre, chaque cylindre comporte, dans la zone du point mort bas UT du déplacement du piston, au moins deux ouvertures d'admission de gaz d'échappement qui sont disposées tangentiellement à la périphérie du cylindre et de manière décalée, qui sont destinées aux canaux de remise en circulation des gaz
d'échappement et qui sont reliées à d'autres cylindres.
La revue Motortechnische Zeitschrift n 50, 1989, pages 426 à 430 divulgue un moteur quatre temps à allumage commandé à injection directe, dans lequel l'air de combustion est comprimé dans un cylindre du moteur à l'aide d'un piston du moteur qui comporte une auge de piston au centre de son côté tourné vers la bougie d'allumage. A l'aide d'un injec- teur, du carburant est injecté dans cette auge de piston à proximité de la position de point mort haut du piston. Ce5 carburant se mélange à l'air de combustion, aspiré dans le cylindre sous une forte turbulence, pour créer un mélange détonant qui est enflammé par une bougie d'allumage se trouvant au-dessus de l'auge de piston. A la fin des années 1980, cette configuration de la chambre de combustion a permis de réaliser avec un moteur expérimental une consommation de carburant jusqu'à 25 % inférieure à celle de moteurs comparables. Ce concept de chambre de combustion avait pour inconvénient que le moteur rejetait des émissions de NOX relativement élevées, que les catalyseurs de l'époque ne pouvaient pas ramener à la valeur
limite prescrite par la loi.
On connaît également, par le document DE-OS 32 48 918, un moteur à combustion à carburateur et remise en circulation des gaz d'échappement ainsi qu'un procédé pour faire fonctionner ce moteur, dans lequel une partie des gaz d'échappement du moteur est renvoyée sélectivement aux cylindres. Par l'intermédiaire d'un canal de remise en circulation des gaz d'échappement, les gaz d'échappement sont aspirés tangentiellement dans le cylindre du moteur par plusieurs ouvertures d'admission situées dans la zone de la position de point mort bas du piston du moteur, de façon que les gaz d'échappement tourbillonnent le long de la paroi intérieure du cylindre du moteur concerné et que le mélange air-carburant préalablement aspiré soit concentré dans la zone centrale du cylindre en dessous de la bougie d'allumage. Lors d'un mouvement ascendant du piston en direction de la bougie d'allumage, la colonne annulaire de gaz d'échappement et la colonne cylindrique d'air- carburant
qui y est incluse sont comprimées. Dans la zone de la po-
sition de point mort haut du piston, le mélange air-carburant est enflammé par la bougie d'allumage, et le piston est déplacé vers le bas de manière connue par la pression de combustion augmentée, la soupape d'échappement des gaz d'échappement étant alors ouverte. Dès que le piston franchit5 l'ouverture d'admission des gaz d'échappement remis en circulation lors de son mouvement descendant, une partie du courant de gaz d'échappement provenant du processus de combustion précédent est envoyée à un autre cylindre du moteur et traverse sous pression une ouverture d'admission10 tangentielle décrite. De cette manière, il se crée également dans cet autre cylindre, comme décrit ci-dessus, une colonne cylindrique de gaz d'échappement, au centre de laquelle est
concentré le mélange air-carburant.
L'envoi des gaz d'échappement dans les différents cylindres du moteur s'effectue par plusieurs ouvertures d'admission de gaz d'échappement, qui débouchent en position tangentielle dans le cylindre du moteur dans la zone de point mort bas du déplacement du piston. Ces ouvertures d'admission de gaz d'échappement sont reliées à des conduites de remise en circulation des gaz d'échappement, de façon que les cylindres soient reliés entre eux suivant un écart de 360 dans l'ordre d'allumage. Cela signifie que, par exemple, le premier et le troisième cylindre et le quatrième et le deuxième cylindre du moteur peuvent échanger des gaz
d'échappement entre eux.
Pour faire fonctionner ce moteur à combustion, dans une première étape du procédé, un mélange combustible
air-carburant ou un courant d'air est aspiré en tourbil-
lonnant dans le cylindre du moteur lors de la course d'admission. Des gaz d'échappement provenant d'un cylindre disposé selon un écart de 360 dans l'ordre d'allumage sont ensuite admis tangentiellement dans le cylindre, afin d'obtenir une charge stratifiée constituée d'air ou d'un mélange air-carburant et de gaz d'échappement. La compression consécutive de la charge stratifiée par le déplacement du piston vers le haut est suivie par l'allumage du mélange inflammable air-carburant et par une détente de la charge du cylindre. Dans la dernière étape opératoire, les gaz d'échappement sont évacués du cylindre par l'intermédiaire de la soupape d'échappement des gaz d'échappement et des ouvertures d'échappement des gaz d'échappement. Ce moteur à combustion et le procédé pour faire fonctionner un moteur de ce type ont pour inconvénient que les valeurs de consommation de carburant exigées aujourd'hui ne peuvent pas être atteintes et que les valeurs d'émission de gaz d'échappement ne répondent pas aux réglementations légales actuelles. De plus, il s'est avéré que, dans la plage de charge partielle ou même de ralenti du moteur, la pression des gaz d'échappement est trop basse pour transférer des gaz d'échappement en quantité suffisante dans le cylindre aspirant. Dans la plage de charge partielle supérieure du moteur, il existe en outre un risque de mélange des gaz d'échappement et des gaz frais dans le tuyau d'aspiration des gaz frais si les gaz d'échappement doivent faire refluer les gaz frais préalablement admis dans le cylindre.20 Enfin, on connaît par le document DE-OS 35 16 038
un moteur à carburateur destiné à réaliser, au moyen de di-
verses soupapes d'admission implantées dans la culasse de chaque cylindre du moteur, une stratification d'air frais ou d'un mélange air frais-gaz d'échappement. Dans un exemple de réalisation, ces strates doivent être disposées de façon qu'au fond du cylindre et contre les parois du cylindre soit concentré un mélange pauvre et qu'au centre, en dessous de la bougie d'allumage, soit concentré le mélange inflammable air-carburant. L'invention a donc pour but de fournir un moteur à combustion à injection directe, dont la charge de chambre de combustion est stratifiée, et un procédé pour faire fonctionner un tel moteur, dans le but de ramener la consommation de carburant au niveau de celle d'un moteur Diesel et d'atteindre des valeurs d'émission de gaz d'échappement fortement réduites dans toutes les plages de charge. L'invention propose à cet effet un procédé qui se caractérise en ce que pour remplir le cylindre du moteur, une quantité de gaz d'échappement dépendante de la charge est5 d'abord introduite de manière dosée, dans une direction sensiblement tangentielle, dans le cylindre de moteur à l'aide d'au moins une soupape de régulation des gaz d'échappement, en ce qu'une quantité résiduelle d'air frais est aspirée pour compléter le remplissage du cylindre, la quantité aspirée d'air frais étant dosée par l'ouverture d'une soupape d'admission, en même temps que les gaz d'échappement préalablement admis et que la quantité de carburant injectée, de façon à obtenir en permanence une valeur de A = 1 indépendamment de la charge du moteur, en ce que la charge stratifiée du cylindre est ensuite comprimée par le piston du cylindre, en ce que du carburant est alors injecté directement dans l'air frais se trouvant dans le cylindre et le mélange air-carburant obtenu est ensuite enflammé, et en ce que, dans la phase de détente consécutive, une soupape d'échappement des gaz d'échappement placée dans le cylindre n'est ouverte en fonction de la charge que lorsque la pression intérieure du cylindre est encore suffisamment élevée pour évacuer la quantité de gaz
d'échappement nécessaire au remplissage de l'autre cylindre.
Suivant des dispositions préférées, éventuellement combinées: - les gaz d'échappement remis en circulation sont introduits dans le cylindre, de manière tangentielle et/ou décalée radialement, dans la zone de la position de point mort bas du piston, de sorte qu'il se crée dans le cylindre de préférence une concentration de gaz d'échappement en forme de pot, au centre de laquelle se trouve de l'air frais;
- les gaz d'échappement introduits tangentielle-
ment dans le cylindre sont stratifiés verticalement contre la paroi intérieure du cylindre sous forme de courants partiels de gaz d'échappement; - dans chaque plage de charge, les cylindres du moteur sont entraînés sans étranglement et avec une chambre de cylindre complètement remplie en permanence. L'invention propose également un moteur à explosion dans lequel chaque cylindre comporte en outre au moins deux autres ouvertures d'admission de gaz d'échappement qui sont décalées radialement à la périphérie du cylindre, les ouvertures d'admission de gaz d'échappement sont disposées les unes par rapport aux autres, de façon que,10 grâce à elles, le gaz d'échappement remis en circulation et introduit dans le cylindre forme de préférence une accumulation tournante, sensiblement en forme de pot, qui comporte une ligne de délimitation et à l'intérieur de laquelle peut être concentré de l'air frais admis de manière dosée par la soupape d'admission d'air, et du carburant peut être injecté directement dans le cylindre à travers la soupape d'injection de carburant et enflammé au moyen de la
bougie d'allumage.
Suivant des dispositions préférées, éventuellement combinées et relatives au moteur: - les ouvertures d'admission de gaz d'échappement des différents cylindres sont reliées entre elles par des canaux de remise en circulation des gaz d'échappement; - chacun des canaux de remise en circulation des gaz d'échappement relie entre eux au moins deux cylindres dont les pistons sont montés sur des manetons de vilebrequin avec un angle du vilebrequin-coude identique, de sorte que, dans le cas d'un moteur quatre temps à quatre cylindres, le premier cylindre est relié au quatrième cylindre et le deuxième cylindre est relié au troisième cylindre par l'intermédiaire de ces canaux de remise en circulation des gaz d'échappement; - au moins une soupape de régulation des gaz d'échappement est implantée sur chacun des canaux de remise
en circulation des gaz d'échappement ou sur chacun des col-
lecteurs de gaz d'échappement; - les canaux de remise en circulation des gaz d'échappement possédant une géométrie et une position d'admission identiques sont décalés de préférence d'environ 180 les uns par rapport aux autres sur la périphérie du cylindre; - les ouvertures d'admission de gaz d'échappement disposées tangentiellement sur la périphérie du cylindre débouchent dans la chambre du cylindre en étant découpées verticalement vers le haut, de façon à former, dans la zone10 de la paroi intérieure du cylindre, des courants hélicoidaux de gaz d'échappement qui se superposent en forme de strates; - la soupape d'injection de carburant est conçue sous la forme d'une soupape d'injection à assistance pneumatique, dans laquelle le carburant est intercepté par un courant d'air porteur dans la soupape et, après avoir franchi l'ouverture de la soupape, est pulvérisé en très fines
particules de carburant.
Le concept de moteur proposé se présente sous la forme d'un moteur à combustion multicylindres à injection directe, dans lequel une régulation X = 1 peut être réalisée dans la plage de charge partielle sans étranglement de
l'aspiration. A cet effet, il est prévu que lors du rem-
plissage de chaque cylindre du moteur à combustion, des gaz d'échappement remis en circulation sont aspirés dans la chambre du cylindre de façon à y former une concentration tournante, sensiblement en forme de pot, de gaz d'échappement remis en circulation. A l'intérieur de cette structure gazeuse en forme de pot est ensuite aspirée une quantité résiduelle d'air frais, du carburant étant injecté directement dans l'air frais comprimé au niveau du point mort haut, de façon à atteindre en permanence une valeur X = 1 dans la chambre de combustion indépendamment de la charge du moteur. Depuis les points de charge " ralenti " jusqu'à " pleine charge ", la quantité de gaz d'échappement remis en circulation est réduite de manière continue par l'intermédiaire de la régulation X = 1 à l'aide de soupapes de régulation. La chambre de combustion est donc toujours entièrement remplie de gaz, de sorte qu'il règne, dans la chambre de combustion des cylindres, une pression finale de compression optimale et une température de compression5 optimale sur toute la plage de fonctionnement du moteur. Cela a pour effet d'améliorer le rendement thermique et donc la consommation de carburant, ce qui a des répercussions positives en particulier dans les plages de ralenti et de
charge partielle.
En raison de la consommation de carburant forte- ment réduite, le fonctionnement non étranglé, en particulier dans la plage de charge partielle proche du ralenti, se traduit par une réduction considérable de la quantité de C02 émise. En raison de la remise en circulation " court-circuitée " des gaz d'échappement d'un cylindre à
l'autre, l'émission brute, en particulier de N0x, est éga-
lement réduite dans la plage de charge partielle par rapport aux moteurs conformes à l'état de la technique. De plus, la régulation X = 1 permanente dans un moteur à combustion à charge stratifiée permet, même dans les plages de charge partielle et de ralenti, d'utiliser les catalyseurs à trois voies éprouvés, ce qui permettra, avec une émission brute réduite, de respecter les valeurs limites imposées à l'avenir
aux gaz d'échappement.
L'invention sera décrite à l'aide d'un exemple de réalisation, en référence aux dessins annexés sur lesquels: - la figure 1 est une coupe transversale d'un
bloc-moteur d'un moteur multicylindres dans la zone d'un cy-
lindre du moteur, - la figure 2 est une coupe d'un cylindre de moteur, avec vue sur les canaux d'admission de gaz d'échappement, - la figure 3 est une coupe transversale de la figure 2 dans la zone III, - la figure 4 est une coupe longitudinale de la figure 2 dans la zone IV, - les figures 5a à 7b sont des coupes transversales d'un cylindre de moteur à charge stratifiée, montrant respectivement son état lors des phases de remplissage et de compression, et5 - la figure 8 est une représentation schématique de l'agencement des canaux de remise en circulation des gaz
d'échappement entre les cylindres d'un moteur à combustion à quatre cylindres. Dans la coupe transversale d'un moteur à combus-
tion multicylindres, représentée schématiquement sur la figure 1, le repère 1 désigne le bloc-moteur et le repère 2 un cylindre du moteur. Le cylindre de moteur est obturé de façon étanche vers le haut par une culasse 3 que traversent une conduite 8 d'admission d'air frais pouvant être fermée par une soupape d'admission 18 ainsi qu'une conduite d'échappement 9 pouvant être fermée par une soupape de sortie 19. De plus, la culasse 3 est traversée par une soupape d'injection 10 destinée à injecter directement le carburant et par une bougie d'allumage 11 qui pénètre dans la chambre 2 du cylindre. La commande des soupapes d'admission et d'échappement 18, 19 s'effectue de préférence à des moments variables afin de réaliser, dans le cylindre, la
stratification des gaz d'échappement conforme à l'invention.
Le cylindre 2 est obturé de façon étanche vers le bas par un piston 5 à déplacement alternatif qui est relié au
vilebrequin 7 du moteur par une tige de piston 6.
Dans la zone du point mort bas UT du déplacement du piston sont indiqués des canaux 30, 30' de remise en circulation des gaz d'échappement, qui débouchent dans le cylindre 2 du moteur. Ils permettent d'injecter des gaz d'échappement, provenant d'un autre cylindre du moteur à combustion, directement en mode de court-circuit dans le
cylindre 2 du moteur, dès que le piston 5 libère les ou-
vertures d'admission de gaz d'échappement des canaux 30, 30' de remise en circulation des gaz d'échappement. Les ouvertures 20, 20', 21, 21', 22, 22' d'admission de gaz d'échappement sont ménagées sur le cylindre de moteur de façon à former, dans un mode de fonctionnement préféré du moteur, une concentration de gaz d'échappement tournante, sensiblement en forme de pot, dont la ligne de délimitation5 est désignée par 17. L'air frais 15 nécessaire pour remplir complètement le cylindre 2 du moteur se trouve donc directement en dessous de l'injecteur 10 et de la bougie d'allumage 11. Lors d'un déplacement du piston 5 dans le sens de
la flèche 14 en direction du point mort haut OT du dépla-
cement du piston, la charge stratifiée du cylindre est comprimée de façon que, lorsque le piston se trouve dans la zone du point mort haut OT, du carburant soit injecté par l'injecteur de carburant 10 directement dans la concentration d'air frais 15 et soit ensuite enflammé par la bougie d'allumage 11. Lors du mouvement descendant consécutif du piston 5, les gaz d'échappement sont transmis directement en mode de court-circuit, lors du franchissement de l'ouverture d'admission aux canaux 30, 31, 32 de remise en circulation20 des gaz d'échappement, à un autre cylindre du moteur à combustion dont le piston est monté sur un maneton du vilebrequin avec un angle de vilebrequin- coude identique. Ce n'est qu'ensuite que le reste des gaz d'échappement est évacué dans le tuyau 9 par ouverture de la soupape 19
d'échappement des gaz d'échappement.
Dans un moteur à combustion à quatre cylindres, le premier cylindre du moteur est ainsi relié au quatrième et le deuxième au troisième par l'intermédiaire des canaux de remise en circulation des gaz d'échappement. A travers ces canaux, les gaz d'échappement peuvent passer directement, par exemple, du premier cylindre au quatrième cylindre et inversement. Cela dépend du cylindre qui se trouve alors en phase de détente ou d'aspiration. Une fois que l'autre cylindre est rempli, comme décrit ci-dessus, avec du gaz d'échappement remis en circulation, de façon à y créer une concentration de gaz d'échappement tournante et sensiblement 1l en forme de pot, l'air frais nécessaire au remplissage
complet du cylindre y est alors également amené par la soupape 18 d'admission d'air frais, de façon que l'étape de compression de l'autre cylindre puisse s'effectuer selon la5 description ci-dessus.
La figure 2 montre une vue d'un cylindre de moteur en coupe longitudinale dans la zone de la position de point mort bas UT du piston 5, dans lequel il est prévu, selon un exemple de réalisation préféré de l'invention, un10 total de six ouvertures d'admission pour les canaux de remise en circulation des gaz d'échappement. Dans ce mode de représentation en coupe, trois ouvertures 20, 21, 22 d'admission de gaz d'échappement sont visibles en tout, tandis que les autres ouvertures 20', 21', 22' d'admission de gaz d'échappement, de conception géométriquement identique, sont décalées de préférence de 180 sur l'autre moitié non visible du cylindre. Cet agencement des ouvertures d'admission de gaz d'échappement sur les cylindres est rendu plus compréhensible par la figure 3 qui représente une coupe transversale III de la figure 2. Sur cette représentation, on voit que, dans cet exemple de réalisation, au total six canaux 30, 30', 31, 31', 32, 32' de remise en circulation des gaz d'échappement conduisent au cylindre 2 du moteur. Les canaux de gaz d'échappement, qui débouchent dans le cylindre avec la même section transversale que les ouvertures d'admission de gaz d'échappement, sont décalés de 180' les
uns par rapport aux autres.
Comme la configuration de l'ouverture 20 d'admission de gaz d'échappement ou de l'ouverture opposée correspondant 20' décalée de 180' revêt une importance particulière pour constituer la charge stratifiée du cylindre avec des gaz d'échappement, une coupe transversale IV de la figure 2 est représentée sur la figure 4. On y voit que le canal 30, 30' de remise en circulation des gaz d'échappement débouche dans la chambre du cylindre de manière tangentielle et en biseau vers le haut, de façon que, lors du remplissage de la chambre du cylindre avec du gaz d'échappement à partir de ces ouvertures 20, 20' d'admission de gaz d'échappement en vis-à-vis, il se forme des courants partiels de gaz d'échappement A, B superposés en forme de spirales.5 Contrairement aux ouvertures d'admission de gaz d'échappement tangentielles connues de l'état de la technique, ces courants
partiels de gaz d'échappement A, B ne produisent pas de turbulences entre eux. Cela permet avantageusement d'éviter un mélange prématuré des gaz d'échappement remis en10 circulation et de l'air frais dans la chambre du cylindre.
Les figures 5a à 7b représentent différents états
de stratification des gaz d'échappement 16 remis en circula-
tion et des gaz frais 17 dans un cylindre de moteur. Les numéros de figures suivis d'un " a " montrent l'état de
stratification du cylindre au début de la phase de com-
pression par le piston 5, tandis que les numéros de figures suivis d'un " b " correspondent à l'état de stratification du cylindre dans la zone de la position de point mort haut du
déplacement du piston 5.
Les différents états de stratification des gaz d'échappement et de l'air frais dans la chambre du cylindre sont obtenus par des utilisations différentes des canaux 30, ', 31, 31', 32, 32' de remise en circulation des gaz d'échappement, en l'occurrence au nombre de six, conduisant à chaque cylindre. Comme le suggère la figure 8, les canaux de remise en circulation des gaz d'échappement peuvent être réunis sous forme de collecteurs 34, 35, 36 de gaz d'échappement, dont chacun est muni d'une soupape 29, 29' de régulation des gaz d'échappement. Ces soupapes permettent de régler aussi bien le moment d'ouverture que la quantité
admise de gaz d'échappement remis en circulation.
Pour obtenir une stratification gaz d'échappement-air frais conforme à la figure 5a ou 5b, des gaz d'échappement sont amenés à travers les deux canaux 30,
30' de remise en circulation des gaz d'échappement qui dé-
bouchent dans la chambre du cylindre de manière tangentielle et en biseau vers le haut, de sorte qu'il se forme, comme décrit précédemment, sur la paroi interne du cylindre, deux courants hélicoidaux A, B de gaz d'échappement qui, par rapport à la paroi du cylindre, forment de plus entre eux,5 dans le sens vertical, une stratification dans les gaz d'échappement remis en circulation. En raison de l'admission non perturbée à partir des deux ouvertures d'entrée de gaz d'échappement disposées en biseau et décalées de 180', la stratification ainsi créée entre les gaz d'échappement 1610 remis en circulation et l'air frais 15 est beaucoup plus stable que les stratifications connues de l'état de la technique. On évite ainsi un brassage prématuré dans la zone marginale entre les zones d'air frais et de gaz d'échappement, ce qui permet de créer, dans la région du point mort haut OT du déplacement du piston, une bien meilleure concentration de gaz frais que jusqu'à présent, en dessous de l'injecteur de carburant 10 et de la bougie d'allumage 11. Du carburant peut être injecté directement dans cette cuvette d'air frais comprimé 23, de préférence au ralenti et dans la plage inférieure de charge partielle, et
enflammé ensuite à l'aide de la bougie d'allumage.
Si l'on souhaite réaliser dans le cylindre une stratification en créant, dans la position de point mort haut du déplacement du piston, une tranche d'air frais 24 s'étendant sur tout le diamètre du cylindre, les canaux 30, ', 31, 31' de remise en circulation des gaz d'échappement sont ouverts par les soupapes 29, 29' de régulation des gaz d'échappement, de sorte qu'au cours de la première phase d'aspiration, des gaz d'échappement sont admis dans le cylindre de façon à créer une concentration sensiblement horizontale de gaz d'échappement 16. A mesure que le piston poursuit son déplacement, la quantité nécessaire d'air frais est aspirée en fonction de la charge au moment optimal correspondant. Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, les canaux 30, 30' et 31, 31' de remise en circulation des gaz d'échappement sont ouverts par les soupapes de régulation des gaz d'échappement conformément aux figures 7a, 7b. De cette manière, au cours de la première phase d'aspiration, des gaz d'échappement 16 remis en5 circulation pénètrent dans la chambre du cylindre par les ouvertures 20, 20', 21, 21' d'admission de gaz d'échappement, ce qui a pour effet de créer, à l'intérieur de la chambre du cylindre, une concentration de gaz d'échappement tournante et sensiblement en forme de pot avec une ligne de délimitation de concentration 17. Lors du processus d'aspiration consécutif, de l'air frais 15 peut être injecté à l'intérieur de cette concentration. Au terme du processus de compression par le piston 5, on obtient donc une lentille d'air frais comprimé 25, sur laquelle du carburant peut ensuite être injecté directement au moyen de la soupape d'injection 10, et le mélange obtenu peut être enflammé par la bougie d'allumage 11. Pour mieux comprendre 1 'agencement des canaux 30, ', 31, 31', 32, 32' de remise en circulation des gaz d'échappement et des cylindres 26, 27, 28, 2 dans le bloc-moteur, la figure 8 représente une coupe transversale d'un moteur à combustion conforme à l'invention. Cette vue montre que les cylindres 26, 2 ou 27, 28 du moteur sont reliés entre eux par les canaux de gaz d'échappement, les pistons desdits cylindres étant montés sur les manetons du
vilebrequin avec un angle du vilebrequin-coude identique.
Comme il ressort également de cette représenta-
tion, il est prévu, dans chaque canal de gaz d'échappement, des soupapes 29, 29' de régulation des gaz d'échappement qui permettent de fermer chaque canal de remise en circulation des gaz d'échappement et d'agir surla quantité de gaz d'échappement qui le traverse. Il est ainsi possible de ne remettre en circulation dans les différents cylindres que la quantité de gaz d'échappement nécessaire à une régulation X = 1 en fonction de la charge. Cela signifie qu'il se produit, dans la plage de charge partielle, un remplissage comparativement fort du cylindre avec des gaz d'échappement remis en circulation, tandis que, dans la plage de pleine charge, il ne se produit absolument aucune remise en circulation de gaz d'échappement. La quantité de gaz5 d'échappement remis en circulation peut ainsi être réduite de manière continue à travers les soupapes de régulation des gaz d'échappement depuis les points de charge " ralenti " jusqu'à " pleine charge ". La chambre de combustion est donc toujours entièrement remplie, ce qui permet de faire fonctionner le moteur sans étranglement, même dans la plage de charge partielle. La quantité de carburant injectée directement dans la chambre de combustion est dosée et le commencement de l'injection est commandé de façon à obtenir en permanence une valeur de X = 1, indépendamment de la charge du moteur.15 Le fonctionnement d'un moteur à combustion de ce
type peut être exposé par exemple à l'aide du cycle de ré-
gulation et d'écoulement de la paire de cylindres constituée des premier et quatrième cylindres du moteur. Dans la plage de ralenti, la phase de détente fait suite à l'allumage dans le premier cylindre. De préférence, la soupape d'échappement 19 de ce cylindre reste fermée jusqu'à ce que le piston 5 ait franchi le point mort bas UT, tandis que la soupape de régulation des gaz d'échappement implantée sur le ou les canaux de remise en circulation des gaz d'échappement entre les premier et quatrième cylindres reste complètement ouverte.
Etant donné que le piston 5 poursuit son déplace-
ment vers le bas en direction de UT, les sections trans-
versales des ouvertures 20, 20', 21, 21', 22, 22' d'admission de gaz d'échappement sont dégagées. Les gaz d'échappement pénètrent dans le quatrième cylindre par les canaux de remise en circulation des gaz d'échappement car, en raison du déplacement synchrone du quatrième cylindre, les ouvertures
d'admission des gaz d'échappement y sont également dégagées.
Comme la pression de détente est faible lors de l'ouverture du ou des canaux de gaz d'échappement, surtout dans la plage de charge de "ralenti", le moment de l'ouverture de la soupape d'admission 18 du quatrième cylindre aspirant et le moment de l'ouverture de la soupape d'échappement 19 du premier cylindre sont calculés pour qu'une quantité5 suffisante de gaz d'échappement puisse être transférée vers le quatrième cylindre. Il est ainsi avantageusement prévu que la soupape d'échappement 19 ne s'ouvre que 60 après le point
mort bas UT.
La durée de transfert est limitée par les pistons 5 des premier et quatrième cylindres, lesdits pistons re- montant après avoir franchi le point mort bas, car, une fois franchies les arêtes supérieures des ouvertures d'admission de gaz d'échappement des canaux de remise en circulation des gaz d'échappement, plus aucun gaz d'échappement ne peut être15 transféré d'un cylindre dans l'autre. Grâce à la soupape de régulation des gaz d'échappement, il est possible, en fonction de la charge du moteur, de faire varier la quantité de gaz d'échappement transférés. Une fois que les pistons des premier et quatrième cylindres ont franchi l'arête supérieure des ouvertures d'admission de gaz d'échappement, la soupape d'échappement des gaz d'échappement est ouverte dans le premier cylindre et la soupape d'admission 18 est ouverte dans le quatrième cylindre pour en compléter le remplissage en air frais à proximité du point mort bas UT. Le remplissage complémentaire du cylindre en air frais peut également être régulé au moyen des papillons des gaz avant la soupape d'admission. En mode de pleine charge, le moteur fonctionne comme un moteur à allumage commandé traditionnel. Cela est obtenu en fermant complètement les soupapes de régulation des gaz d'échappement implantées sur les canaux de remise en circulation des gaz d'échappement disposés entre les cylindres. Lors du passage entre ces deux points de charge extrêmes, que sont le "ralenti" et la "pleine charge", une régulation X = 1 est obtenue en agissant sur les soupapes de régulation des gaz d'échappement, de façon que la quantité de gaz transférée soit toujours plus réduite. Cela peut être
réalisé, par exemple, en diminuant progressivement la course des soupapes ou en écourtant progressivement la durée d'ouverture d'une soupape de régulation des gaz5 d'échappement.
La stratification ainsi obtenue entre air frais
et gaz d'échappement remis en circulation, ladite stratifica-
tion pouvant être modifiée en agissant sur la géométrie et l'agencement des ouvertures d'admission de gaz d'échappement, est comprimée par le piston 5 qui se déplace en direction du point mort haut, et du carburant est injecté directement dans la plage de charge de "ralenti" à proximité du point mort haut OT. Ce mode opératoire évite qu'une partie du carburant ne se diffuse à l'intérieur de la stratification des gaz d'échappement en cas d'injection prématurée et ne provoque
une combustion imparfaite.
Dans la plage de "pleine charge", le carburant est injecté directement à un moment o la sortie des gaz
d'échappement par la soupape d'échappement 19 est terminée.
On réalise ainsi une bonne homogénéisation des gaz frais entrants avec le carburant injecté directement, ce qui permet d'obtenir une puissance disponible élevée pour la "plage de pleine charge" du moteur. Les moments d'injection entre les valeurs de charge extrêmes que sont le ralenti et la pleine
charge se situent entre les moments indiqués.
Selon une version avantageuse de l'invention, la soupape d'injection 10 peut être conçue sous la forme d'une soupape connue d'injection de carburant à assistance pneumatique, dans laquelle le carburant est intercepté par un courant d'air et poussé à travers un injecteur. Lors de l'emploi d'une telle soupape d'injection, la quantité d'air ainsi acheminée avec le carburant peut être utilisée pour commander la quantité d'air totale introduite dans le cylindre, par exemple dans la plage de charge partielle, afin de réguler le mélange X = 1 dans la zone de la bougie d'allumage. Le concept de moteur décrit permet pour la pre- mière fois de réduire fortement les substances polluantes présentes dans les gaz d'échappement, en particulier en démarrage à froid et pendant la phase de mise en température,5 grâce à la mise en oeuvre d'une injection directe d'essence dans une chambre de combustion stratifiée. Contrairement aux
moteurs à injection directe conformes à l'état de la technique, le carburant injecté directement ne se dépose plus sur les parois froides du piston et/ou du cylindre, ce qui10 entraîne en particulier une amélioration des valeurs d'échappement dans le domaine de l'émission d'hydrocarbures.
En mode non étranglé, en particulier dans la plage de charge partielle proche du ralenti, la consommation de carburant est, de plus, fortement abaissée par rapport à15 celle des moteurs conformes à l'état de la technique, ce qui permet de réduire la quantité de C02 émise. La remise en circulation des gaz d'échappement étant court-circuitée entre les cylindres décrits, l'émission brute, notamment de NOx, est également réduite dans la plage de charge partielle. En20 outre, la régulation permanente X = 1 rend possible l'emploi du catalyseur à trois voies éprouvé, même dans la " plage de charge partielle avec charge stratifiée ", ce qui permettra, avec une émission brute réduite, de respecter les valeurs
limites imposées à l'avenir aux gaz d'échappement.
Enfin, la liste ci-dessous reprend les signes de
référence utilisés sur les dessins et leur signification.
LISTE DES SIGNES DE REFERENCE
1 bloc-moteur 2 cylindre de moteur 3 culasse 5 piston 6 tige de piston 7 vilebrequin 8 conduite d'admission d'air 9 conduite d'échappement 10 soupape d'injection de carburant 11 bougie d'allumage 14 sens de déplacement air frais 16 gaz d'échappement remis en circulation 17 couche de délimitation 18 soupape 19 soupape , 20' ouverture d'admission de gaz d'échappement 21, 21' ouverture d'admission de gaz d'échappement 22, 22' ouverture d'admission de gaz d'échappement 23 cuvette d'air frais comprimé 24 tranche d'air frais comprimé lentille d'air frais comprimé 26 cylindre de moteur 27 cylindre de moteur 28 cylindre de moteur 29, 29' soupape de régulation des gaz d'échappement , 30' canal de remise en circulation des gaz d'échappement 31, 31' canal de remise en circulation des gaz d'échappement 32, 32' canal de remise en circulation des gaz d'échappement 34 collecteur de gaz d'échappement 35 collecteur de gaz d'échappement 36 collecteur de gaz d'échappement A courant de gaz d'échappement B courant de gaz d'échappement OT point mort haut UT point mort bas
Claims (11)
1. Procédé pour faire fonctionner un moteur à combustion multicylindres avec optimisation de ses gaz d'échappement et de sa consommation, dans lequel une5 stratification tournante de gaz d'échappement remis en circulation et d'air frais est effectuée avant la course de compression d'un piston à l'aide d'un dispositif placé sur le cylindre du moteur, les gaz d'échappement sont introduits dans le cylindre du moteur en quantités différentes et de10 manière régulée en fonction de la charge du moteur, et les gaz d'échappement destinés à remplir un cylindre du moteur sont prélevés sur le cycle d'évacuation des gaz d'échappement d'un autre cylindre du moteur dont le piston est monté sur un maneton de vilebrequin avec un angle de vilebrequin-coude identique, le prélèvement de gaz d'échappement sur l'autre cylindre s'effectuant dans la zone de la position de point mort bas du piston correspondant, caractérisé en ce que, pour remplir le cylindre du moteur, une quantité de gaz d'échappement dépendante de la charge est d'abord introduite de manière dosée, dans une direction sensiblement tangentielle, dans le cylindre de moteur à l'aide d'au moins une soupape de régulation des gaz d'échappement, en ce qu'une quantité résiduelle d'air frais est aspirée pour compléter le remplissage du cylindre, la quantité aspirée d'air frais étant dosée par l'ouverture d'une soupape d'admission, en même temps que les gaz d'échappement préalablement admis et que la quantité de carburant injectée, de façon à obtenir en permanence une valeur de X = 1 indépendamment de la charge du
moteur, en ce que la charge stratifiée du cylindre est en-
suite comprimée par le piston du cylindre, en ce que du carburant est alors injecté directement dans l'air frais se trouvant dans le cylindre et le mélange air-carburant obtenu est ensuite enflammé, et en ce que, dans la phase de détente consécutive, une soupape d'échappement des gaz d'échappement placée dans le cylindre n'est ouverte en fonction de la charge que lorsque la pression intérieure du cylindre est encore suffisamment élevée pour évacuer la quantité de gaz d'échappement nécessaire au remplissage de l'autre cylindre.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les gaz d'échappement remis en circulation sont introduits dans le cylindre, de manière tangentielle et/ou décalée radialement, dans la zone de la position de point
mort bas (UT) du piston, de sorte qu'il se crée dans le cy- lindre de préférence une concentration de gaz d'échappement en forme de pot, au centre de laquelle se trouve de l'air10 frais.
3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les gaz d'échappement introduits tangentiellement dans le cylindre sont stratifiés verticalement contre la paroi intérieure du cylindre sous forme de courants partiels
de gaz d'échappement (A, B).
4. Procédé selon les revendications 1 et 2,
caractérisé en ce que, dans chaque plage de charge, les cy-
lindres du moteur sont entraînés sans étranglement et avec
une chambre de cylindre complètement remplie en permanence.
5. Moteur à combustion à injection directe, dans lequel sont disposés, dans un bloc-moteur (1), des cylindres de moteur (2, 26, 27, 28) dans lesquels des pistons (5) articulés sur un vilebrequin (7) peuvent se déplacer en va-et-vient de manière cyclique, dans lequel chaque cylindre (2, 26, 27, 28) est fermé à son extrémité supérieure par une culasse (3), au moins une soupape (18) d'admission d'air et une soupape (19) d'échappement de gaz d'échappement ainsi qu'une soupape (10) d'injection de carburant et une bougie d'allumage (11) sont disposées dans la culasse (3) de chaque cylindre (2, 26, 27, 28), chaque cylindre (2, 26, 27, 28) comporte, dans la zone du point mort bas UT du déplacement du piston, au moins deux ouvertures (20, 20') d'admission de gaz d'échappement qui sont disposées tangentiellement à la périphérie du cylindre et de manière décalée, qui sont destinées aux canaux (30, 30') de remise en circulation des gaz d'échappement et qui sont reliées à d'autres cylindres, chaque cylindre (2, 26, 27, 28) comporte en outre au moins deux autres ouvertures (21, 21', 22, 22') d'admission de gaz d'échappement qui sont décalées radialement à la périphérie du cylindre, les ouvertures (20, 20', 21, 21') d'admission de5 gaz d'échappement sont disposées les unes par rapport aux autres, de façon que, grâce à elles, le gaz d'échappement remis en circulation et introduit dans le cylindre forme de préférence une accumulation tournante, sensiblement en forme de pot, qui comporte une ligne de délimitation (17) et à l'intérieur de laquelle peut être concentré de l'air frais (15) admis de manière dosée par la soupape (18) d'admission d'air, et dans lequel du carburant peut être injecté directement dans le cylindre à travers la soupape (10) d'injection de carburant et enflammé au moyen de la bougie
d'allumage (11).
6. Moteur à combustion selon la revendication 5, caractérisé en ce que les ouvertures (20, 20', 21, 21', 22, 22') d'admission de gaz d'échappement des différents cylindres sont reliées entre elles par des canaux (30, 30', 31, 31', 32, 32') de remise en circulation des gaz d'échappement.
7. Moteur à combustion selon les revendications
et 6, caractérisé en ce que chacun des canaux (30, 30', 31, 31', 32, 32') de remise en circulation des gaz d'échappement relie entre eux au moins deux cylindres dont les pistons sont montés sur des manetons de vilebrequin avec un angle du vilebrequin-coude identique, de sorte que, dans le cas d'un moteur quatre temps à quatre cylindres, le premier cylindre (26) est relié au quatrième cylindre (2) et le deuxième cylindre (27) est relié au troisième cylindre (28) par l'intermédiaire de ces canaux de remise en circulation des
gaz d'échappement.
8. Moteur à combustion selon les revendications
à 7, caractérisé en ce qu'au moins une soupape (29, 29') de régulation des gaz d'échappement est implantée sur chacun des canaux (30, 30', 31, 31', 32, 32') de remise en circulation des gaz d'échappement ou sur chacun des collecteurs (34, 35,
36) de gaz d'échappement.
9. Moteur à combustion selon les revendications
à 8, caractérisé en ce que les canaux de remise en circu- lation des gaz d'échappement possédant une géométrie et une position d'admission identiques sont décalés de préférence
d'environ 180' les uns par rapport aux autres sur la périphérie du cylindre.
10. Moteur à combustion selon les revendications
4 à 9, caractérisé en ce que les ouvertures (20, 20') d'admission de gaz d'échappement disposées tangentiellement sur la périphérie du cylindre débouchent dans la chambre (2) du cylindre en étant découpées verticalement vers le haut, de façon à former, dans la zone de la paroi intérieure du cylindre, des courants hélicoidaux de gaz d'échappement (A,
B) qui se superposent en forme de strates.
11. Moteur à combustion selon les revendications
à 10, caractérisé en ce que la soupape (10) d'injection de carburant est conçue sous la forme d'une soupape d'injection à assistance pneumatique, dans laquelle le carburant est intercepté par un courant d'air porteur dans la soupape et, après avoir franchi l'ouverture de la soupape, est pulvérisé
en très fines particules de carburant.
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|---|---|---|---|
| ST | Notification of lapse |
Effective date: 20060131 |