FR2734316A1 - IC engine with weak and normal mixture options - Google Patents
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Abstract
Description
L'invention concerne un moteur à combustion interne à allumage commandé pouvant fonctionner avec un mélange d'air et de carburant pauvre en carburant ou un mélange air-carburant dilué par des gaz d'échappement. The invention relates to an internal combustion engine with positive ignition capable of operating with a mixture of air and fuel which is low in fuel or an air-fuel mixture diluted by exhaust gases.
La réduction de la consommation des moteurs à allumage commandé constitue un axe de recherche important dans l'industrie automobile. L'utilisation d'un mélange air-carburant pauvre en carburant est un moyen connu pour parvenir à cet objectif. Cependant, si le fonctionnement avec un mélange pauvre permet effectivement d'obtenir des gains de consommation importants et des niveaux d'émission d'oxydes d'azote (NOx) faibles à la sortie de la chambre de combustion, ce fonctionnement présente l'inconvénient que les gaz d'échappement sont très fortement oxydants. De ce fait, les oxydes d'azote émis par le moteur ne peuvent pas être réduits dans la ligne d'échappement par un catalyseur classique. Reducing the consumption of spark-ignition engines is an important area of research in the automotive industry. The use of a fuel-poor air-fuel mixture is a known means to achieve this objective. However, if the operation with a lean mixture does indeed make it possible to obtain significant consumption gains and low nitrogen oxide (NOx) emission levels at the outlet of the combustion chamber, this operation has the drawback that the exhaust gases are very strongly oxidizing. As a result, the nitrogen oxides emitted by the engine cannot be reduced in the exhaust line by a conventional catalyst.
Pour réduire les émissions d'oxydes d'azote dans les gaz d'échappement des moteurs à mélange pauvre, il est possible de mettre en oeuvre un catalyseur spécifique appelé catalyseur De-NOx qui utilise les hydrocarbures imbrûlés pour réaliser la réduction des oxydes d'azote. To reduce the emissions of nitrogen oxides in the exhaust gases of lean-mixture engines, it is possible to use a specific catalyst called the De-NOx catalyst which uses unburnt hydrocarbons to carry out the reduction of oxides of nitrogen.
Les catalyseurs De-NOx ne présentent cependant pas, dans leur forme actuelle, des taux de conversion importants d'oxydes d'azote ou ont tendance à s'empoisonner rapidement. I1 est donc nécessaire d'atteindre des niveaux d'émission d'oxydes d'azote suffisamment bas pour répondre aux normes anti-pollution, pendant le fonctionnement du moteur avec un mélange pauvre. Ce résultat doit en outre être obtenu sans dégrader trop fortement les caractéristiques de fonctionnement du moteur, lorsqu'on n'utilise pas de mélange pauvre.De-NOx catalysts do not, in their current form, have significant nitrogen oxide conversion rates or tend to poison themselves quickly. It is therefore necessary to reach emission levels of nitrogen oxides sufficiently low to meet anti-pollution standards, during engine operation with a lean mixture. This result must also be obtained without degrading the engine operating characteristics too much, when a lean mixture is not used.
D'autre part, pour répondre à des normes antipollution de plus en plus exigeantes, il devient nécessaire de faire fonctionner les moteurs avec une recircu lation des gaz d'échappement (EGR) à l'admission, au moins dans une partie des cycles de fonctionnement normalisés. L'utilisation de 1'EGR qui consiste à réintroduire une partie des gaz d'échappement à l'admission des moteurs permet de réduire les émissions d'oxydes d'azote jusqu'à un niveau très faible, puisque les niveaux d'émission de NOx à la sortie du moteur sont très faibles (du même ordre que les niveaux observés avec un mélange pauvre) et que d'autre part, il est alors possible d'utiliser un catalyseur trois voies, ce type de catalyseur étant maintenant parfaitement au point et d'une grande efficacité.Le fonctionnement avec EGR permet de réduire de manière significative les consommations de carburant par rapport au fonctionnement sans EGR ; cependant cette réduction est sensiblement inférieure à celle qui est obtenue par utilisation d'un mélange pauvre. On the other hand, to meet increasingly demanding emission standards, it becomes necessary to operate the engines with an exhaust gas recircu lation (EGR) at intake, at least in part of the cycles of standardized operation. The use of EGR which consists in reintroducing part of the exhaust gases to the intake of the engines makes it possible to reduce the emissions of nitrogen oxides to a very low level, since the emission levels of NOx at the engine outlet are very low (of the same order as the levels observed with a lean mixture) and that on the other hand, it is then possible to use a three-way catalyst, this type of catalyst now being perfectly developed and with high efficiency. Operation with EGR significantly reduces fuel consumption compared to operation without EGR; however, this reduction is significantly less than that obtained by using a lean mixture.
Le fonctionnement des moteurs à combustion interne en mélange pauvre est une technique qui est devenue courante et qui nécessite de faire circuler l'air chargé en carburant ou les gaz à l'intérieur des cylindres du moteur d'une manière adaptée pour que la combustion puisse s'initier et se propager dans de bonnes conditions. Ces conditions de circulation des gaz ou aérodynamique permettent d'obtenir également un gain de consommation de carburant à très faible régime du fait de l'augmentation de la vitesse de combustion, sans même utiliser de mélange pauvre. The operation of lean-mix internal combustion engines is a technique which has become commonplace and which requires circulating the air loaded with fuel or the gases inside the cylinders of the engine in a suitable manner so that combustion can initiate and spread in good conditions. These gas circulation or aerodynamic conditions also make it possible to obtain a gain in fuel consumption at very low speed due to the increase in the combustion speed, without even using a lean mixture.
Le mode de fonctionnement des moteurs en mélange pauvre se traduit par la présence à l'intérieur de la chambre du cylindre soit du mélange pauvre et de l'air sous forme stratifiée soit d'un mélange pauvre sous forme homogène. The operating mode of lean mixture engines results in the presence inside the cylinder chamber either of lean mixture and air in stratified form or of a lean mixture in homogeneous form.
Dans le cas du premier mode de fonctionnement, la chambre de combustion du cylindre présente une zone riche en carburant, en particulier autour de la bougie, et une ou plusieurs zones très pauvres en carburant. De cette manière, il est donc possible d'initier la combustion dans de bonnes conditions mais la présence de zones riches en carburant nécessite l'utilisation de mélange très pauvre pour obtenir des émissions de NOx acceptables. In the case of the first mode of operation, the combustion chamber of the cylinder has a zone rich in fuel, in particular around the spark plug, and one or more zones very poor in fuel. In this way, it is therefore possible to initiate combustion under good conditions, but the presence of fuel-rich zones requires the use of a very lean mixture to obtain acceptable NOx emissions.
On connaît un moteur à quatre soupapes par cylindre comportant une bougie dans une disposition centrale dans la chambre du cylindre qui met en oeuvre ce premier mode de fonctionnement. Un tel moteur est décrit par exemple dans les demandes de brevet européen EP-A0.558.073, EP-A-0.558.080 et EP-A-0.558.081 déposées par la société Mitsubishi Jidosha Kogyo Kabushiki Kaisha ; ce moteur est désigné par l'appellation MVV. La zone riche en carburant autour de la bougie d'allumage est obtenue en séparant chacun des conduits d'admission débouchant dans un cylindre en deux parties et en réalisant un mouvement tourbillonnaire de forte intensité autour d'un axe perpendiculaire à l'axe du cylindre (appelé mouvement de tumble), dans la chambre de combustion du cylindre, au moyen d'une forme particulière de la surface supérieure du piston et des conduits d'admission.La partie interne des conduits d'admission, c'est-à-dire la partie la plus proche d'un plan passant par l'axe du cylindre et perpendiculaire à l'arbre à cames du moteur, reçoit un mélange d'air et de carburant alors que la partie externe reçoit uniquement de l'air. I1 en résulte la création d'une stratification au moment de l'admission, avec une zone riche en carburant au centre de la chambre de combustion. There is known an engine with four valves per cylinder comprising a spark plug in a central arrangement in the chamber of the cylinder which implements this first operating mode. Such an engine is described for example in European patent applications EP-A0,558,073, EP-A-0,558,080 and EP-A-0,558,081 filed by the company Mitsubishi Jidosha Kogyo Kabushiki Kaisha; this engine is designated by the name MVV. The fuel-rich zone around the spark plug is obtained by separating each of the intake ducts opening into a cylinder into two parts and by performing a high intensity vortex movement around an axis perpendicular to the axis of the cylinder. (called a tumble movement), in the combustion chamber of the cylinder, by means of a particular shape of the upper surface of the piston and of the intake ducts. The internal part of the intake ducts, i.e. say the part closest to a plane passing through the axis of the cylinder and perpendicular to the camshaft of the engine, receives a mixture of air and fuel whereas the external part receives only air. This results in the creation of a stratification at the time of intake, with a fuel-rich zone in the center of the combustion chamber.
Cette stratification se maintient pendant la compression, grâce à l'intensité du mouvement de tumble qui permet également de créer, lors de sa dissipation finale, la turbulence nécessaire à une bonne propagation de la flamme. This stratification is maintained during compression, thanks to the intensity of the tumble movement which also makes it possible to create, during its final dissipation, the turbulence necessary for good propagation of the flame.
Ce type de moteur présente donc certaines qualités et en particulier, il permet de garder la bougie dans une position centrale dans la chambre de combustion, garantit un parcours optimal de la flamme lors de la combustion et présente une bonne résistance au cliquetis à pleine charge. This type of engine therefore has certain qualities and in particular, it keeps the spark plug in a central position in the combustion chamber, guarantees an optimal path of the flame during combustion and has good knock resistance at full load.
Cependant, ce moteur présente un défaut important, puisqu'il ne peut s'adapter de manière parfaite à toutes les conditions de fonctionnement. En particulier, la forme des conduits nécessaire pour l'obtention d'un niveau de tumble important permettant de faire fonctionner le moteur avec un mélange pauvre n'est pas du tout favorable pour obtenir un remplissage satisfaisant à pleine charge et à haut régime du moteur. Le fonctionnement de ce type de moteur se fait donc au détriment de la puissance et du couple maximal. However, this engine has a significant defect, since it cannot adapt perfectly to all operating conditions. In particular, the shape of the conduits necessary for obtaining a significant level of tumble making it possible to operate the engine with a lean mixture is not at all favorable for obtaining a satisfactory filling at full load and at high engine speed. . This type of engine therefore operates at the expense of maximum power and torque.
Un second type de moteur pouvant utiliser un mélange pauvre est conçu pour obtenir un mélange aircarburant le plus homogène possible à l'entrée dans la culasse du moteur. A second type of engine which can use a lean mixture is designed to obtain the most homogeneous air-fuel mixture possible at the entry into the cylinder head of the engine.
Une injection d'essence multipoint, c'est-à-dire de manière indépendante dans chacun des conduits d'admission du moteur ne permet pas d'atteindre une homogénéité parfaite. On peut utiliser une injection par phase et tirer partie des hétérogénéités du mélange qui en résultent en essayant d'avoir une zone plus riche autour de la bougie au moment de l'allumage. Multipoint petrol injection, that is to say independently in each of the engine intake ducts, does not allow perfect homogeneity to be achieved. One can use one injection per phase and take advantage of the heterogeneities of the resulting mixture by trying to have a richer area around the spark plug at the time of lighting.
Dans ce type de moteur, les écarts de richesse entre les différentes zones de la chambre de combustion sont cependant nettement plus faibles que dans le cas des moteurs produisant une stratification du mélange. De ce fait, on limite plus facilement le niveau d'émission d'oxydes d'azote. In this type of engine, the richness differences between the different zones of the combustion chamber are however much smaller than in the case of engines producing a stratification of the mixture. Therefore, it is easier to limit the emission level of nitrogen oxides.
On connaît par exemple un moteur fabriqué par la société Toyota Motor Corporation et désigné par l'appel lation 4AFE à quatre soupapes par cylindre qui présente, pour chacun des cylindres, un injecteur formant deux jets de carburant et un papillon dans un des conduits d'admission débouchant dans le cylindre qui est fermé lors du fonctionnement en mélange pauvre, de manière à augmenter l'intensité du mouvement de tumble dans la chambre de combustion. Du fait qu'on obtient une homogénéité relativement bonne du mélange dans la chambre de combustion, on peut atteindre des niveaux faibles d'émission d'oxydes d'azote sans avoir à utiliser des mélanges très pauvres. An engine is known, for example, produced by the Toyota Motor Corporation and designated by the name 4AFE with four valves per cylinder which has, for each of the cylinders, an injector forming two jets of fuel and a throttle valve in one of the conduits. intake opening into the cylinder which is closed during lean mixture operation, so as to increase the intensity of the tumble movement in the combustion chamber. Because relatively good homogeneity of the mixture is obtained in the combustion chamber, low emission levels of nitrogen oxides can be achieved without having to use very poor mixtures.
Le conduit d'admission de chacun des cylindres qui ne comporte pas le papillon de fermeture possède un déflecteur pour augmenter le niveau d'écoulement tourbillonnaire dans la chambre de combustion. Un niveau élevé d'écoulement tourbillonnaire dans le cylindre limite les possibilités de remplissage du cylindre, en particulier à haut régime.The intake duct of each of the cylinders which does not have the closing butterfly has a deflector to increase the level of vortex flow in the combustion chamber. A high level of vortex flow in the cylinder limits the possibilities of filling the cylinder, especially at high speed.
On connaît également un moteur fabriqué par la société Honda et désigné sous l'appellation VTEC-E qui possède un système de distribution variable (VTEC) permettant de fermer presqu'entièrement une des deux soupapes d'admission et d'augmenter ainsi l'intensité de l'écoulement tourbillonnaire à faible régime, en particulier lors du fonctionnement avec un mélange pauvre. Also known is an engine manufactured by the Honda company and designated under the name VTEC-E which has a variable distribution system (VTEC) making it possible to close almost entirely one of the two intake valves and thus to increase the intensity. low-speed vortex flow, especially when operating with a lean mixture.
Dans le cas du moteur de la société Toyota, comme dans le cas du moteur de la société Honda, on est amené à introduire des quantités de carburant qui peuvent être importantes dans un conduit partiellement fermé dans lequel circule un faible débit d'air. La richesse du mélange dans ce conduit est donc très nettement supérieure à la richesse moyenne du mélange, ce qui est un facteur d'hétérogénéité. In the case of the Toyota company engine, as in the case of the Honda company engine, it is necessary to introduce quantities of fuel which may be significant in a partially closed conduit in which circulates a low air flow. The richness of the mixture in this conduit is therefore very much higher than the average richness of the mixture, which is a factor of heterogeneity.
Dans le cas de certains moteurs pouvant utiliser des mélanges pauvres et en particulier dans le cas du moteur de la société Mitsubishi (type MVV), la surface supérieure des cylindres usinée dans la culasse du moteur est une surface en forme de toit à deux pentes ayant une arête supérieure suivant un plan médian du cylindre. Dans ce cas, la bougie d'allumage est placée dans la culasse, de manière à déboucher dans la chambre du cylindre au voisinage de l'arête de la surface en forme de toit. Le mouvement tourbillonnaire, à l'intérieur de la chambre du cylindre, autour d'un axe perpendiculaire à l'axe du cylindre, qui est produit par la forme et la disposition d'un conduit et éventuellement d'une soupape d'admission, doit être tel qu'on réalise un balayage de la zone de l'arête du toit dans laquelle débouche la bougie d'allumage. In the case of certain engines which can use lean mixtures and in particular in the case of the engine of the company Mitsubishi (type MVV), the upper surface of the cylinders machined in the cylinder head of the engine is a roof-shaped surface with two slopes having an upper edge along a median plane of the cylinder. In this case, the spark plug is placed in the cylinder head, so as to open into the cylinder chamber in the vicinity of the edge of the roof-shaped surface. The vortex movement, inside the cylinder chamber, around an axis perpendicular to the cylinder axis, which is produced by the shape and arrangement of a duct and possibly an inlet valve, must be such that a sweep of the area of the roof ridge into which the spark plug opens.
Le recyclage des gaz d'échappement qui permet de réduire la consommation de carburant des moteurs et de limiter le rejet de substances polluantes consiste à introduire dans l'air envoyé dans les cylindres du moteur par les conduits d'admission, une certaine fraction des gaz d'échappement et à réaliser un mélange homogène des gaz d'échappement, de l'air et du carburant avant leur entrée dans la chambre de combustion du moteur. L'admission du mélange homogène obtenu doit être réalisée de manière à obtenir des conditions aérodynamiques dans la chambre du cylindre analogues à celles qui sont recherchées dans le cas d'un mélange pauvre homogène. The recycling of exhaust gases, which makes it possible to reduce the fuel consumption of engines and to limit the rejection of polluting substances, consists in introducing into the air sent into the engine cylinders through the intake ducts, a certain fraction of the gases. exhaust and to achieve a homogeneous mixture of exhaust gases, air and fuel before entering the combustion chamber of the engine. The admission of the homogeneous mixture obtained must be carried out so as to obtain aerodynamic conditions in the cylinder chamber similar to those which are sought in the case of a homogeneous lean mixture.
L'introduction des gaz d'échappement dans la partie d'admission du moteur qui utilise une vanne dite vanne EGR peut être réalisée de deux manières différentes. On peut introduire les gaz d'échappement de manière collective pour tous les cylindres, en amont du collecteur d'admission, cette introduction étant dite monopoint ou, au contraire, de manière individuelle pour chacun des cylindres dans chacune des branches du collecteur d'admission (admission multipoint). The introduction of exhaust gases into the intake portion of the engine which uses a valve called an EGR valve can be carried out in two different ways. The exhaust gases can be introduced collectively for all the cylinders, upstream of the intake manifold, this introduction being called single point or, on the contrary, individually for each of the cylinders in each of the branches of the intake manifold (multipoint admission).
Dans le cas du moteur Honda VTEC-E, les gaz d'échappement recyclés sont introduits dans chacun des conduits d'admission débouchant dans les cylindres du moteur. Un tel recyclage multipoint qui peut être mis en oeuvre dans les moteurs utilisant des mélanges pauvres présente l'avantage de fournir un temps de réponse très court lors des fonctionnements du moteur en transitoire mais risque de produire une mauvaise répartition des gaz recyclés entre les cylindres. In the case of the Honda VTEC-E engine, the recycled exhaust gases are introduced into each of the intake ducts opening into the engine cylinders. Such multipoint recycling which can be implemented in engines using lean mixtures has the advantage of providing a very short response time during engine operations in transient mode but risks producing poor distribution of the recycled gases between the cylinders.
On ne connaissait donc pas jusqu'ici de moteur à combustion interne à allumage commandé pouvant fonctionner avec un mélange pauvre ou avec recyclage de gaz d'échappement, de manière tout-à-fait satisfaisante et présentant de bonnes caractéristiques de fonctionnement en dehors de l'utilisation du moteur en mélange pauvre. So far, there has been no known internal combustion engine with positive ignition capable of operating with a lean mixture or with exhaust gas recycling, in a completely satisfactory manner and having good operating characteristics outside of use of the engine in lean mixture.
Le but de l'invention est donc de proposer un moteur à combustion interne à allumage commandé comportant au moins un cylindre dans lequel un piston est monté mobile, ayant une chambre de combustion délimitée à l'une de ses extrémités à l'intérieur d'une culasse du moteur, par une surface en forme de toit à deux pentes ayant une arête au voisinage de laquelle débouche une bougie d'allumage à l'intérieur de la chambre du cylindre et deux conduits d'admission ménagés par la culasse et débouchant dans le cylindre, chacun des conduits d'admission étant équipé d'une soupape d'admission pour son ouverture et sa fermeture et l'un au moins des conduits d'admission et la soupape correspondante étant réalisés de manière à assurer un écoulement tourbillonnaire intense dans le cylindre, au moins pendant certaines phases de fonctionnement du moteur, pour assurer le balayage de la partie débouchante de la bougie d'allumage, ce moteur pouvant fonctionner de manière satisfaisante avec un mélange pauvre ou avec recyclage de gaz d'échappement, de manière à limiter la consommation de carburant et les émissions d'oxydes d'azote du moteur, tout en ayant des performances satisfaisantes en dehors d'une utilisation en mélange pauvre ou avec des gaz d'échappement recyclés. The object of the invention is therefore to propose an internal combustion engine with positive ignition comprising at least one cylinder in which a piston is mounted mobile, having a combustion chamber defined at one of its ends inside a cylinder head of the engine, by a roof-shaped surface with two slopes having an edge in the vicinity of which opens a spark plug inside the cylinder chamber and two intake ducts formed by the cylinder head and opening into the cylinder, each of the intake ducts being equipped with an intake valve for its opening and closing and at least one of the intake ducts and the corresponding valve being produced so as to ensure an intense vortex flow in the cylinder, at least during certain engine operating phases, to ensure the sweeping of the open part of the spark plug, this engine being able to operate satisfactorily comfortable with a lean mixture or with exhaust gas recycling, so as to limit fuel consumption and nitrogen oxide emissions from the engine, while having satisfactory performance outside of use in a lean mixture or with recycled exhaust gases.
Dans ce but,
- les conduits d'admission présentent des diamètres différents l'un de l'autre, de manière à constituer un premier conduit appelé gros conduit ayant un diamètre supérieur au diamètre du second conduit appelé petit conduit, les soupapes d'admission correspondantes étant appelées grosse soupape et petite soupape, respectivement,
- le gros conduit d'admission comporte un moyen de commande d'admission de gaz dans le cylindre pour maintenir le gros conduit fermé en-dessous d'une valeur fixée du régime du moteur et pour assurer l'ouverture et le maintien à l'état ouvert du gros conduit d'admission, à la valeur fixée du régime du moteur et au-dessus,
- un injecteur de carburant débouche dans le petit conduit d'admission, de manière à injecter du carburant dans un gaz en circulation dans le petit conduit d'admission, et
- le petit conduit et la petite soupape d'admission présentent une forme et une disposition par rapport au cylindre telles qu'ils puissent produire un écoulement tourbillonnaire intense de gaz introduits dans le cylindre par le petit conduit d'admission.For this reason,
- the intake ducts have different diameters from each other, so as to constitute a first duct called large duct having a diameter greater than the diameter of the second duct called small duct, the corresponding intake valves being called large valve and small valve, respectively,
- The large intake duct includes a means for controlling the admission of gas into the cylinder to keep the large duct closed below a fixed value of the engine speed and to ensure opening and maintenance at open condition of the large intake duct, at the set value of the engine speed and above,
a fuel injector opens into the small intake duct, so as to inject fuel into a gas flowing in the small intake duct, and
- The small duct and the small intake valve have a shape and an arrangement relative to the cylinder such that they can produce an intense vortex flow of gas introduced into the cylinder through the small intake duct.
Afin de bien faire comprendre l'invention, on va maintenant décrire, à titre d'exemple non limitatif, en se référant aux figures jointes en annexe, un moteur à combustion interne suivant l'invention et son fonctionnement à bas régime et à régime élevé. In order to clearly understand the invention, a description will now be given, by way of nonlimiting example, with reference to the appended figures, an internal combustion engine according to the invention and its operation at low speed and at high speed. .
La figure 1 est une vue schématique de dessus d'un cylindre d'un moteur à quatre soupapes par cylindre selon l'invention, dans une configuration lui permettant de fonctionner avec un mélange pauvre. Figure 1 is a schematic top view of a cylinder of an engine with four valves per cylinder according to the invention, in a configuration allowing it to operate with a lean mixture.
La figure 2 est une vue en coupe axiale suivant 2-2 de la figure 1 ou de la figure 3. FIG. 2 is a view in axial section along 2-2 of FIG. 1 or of FIG. 3.
La figure 3 est une vue de dessus schématique d'un cylindre de moteur représenté sur les figures 1 et 2, dans une configuration permettant son fonctionnement à régime élevé. Figure 3 is a schematic top view of an engine cylinder shown in Figures 1 and 2, in a configuration allowing its operation at high speed.
Sur la figure 1, on voit un cylindre 1 d'un moteur à combustion interne suivant l'invention comportant deux soupapes d'échappement 4a et 4b et deux soupapes d'admission 5a et 5b pouvant assurer la fermeture ou l'ouverture de deux conduits d'échappement 2a et 2b et de deux conduits d'admission 3a et 3b respectivement. In FIG. 1, there is seen a cylinder 1 of an internal combustion engine according to the invention comprising two exhaust valves 4a and 4b and two intake valves 5a and 5b capable of closing or opening two conduits exhaust 2a and 2b and two intake ducts 3a and 3b respectively.
Comme il est visible sur la figure 2, le cylindre 1 est agencé à l'intérieur d'un bloc-cylindres 7 sur lequel repose une culasse 8 dans laquelle sont usinés les conduits d'admission tels que 3a et les conduits d'échappement tels que 2b. As can be seen in Figure 2, the cylinder 1 is arranged inside a cylinder block 7 on which rests a cylinder head 8 in which are machined the intake ducts such as 3a and the exhaust ducts such than 2b.
Un piston 9 est monté mobile à l'intérieur du cylindre 1, dans la direction axiale 10 du cylindre. A piston 9 is movably mounted inside the cylinder 1, in the axial direction 10 of the cylinder.
La chambre de combustion 6 du cylindre 1 est délimitée, à sa partie inférieure, par la surface supérieure du piston 9 et, à sa partie supérieure, par une surface 11 usinée à l'intérieur de la culasse 8. La surface 11 est une surface en forme de toit à deux pentes, les deux parties du toit ayant en commun une arête rectiligne 12 constituant l'arête supérieure de la chambre de combustion 6. The combustion chamber 6 of the cylinder 1 is delimited, at its lower part, by the upper surface of the piston 9 and, at its upper part, by a surface 11 machined inside the cylinder head 8. The surface 11 is a surface in the form of a roof with two slopes, the two parts of the roof having in common a straight edge 12 constituting the upper edge of the combustion chamber 6.
Les conduits d'échappement 2a et 2b et les conduits d'admission 3a et 3b sont usinés dans la culasse et reliés sur les faces latérales de la culasse à des tubulures d'échappement ou d'admission. The exhaust conduits 2a and 2b and the intake conduits 3a and 3b are machined in the cylinder head and connected on the lateral faces of the cylinder head to exhaust or intake pipes.
Les soupapes d'échappement telles que 4b et les soupapes d'admission telles que 5a qui sont représentées sur la figure 2 comportent une tige de soupape montée mobile dans la culasse 8 et une tête de soupape destinée à venir en appui, dans la position de fermeture de la soupape sur un siège de soupape disposé autour de la partie du conduit d'échappement ou d'admission correspondant débouchant dans la chambre de combustion 6 du cylindre. The exhaust valves such as 4b and the intake valves such as 5a which are shown in FIG. 2 have a valve stem mounted movably in the cylinder head 8 and a valve head intended to come to bear in the position of closing the valve on a valve seat arranged around the part of the corresponding exhaust or intake duct opening into the combustion chamber 6 of the cylinder.
Les soupapes d'échappement et les soupapes d'admission sont commandées par un arbre à cames qui assure leur ouverture et leur fermeture à des instants précis du cycle de fonctionnement du moteur. The exhaust valves and the intake valves are controlled by a camshaft which ensures their opening and closing at precise moments in the engine operating cycle.
Selon l'invention, les deux conduits d'admission 3a et 3b débouchant dans la chambre de combustion 6 du cylindre 1 présentent des diamètres différents, le diamètre du conduit d'admission 3b étant sensiblement supérieur au diamètre du conduit d'admission 3a. According to the invention, the two intake ducts 3a and 3b opening into the combustion chamber 6 of the cylinder 1 have different diameters, the diameter of the intake duct 3b being substantially greater than the diameter of the intake duct 3a.
Les têtes des soupapes 5a et 5b assurant la fermeture des conduits d'admission respectifs 3a et 3b présentent elles-mêmes des diamètres différents, la soupape 5b comportant une tête dont le diamètre est sensiblement supérieur au diamètre de la tête de la soupape 5a. The heads of the valves 5a and 5b ensuring the closing of the respective intake conduits 3a and 3b themselves have different diameters, the valve 5b comprising a head whose diameter is substantially greater than the diameter of the head of the valve 5a.
Par la suite, on désignera le conduit d'admission 3b comme gros conduit, la soupape 5b comme grosse soupape, le conduit d'admission 3a comme petit conduit et la soupape 5a comme petite soupape. Thereafter, the intake duct 3b will be designated as the large duct, the valve 5b as the large valve, the intake duct 3a as the small duct and the valve 5a as the small valve.
La section circulaire du petit conduit 3a et de la tête de la soupape 5a ont un diamètre qui est au plus égal au tiers de l'alésage A du cylindre 1. The circular section of the small duct 3a and of the head of the valve 5a have a diameter which is at most equal to one third of the bore A of the cylinder 1.
En revanche, la section du gros conduit 3b et de la tête de la grosse soupape 5b ont généralement un diamètre supérieur au tiers de l'alésage A du cylindre 1. On the other hand, the section of the large conduit 3b and of the head of the large valve 5b generally have a diameter greater than one third of the bore A of the cylinder 1.
A l'intérieur du petit conduit 3a débouche un injecteur de carburant 13 susceptible d'injecter, à des instants bien déterminés du cycle de fonctionnement du moteur, dans un courant d'air ou de gaz circulant dans le petit conduit 3a, comme indiqué de manière schématique par la flèche 15, un jet de carburant 14. Les quantités de carburant injectées dans le courant d'air ou de gaz 15 circulant dans le petit conduit d'admission 3a sont soigneusement dosées, de manière à régler la richesse du mélange qui est introduit dans la chambre de combustion 6 du moteur, par le conduit d'admission 3a. Inside the small duct 3a opens a fuel injector 13 capable of injecting, at well-defined instants of the engine operating cycle, into a stream of air or gas circulating in the small duct 3a, as indicated by schematically by the arrow 15, a jet of fuel 14. The quantities of fuel injected into the air stream or gas 15 flowing in the small intake duct 3a are carefully dosed, so as to adjust the richness of the mixture which is introduced into the combustion chamber 6 of the engine, through the intake duct 3a.
Le mélange est introduit dans la chambre 6 du cylindre 1, lorsque la petite soupape d'admission 5a du conduit 3a est dans sa position levée, tel que représenté sur la figure 2. The mixture is introduced into the chamber 6 of the cylinder 1, when the small intake valve 5a of the conduit 3a is in its raised position, as shown in FIG. 2.
A l'intérieur du gros conduit d'admission 3b est disposé un papillon 16 relié à une unité de commande 17 permettant de réaliser l'ouverture ou la fermeture du papillon 16 en fonction du régime du moteur exprimé en tour/minute. Inside the large intake duct 3b is disposed a throttle valve 16 connected to a control unit 17 making it possible to open or close the throttle valve 16 according to the engine speed expressed in revolutions / minute.
Le régime du moteur est mesuré par un capteur qui est relié à l'unité de commande 17 du papillon 16. The engine speed is measured by a sensor which is connected to the control unit 17 of the throttle valve 16.
Tant que le régime du moteur reste inférieur à une certaine valeur fixée, par exemple 3500 tours/mn, l'unité de commande 17 maintient le papillon 16 dans sa position de fermeture comme représenté sur la figure 1. As long as the engine speed remains below a certain fixed value, for example 3500 rpm, the control unit 17 maintains the throttle valve 16 in its closed position as shown in FIG. 1.
De l'air ou du gaz mélangé à du carburant pénètre à l'intérieur de la chambre de combustion 6 du cylindre 1, à des instants définis, par le petit conduit 3a, au moment de l'ouverture de la petite soupape d'admission 5a. Air or gas mixed with fuel enters the combustion chamber 6 of the cylinder 1, at defined times, through the small duct 3a, when the small intake valve opens. 5a.
La tubulure reliée au gros conduit d'admission 3b est alimentée en air par le collecteur d'admission du moteur. Cet air ne peut parvenir dans le gros conduit 3b, du fait que le papillon 16 est en position fermée. The tubing connected to the large intake duct 3b is supplied with air by the engine intake manifold. This air cannot reach the large duct 3b, because the butterfly 16 is in the closed position.
La chambre de combustion 6 du cylindre 1 est alimentée uniquement en un mélange d'air et de carburant ou d'air, de gaz et de carburant, par le conduit d'admission 3a. The combustion chamber 6 of the cylinder 1 is supplied only with a mixture of air and fuel or air, gas and fuel, through the intake duct 3a.
Comme il est visible sur la figure 2, lorsque la soupape 5a est en position de levée, la tête de la soupape qui s'est déplacée en direction de l'intérieur de la chambre de combustion 6 est à une distance 1 du siège de soupape constituant l'extrémité débouchante du petit conduit 3a, cette distance 1 constituant la valeur de la levée de la soupape 5a. As can be seen in FIG. 2, when the valve 5a is in the raised position, the head of the valve which has moved towards the interior of the combustion chamber 6 is at a distance 1 from the valve seat constituting the opening end of the small conduit 3a, this distance 1 constituting the value of the lifting of the valve 5a.
La petite soupape d'admission 5a est réalisée de manière que, dans la position d'ouverture complète de la soupape (levée maximale l représentée sur la figure 2), la distance p du bord de la tête de la soupape 5a à la surface cylindrique latérale du cylindre 1 est au moins égale à la levée l. The small intake valve 5a is designed so that, in the fully open position of the valve (maximum lift l shown in FIG. 2), the distance p from the edge of the valve head 5a to the cylindrical surface lateral of cylinder 1 is at least equal to the lift l.
Cette disposition permet de réaliser une introduction du mélange d'air et/ou de gaz et de carburant dans la chambre de combustion 6 du cylindre avec une très forte intensité aérodynamique. Il se produit un mouvement tourbillonnaire de gaz autour d'un axe perpendiculaire à l'axe 10 du cylindre 1, comme représenté par les flèches 18. This arrangement allows an introduction of the mixture of air and / or gas and fuel into the combustion chamber 6 of the cylinder with very high aerodynamic intensity. There is a vortex movement of gas around an axis perpendicular to the axis 10 of the cylinder 1, as shown by the arrows 18.
Ce mouvement tourbillonnaire qui est un mouvement de tumble est incliné de façon à réaliser un balayage aérodynamique efficace de l'arête 12 de la surface 11 en forme de toit et de l'extrémité de la bougie d'allumage 19 du cylindre qui est disposée au voisinage de l'arête 12 et dans une position sensiblement centrale dans la chambre 6 du cylindre 1. This vortex movement which is a tumble movement is inclined so as to carry out an efficient aerodynamic scanning of the edge 12 of the roof-shaped surface 11 and of the end of the spark plug 19 of the cylinder which is disposed at the in the vicinity of the edge 12 and in a substantially central position in the chamber 6 of the cylinder 1.
Ce balayage aérodynamique de la zone dans laquelle débouche la bougie 19 permet d'éloigner la flamme des parois du cylindre, dès sa formation et de favoriser l'initiation de l'inflammation du mélange dans la chambre 6 du cylindre. This aerodynamic scanning of the zone into which the spark plug 19 opens makes it possible to move the flame away from the walls of the cylinder, as soon as it is formed and to favor the initiation of the ignition of the mixture in chamber 6 of the cylinder.
En outre, le petit conduit d'admission 3a luimême est réalisé de manière à contribuer à la formation d'un tumble de forte énergie assurant le balayage de la zone de l'arête 12. Le petit conduit 3a qui assure à lui seul l'admission du mélange dans la chambre du cylindre, dans le mode de fonctionnement représenté sur la figure 1 doit présenter une bonne perméabilité, de manière à favoriser la circulation des gaz et le remplissage de la chambre du cylindre. In addition, the small intake duct 3a itself is produced so as to contribute to the formation of a high energy tumble ensuring the scanning of the area of the edge 12. The small duct 3a which alone provides the admission of the mixture into the cylinder chamber, in the operating mode shown in Figure 1 must have good permeability, so as to promote the circulation of gases and the filling of the cylinder chamber.
Ces résultats sont obtenus en prévoyant un petit conduit d'admission 3a tel que représenté sur la figure 2. These results are obtained by providing a small intake duct 3a as shown in FIG. 2.
Le conduit 3a comporte une partie rectiligne ayant un axe 20 et une partie légèrement courbe, à la suite de la partie rectiligne, usinée dans la culasse 8 et débouchant dans la chambre du cylindre. L'axe 20 de la partie rectiligne du petit conduit 3a est concourant avec la tige de la soupape 5a et fait avec la tige de la soupape 5a, un angle a. The conduit 3a comprises a rectilinear part having an axis 20 and a slightly curved part, following the rectilinear part, machined in the cylinder head 8 and opening into the cylinder chamber. The axis 20 of the rectilinear part of the small conduit 3a is concurrent with the stem of the valve 5a and made with the stem of the valve 5a, an angle a.
La partie courbe du petit conduit d'admission 3a usiné dans la culasse 8 présente un rayon de courbure maximal R. The curved part of the small intake duct 3a machined in the cylinder head 8 has a maximum radius of curvature R.
De manière à obtenir les conditions aérodynamiques voulues à l'intérieur de la chambre 6 du cylindre et une bonne perméabilité du conduit 3a, on impose en plus des conditions relatives à la position de la tête de la soupape 5a en position de levée, que l'angle a soit au plus égal à 45" et que le rayon de courbure maximal R de la partie courbe du conduit d'admission 3a soit au plus égal à environ 1,3 fois le diamètre d du conduit 3a. In order to obtain the desired aerodynamic conditions inside the chamber 6 of the cylinder and good permeability of the conduit 3a, conditions relating to the position of the head of the valve 5a in the lifted position are imposed in addition to the angle a is at most equal to 45 "and the maximum radius of curvature R of the curved part of the intake duct 3a is at most equal to approximately 1.3 times the diameter d of the duct 3a.
Lorsque les conditions mentionnées ci-dessus sont respectées, on peut obtenir un fonctionnement tout-à-fait satisfaisant du moteur comportant le cylindre 1 qui vient d'être décrit, à faible régime (par exemple à moins de 3500 tours/mn) aussi bien avec un mélange de richesse 1, c'est-à-dire un mélange d'air et de carburant de composition stoechiométrique, sans recyclage de gaz d'échappe ment, avec un mélange de richesse 1 avec recyclage EGR de gaz d'échappement ou encore avec un mélange pauvre. When the conditions mentioned above are met, one can obtain a completely satisfactory operation of the engine comprising the cylinder 1 which has just been described, at low speed (for example at less than 3500 rpm) as well with a richness mixture 1, that is to say a mixture of air and fuel of stoichiometric composition, without recycling of exhaust gases, with a richness mixture 1 with EGR recycling of exhaust gases or again with a lean mixture.
Dans tous les cas, la géométrie du petit conduit d'admission et de la petite soupape d'admission 5a et le maintien en position de fermeture du gros conduit 3b permettent d'obtenir un fonctionnement du moteur avec une faible consommation de carburant et une faible production d'oxydes d'azote. In all cases, the geometry of the small intake duct and of the small intake valve 5a and the maintenance in the closed position of the large duct 3b make it possible to obtain engine operation with low fuel consumption and low production of nitrogen oxides.
De préférence, on utilise, à l'intérieur du petit conduit d'admission 3a, un injecteur du type à manteau d'air pour obtenir une bonne pulvérisation du carburant. Preferably, inside the small intake duct 3a, an injector of the air jacket type is used to obtain good spraying of the fuel.
Lorsque le moteur atteint un haut régime, la valeur de seuil étant fixée préalablement, l'unité de commande 17 assure l'ouverture du volet 16, comme représenté sur la figure 3. When the engine reaches a high speed, the threshold value being fixed beforehand, the control unit 17 opens the shutter 16, as shown in FIG. 3.
De l'air mis en circulation à l'intérieur du gros conduit 3b, comme représenté schématiquement par la flèche 21, est introduit dans la partie 6b de la chambre de combustion 6 du cylindre 1. Air circulated inside the large duct 3b, as shown diagrammatically by the arrow 21, is introduced into the part 6b of the combustion chamber 6 of the cylinder 1.
Le petit conduit d'admission 3a dans lequel est disposé l'injecteur 13 formant le jet de carburant 14 assure l'introduction dans la partie 6a de la chambre de combustion 6 du cylindre d'un mélange d'air et de carburant. The small intake duct 3a in which the injector 13 forming the fuel jet 14 is arranged ensures the introduction into the part 6a of the combustion chamber 6 of the cylinder of a mixture of air and fuel.
L'ouverture du gros conduit 3b permet de réaliser des bonnes conditions de remplissage du cylindre, lorsque le moteur fonctionne à haut régime. The opening of the large duct 3b makes it possible to achieve good conditions for filling the cylinder, when the engine is running at high speed.
La commande du volet 16 permet d'optimiser le remplissage du cylindre pendant le fonctionnement du moteur. Lorsque le moteur fonctionne à pleine charge, le volet 16 reste fermé jusqu'au moment où le régime du moteur atteint une valeur telle que le remplissage est amélioré en ouvrant le gros conduit 3b. The shutter 16 control optimizes the filling of the cylinder during engine operation. When the engine is running at full load, the shutter 16 remains closed until the engine speed reaches a value such that the filling is improved by opening the large duct 3b.
On peut ainsi optimiser la valeur du couple du moteur pour l'ensemble des régimes de fonctionnement. It is thus possible to optimize the value of the engine torque for all of the operating speeds.
Dans le cas du fonctionnement représenté sur la figure 1, le mélange remplissant la chambre de combustion du cylindre est sensiblement homogène. Dans le cas du fonctionnement représenté sur la figure 3, la disposition des couches de mélange et d'air est stratifiée. In the case of the operation represented in FIG. 1, the mixture filling the combustion chamber of the cylinder is substantially homogeneous. In the case of the operation shown in Figure 3, the arrangement of the mixture and air layers is laminated.
A titre de variante, le moteur suivant l'invention peut être réalisé sans utiliser de papillon de fermeture du gros conduit d'admission 3b, l'ouverture et la fermeture du conduit 3b en fonction du régime du moteur étant effectuées par la grosse soupape d'admission 5b. Dans ce cas, la grosse soupape d'admission 5b est commandée par une distribution variable permettant de la placer soit en position de fermeture, soit en position d'ouverture, suivant que le moteur est à bas ou à haut régime. As a variant, the engine according to the invention can be produced without using a butterfly for closing the large intake duct 3b, the opening and closing of the duct 3b depending on the engine speed being effected by the large valve d 'admission 5b. In this case, the large intake valve 5b is controlled by a variable distribution allowing it to be placed either in the closed position or in the open position, depending on whether the engine is at low or high speed.
La bougie d'allumage 19 peut être décalée légèrement en direction de la petite soupape d'injection 5a assurant l'introduction du mélange combustible. Cependant, il est nécessaire de maintenir la bougie dans une position proche du centre de la chambre de combustion 6. The spark plug 19 can be shifted slightly towards the small injection valve 5a ensuring the introduction of the fuel mixture. However, it is necessary to maintain the spark plug in a position close to the center of the combustion chamber 6.
Cette position permet d'obtenir une meilleure résistance au cliquetis et un parcours de la flamme important sans contact avec les parois de la chambre.This position provides better knock resistance and a significant flame path without contact with the walls of the chamber.
Il est préférable de prévoir une énergie d'allumage ayant un niveau élevé, par exemple une énergie d'allumage au moins égale à 100 mJ, de façon à assurer de bonnes conditions d'allumage lors d'un fonctionnement avec un mélange pauvre ou avec un recyclage homogène de gaz d'échappement. Une forte énergie d'allumage permet d'améliorer le fonctionnement du moteur aux régimes les plus élevés de la plage de fonctionnement dans laquelle le gros conduit d'admission 3b reste fermé. It is preferable to provide an ignition energy having a high level, for example an ignition energy at least equal to 100 mJ, so as to ensure good ignition conditions when operating with a lean mixture or with consistent recycling of exhaust gases. A high ignition energy makes it possible to improve the operation of the engine at the highest revs of the operating range in which the large intake duct 3b remains closed.
Dans le cas où l'on effectue un recyclage EGR des gaz d'échappement de manière homogène, les gaz d'échappement peuvent être introduits à l'admission, soit en amont du collecteur (EGR monopoint), soit par une rampe d'amenée permettant une introduction individuelle dans chacun des petits conduits d'admission des cylindres (EGR multipoint). In the case where an EGR recycling of the exhaust gases is carried out in a homogeneous manner, the exhaust gases can be introduced at the intake, either upstream of the manifold (single point EGR), or by a supply ramp allowing individual introduction into each of the small cylinder intake ducts (multipoint EGR).
Dans les deux cas, on pourra contrôler le débit par une vanne EGR unique. In both cases, the flow can be controlled by a single EGR valve.
En définitive, le moteur suivant l'invention peut fonctionner de manière tout-à-fait satisfaisante, aussi bien à bas régime qu'à haut régime, avec un mélange pauvre ou avec un mélange plus riche avec ou sans recyclage de gaz d'échappement. Le moteur suivant l'invention présente donc des performances satisfaisantes aussi bien lorsqu'il est utilisé avec un mélange pauvre que dans une utilisation différente. Ce moteur permet également d'obtenir des gains en ce qui concerne la consommation de carburant, pour des fonctionnements à très faible charge ou au ralenti, l'utilisation d'un mélange pauvre n'étant généralement pas appropriée pour des fonctionnements de ce type. Ultimately, the engine according to the invention can operate in a completely satisfactory manner, both at low speed and at high speed, with a lean mixture or with a richer mixture with or without recycling of exhaust gases. . The engine according to the invention therefore has satisfactory performance both when it is used with a lean mixture and in a different use. This engine also makes it possible to obtain gains in terms of fuel consumption, for operations at very low load or at idle, the use of a lean mixture not generally being suitable for operations of this type.
Le moteur suivant l'invention permet d'autre part d'obtenir une augmentation du couple à bas régime en conservant un couple à haut régime satisfaisant. The engine according to the invention also makes it possible to obtain an increase in the torque at low speed while maintaining a satisfactory torque at high speed.
Le moteur suivant l'invention permet de limiter à un niveau faible les émissions d'oxyde d'azote NOx, ces émissions pouvant être encore réduites en effectuant un recyclage EGR de gaz d'échappement et en utilisant un catalyseur trois voies. The engine according to the invention makes it possible to limit the emissions of nitrogen oxide NOx to a low level, these emissions being able to be further reduced by carrying out EGR recycling of exhaust gases and by using a three-way catalyst.
L'invention ne se limite pas au mode de réalisation qui a été décrit. The invention is not limited to the embodiment which has been described.
C'est ainsi qu'on peut envisager une géométrie des conduits d'admission différente de celles qui ont été décrites. This is how one can envisage a geometry of the intake ducts different from those which have been described.
Il est possible également de commander l'ouverture et la fermeture du gros conduit d'admission d'une manière différente de celles qui ont été décrites. It is also possible to control the opening and closing of the large intake duct in a manner different from those which have been described.
L'invention s'applique à tout moteur à combustion interne à allumage commandé comportant deux soupapes d'admission par cylindre. The invention applies to any internal combustion engine with positive ignition comprising two intake valves per cylinder.
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