FR2927661A1 - Procede et dispositif de commande d'un moteur a cycle a deux temps - Google Patents

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Abstract

Ce procédé comprend : - une phase de balayage pendant laquelle on ouvre la soupape d'admission lorsque la pression cylindre devient inférieure à la pression de suralimentation en sortie du turbocompresseur,- une phase de compression pendant laquelle on ferme les soupapes d'admission et d'échappement,- une phase d'injection et de combustion,- une phase d'échappement vers le turbocompresseur pendant laquelle on ouvre la soupape d'échappement et on expulse les gaz vers le turbocompresseur tant que la pression cylindre reste supérieure à la pression en amont du turbocompresseur, et- une phase d'échappement direct pendant laquelle on expulse les gaz lorsque la pression cylindre devient inférieure à la pression en amont du turbocompresseur et jusqu'à ce qu'elle égale la pression de suralimentation.

Description

Procédé et dispositif de commande d'un moteur à cycle à deux temps
La présente invention se rapporte à un procédé de commande 5 d'un moteur à cycle deux temps et à un dispositif de commande pour la mise en oeuvre du procédé. Plus précisément, l'invention concerne un moteur à cycle deux temps comprenant un cylindre moteur équipé d'un piston, d'une soupape d'admission et d'une soupape d'échappement, et un io turbocompresseur alimenté par les gaz d'échappement. Elle s'applique notamment, mais pas exclusivement, à un moteur diesel. Le cycle à deux temps d'un moteur à combustion interne comporte, comme un cycle à quatre temps, des phases successives d'admission, d'échappement, de compression et de détente. 15 Cependant, dans un cycle à deux temps, la plage de temps pour chaque phase est réduite de sorte que les phases d'admission et d'échappement sont partiellement superposées. Cette superposition implique que la pression d'admission doit toujours être supérieure à la pression à l'échappement. Ceci est 20 également rendu nécessaire du fait que l'admission ayant en partie lieu pendant la remontée du piston, il n'y a pas d'effet d'aspiration pour aider à l'admission d'air. Généralement, la suralimentation d'un moteur à cycle deux temps est effectuée par une pompe ou un compresseur entraîné 25 électriquement ou mécaniquement, car ceci permet d'assurer que la pression d'admission est toujours supérieure à la pression à l'échappement. Cependant, de telles solutions sont coûteuses énergiquement et entraînent ainsi une hausse de la consommation. On connaît également, notamment par le document EP-A- 30 1 484 485, un moteur à cycle deux temps suralimenté par un turbocompresseur recevant son énergie des gaz d'échappement. Cependant, on constate que dans les deux exemples présentés, respectivement sur les figures 1 et 4 de ce document, le diagramme pression/volume du cylindre comporte une boucle basse 35 pression négative (boucle 5-6-7), donc une partie du cycle qui consomme de l'énergie et détériore ainsi le bilan énergétique en augmentant la consommation.
L'invention vise à pallier, ou à tout le moins limiter, les inconvénients de l'état de la technique. Elle propose à cette fin un procédé et un dispositif produisant un cycle deux temps dans lequel la pression d'admission fournie par le turbocompresseur est supérieure à la pression à l'échappement sur tous les points de fonctionnement du cycle, celui-ci étant ainsi plus efficace du point de vue énergétique. La présente invention atteint son but en proposant un procédé de commande d'un moteur à cycle deux temps comprenant un ~o cylindre moteur équipé d'un piston, d'une soupape d'admission et d'une soupape d'échappement, et un turbocompresseur alimenté par les gaz d'échappement et branché sur l'admission du cylindre, ledit procédé formant un cycle moteur comprenant les phases suivantes : 15 - une phase de balayage pendant laquelle on ouvre la soupape d'admission lorsque la pression cylindre Pc devient inférieure à la pression d'admission Pa, avec donc Pa?Pc>Pe où Pe est la pression d'échappement, - une phase de compression pendant laquelle on ferme les 20 soupapes d'admission et d'échappement, - une phase d'injection et de combustion, - une phase d'échappement vers le turbocompresseur pendant laquelle on ouvre la soupape d'échappement et on expulse les gaz vers le turbocompresseur tant que la pression cylindre Pc reste 25 supérieure à la pression PavT en amont du turbocompresseur, et -une phase d'échappement direct pendant laquelle on expulse les gaz lorsque la pression cylindre Pc devient inférieure à la pression PavT en amont du turbocompresseur et jusqu'à ce que Pc Pa. 30 Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, dans la phase d'échappement vers le turbocompresseur, on ouvre la soupape d'échappement entre 70° et 80° après le point mort haut. Selon une autre caractéristique avantageuse de l'invention, dans la phase de balayage, on ouvre la soupape d'admission entre 35 140° et 150° après le point mort haut. Selon encore une autre caractéristique avantageuse de l'invention, dans la phase de compression, on ferme les soupapes
d'admission et d'échappement entre 2.40° et 250° après le point mort haut. L'invention a également pour objet un dispositif de commande d'un moteur à cycle deux temps comprenant un cylindre moteur équipé d'un piston, d'une soupape d'admission et d'une soupape d'échappement, et un turbocompresseur alimenté par les gaz d'échappement et débitant sur l'admission, ledit dispositif de commande comprenant un moyen de commande des soupapes d'admission et d'échappement et un moyen de guidage pour guider lo sélectivement les gaz d'échappement soit vers le turbocompresseur, soit vers l'échappement, ce dispositif de commande étant remarquable en ce qu'il comprend en outre : - un moyen de mesure de la pression PavT en amont du turbocompresseur, de la pression Pa d'admission, de la pression Pc 15 du cylindre et de la pression Pe d'échappement, et - un moyen de traitement pour commander le moyen de commande et le moyen de guidage en fonction des pressions mesurées par le moyen de mesure. Selon une forme d'exécution de l'invention, le moyen de 20 traitement est conçu pour commander le moyen de commande et le moyen de guidage de sorte que le moteur se trouve dans l'un des états suivants : - la soupape d'admission est ouverte lorsque la pression cylindre Pc devient inférieure à la pression de suralimentation Pa 25 d'admission, avec avec donc Pa>_Pc>Pe où Pe est la pression d'échappement, - les soupapes d'admission et d'échappement sont fermées, - la soupape d'échappement est ouverte et les gaz sont expulsés vers le turbocompresseur tant que la pression cylindre Pc 30 reste supérieure à la pression PavT en amont du turbocompresseur, - les gaz sont expulsés directement vers l'échappement lorsque la pression cylindre Pc devient inférieure à la pression PavT en amont du turbocompresseur et jusqu'à ce que Pc = Pa. D'autres particularités et avantages de l'invention ressortiront à 35 la lecture de la description faite ci-après d'un mode de réalisation particulier de l'invention, donné à titre indicatif mais non limitatif, en référence aux dessins annexés sur lesquels :
- les figures la à le illustrent les phases d'un cycle à deux temps selon un mode de réalisation du procédé selon l'invention, - la figure 2 illustre schématiquement un dispositif de commande pour la mise en oeuvre du procédé décrit en référence aux figures la à le, - la figure 3 est un diagramme pression/volume du cylindre dans un cycle deux temps obtenu par le procédé décrit en référence aux figures la à le, et - la figure 4 est un diagramme de la pression cylindre en io fonction de la position du vilebrequin pour un cylindre commandé selon le diagramme de la figure 3. Les phases d'un cycle à deux temps selon l'invention vont être décrites en relation avec les figures la à le. Sur ces figures, un seul cylindre a été représenté mais il est clair qu'un moteur à cycle 15 deux temps comprend généralement plusieurs cylindres. Sur chacune de ces figures, on a représenté un cylindre 2 comprenant un carter 4 dans lequel est disposé un piston 6 mû par une bielle 8 liée à un vilebrequin 10. Un conduit d'admission 12 et un conduit de refoulement 14 sont en communication avec la 20 chambre du cylindre. Le cylindre comprend en outre une soupape d'admission 16 et une soupape de refoulement 18 pour obturer respectivement sélectivement le passage entre le conduit d'admission et la chambre et entre la chambre et le conduit de refoulement. Un injecteur 11 permet l'injection de carburant. 25 La figure la correspond à la phase dite de balayage du cycle. Dans cette phase, les soupapes d'admission 12 et de refoulement 14 sont ouvertes. Il y a donc simultanément admission et refoulement. Le début de cette phase a lieu lorsque la pression Pc dans le cylindre devient inférieure à la pression de suralimentation 30 Ps, qui est par exemple de 2 bars, et qui constitue ici la pression d'admission Pa. Dans le mode de réalisation décrit, ceci se produit 145° après le point mort haut. La pression Pa est alors supérieure à la pression à l'échappement Pe et, par conséquent, les gaz frais poussent les gaz brûlés vers l'échappement. Pour que cette phase 35 soit efficace, il faut que les gaz frais et les gaz brûlés ne se mélangent pas. Des solutions pour atteindre ce but sont bien connues de l'homme du métier et comprennent notamment 5 2927661 l'utilisation de masques de soupapes ou des déflecteurs, l'étagement des soupapes ou des formes de conduits particulières, etc. La phase de balayage se poursuit jusqu'à ce que la quantité 5 d'air désirée a été introduite dans le cylindre. Ceci se produit par exemple 245° après le point mort haut. Les soupapes d'admission 16 et d'échappement 18 sont alors fermées. On se trouve alors au début de la phase de compression. Ensuite, vient la phase d'injection par l'injecteur 11, représenté io sur la figure 1 b. L'injection peut être précoce, par exemple 60° avant le point mort haut dans le cas d'une combustion HCCI ou être fractionnée pour contrôler le début de la combustion. La phase de combustion fournit l'énergie nécessaire à la redescente du piston 6. La figure 1c illustre le début de cette 15 redescente. On passe alors au refoulement des gaz brûlés, qui comprend deux phases de refoulement successives, une première phase pendant laquelle les gaz brûlés sont dirigés vers le turbocompresseur et une deuxième phase, d'échappement direct, 20 pendant laquelle les gaz brûlés sont dirigés vers le collecteur d'échappement. Dans la première phase du refoulement, la soupape d'échappement 18 s'ouvre très tôt après le point mort haut, par exemple 75° après le point mort haut. A cet instant, la pression Pc 25 et la température dans le cylindre sont encore très élevées, par exemple de 10 bars et de 1200 K. La figure 1d illustre l'état du cylindre alors que cette première phase a déjà commencé. Les gaz brûlés, dont l'enthalpie est très élevée sont expulsés de la chambre du cylindre et sont dirigés vers l'entrée du turbocompresseur, à une 30 pression PavT, tant que la pression cylindre Pc est supérieure à cette pression avant turbine PavT, qui est par exemple de l'ordre de 3,4 bars. Ensuite, comme représenté sur la figure le, lorsque la pression cylindre Pc devient inférieure à la pression avant turbine 35 PavT, les gaz brûlés sont dirigés directement vers l'échappement, sans passer par le turbocompresseur. Les gaz sont expulsés
efficacement du fait de la faible pression Pe au niveau du catalyseur et du silencieux, de l'ordre par exemple de 1,4 bar. Ce refoulement en deux phases successives permet une vidange très efficace des gaz brûlés.
On a représenté sur la figure 2 un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé décrit ci-dessus, pour la commande d'un moteur à cycle deux temps (représenté schématiquement par un unique cylindre 2) équipé d'un turbocompresseur 20. Dans le mode de réalisation représenté, le turbocompresseur 20, comprend une lo turbine 22 et un compresseur 24, et de conduits d'entrée 25 et de sortie 26 à l'atmosphère. Le conduit d'entrée 25 peut comporter un branchement direct 27 vers l'admission du cylindre pour y fournir la pression atmosphérique Pat en tant que pression d'admission Pa lors des phases de démarrage du moteur par exemple, ce is branchement étant fermé par une valve 29 en dehors de ces phases. Le dispositif de commande comprend un moyen de mesure de la pression en différents points de l'ensemble moteur/turbocompresseur comportant des capteurs de pression 20 20a-20e pour détecter respectivement la pression Pat, la pression de suralimentation Ps en sortie du turbocompresseur, la pression cylindre Pc et la pression d'échappement Pe et la pression avant turbine PavT. Il comprend également un moyen de commande 26 de 25 l'ouverture/fermeture des soupapes d'admission 16 et d'échappement 18. II comprend en outre un moyen de guidage ou d'aiguillage 28 pour guider sélectivement les gaz d'échappement soit vers le turbocompresseur, soit vers l'échappement. 30 II comprend enfin un moyen de traitement 30 pour recevoir les valeurs des pressions mesurées par les capteurs 20a-20d et commander, en fonction du cycle deux temps à effectuer, le moyen de commande 26 et le moyen de guidage 28. Le cycle deux temps est conforme à l'invention et est mémorisé dans le moyen de 35 traitement de toute manière connue, et notamment sous forme d'un logiciel ou sous forme matérielle, par exemple dans un circuit de type ASIC.
La figure 3 illustre le diagramme pression/volume du cylindre dans un cycle à deux temps selon l'invention, et tel que décrit en référence aux figures la à le, ce procédé étant mis en oeuvre par un dispositif tel que décrit en référence à la figure 2.
Ce diagramme est obtenu pour un régime de 3000 tr/min, avec une pression de suralimentation Pa de 2 bars et une pression PavT en amont du compresseur de 3,4 bars. Sur cette figure 3, les termes EVO, IVO, EVC et IVC sont des abréviations des termes anglo-saxons Exhaust Valve Opening, to Intake Valve Opening, Exhaust Valve Closing and Intake Valve Closing qui signifient respectivement Ouverture de la Soupape d'Echappement, Ouverture de la Soupape d'Admission, Fermeture de la Soupape d'Echappement et Fermeture de la Soupape d'Admission. On note que le diagramme ne comporte pas de boucle is négative (boucle parcourue dans le sens anti-horaire), ce qui signifie que le cycle ne comporte pas de partie consommant de l'énergie. La figure 4 est un diagramme de la pression cylindre en fonction de la position du vilebrequin, cette position étant notée entre -180° et +180°, qui correspondent au point mort bas.
20 La soupape d'échappement est ouverte (EVO) à 75° après le point mort haut et la soupape d'admission est ouverte (IVO) à 145° après le point mort haut, alors que la soupape d'échappement est encore ouverte. Ceci correspond sensiblement à la position illustrée sur la figure la. Les deux soupapes sont fermées (EVC et IVC) à 25 115° avant le point mort haut (245° après le point mort haut), ce qui correspond sensiblement à la position illustrée sur la figure 1 b.

Claims (6)

REVENDICATIONS
1. Procédé de commande d'un moteur à cycle deux temps comprenant un cylindre (2) moteur équipé d'un piston (6), d'une soupape d'admission (16) et d'une soupape d'échappement (18), et un turbocompresseur (20) alimenté par les gaz d'échappement et branché sur l'admission du cylindre, ledit procédé formant un io cycle moteur comprenant les phases suivantes : - une phase de balayage pendant laquelle on ouvre la soupape d'admission (16) lorsque la pression cylindre Pc devient inférieure à la pression, d'admission Pa, avec donc Pa?Pc>Pe où Pe est la pression d'échappement 15 - une phase de compression pendant laquelle on ferme les soupapes d'admission (16) et d'échappement (18), - une phase d'injection et de combustion, - une phase d'échappement vers le turbocompresseur (20) pendant laquelle on ouvre la soupape d'échappement (18) et on 20 expulse les gaz vers le turbocompresseur tant que la pression cylindre Pc reste supérieure à la pression PavT en amont du turbocompresseur, et - une phase d'échappement direct pendant laquelle on expulse les gaz lorsque la pression cylindre Pc devient inférieure à la 25 pression PavT en amont du turbocompresseur et jusqu'à ce que Pc = Pa.
2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel, dans la phase d'échappement vers le turbocompresseur, on ouvre la soupape 30 d'échappement entre 70° et 80° après le point mort haut.
3. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel, dans la phase de balayage, on ouvre la soupape d'admission entre 140° et 150° après le point mort haut.
4. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel, dans la phase de compression, on ferme les soupapes 35 d'admission et d'échappement entre 240° et 250° après le point mort haut.
5. Dispositif de commande d'un moteur à cycle deux temps comprenant un cylindre (2) moteur équipé d'un piston (6), d'une soupape d'admission (16) et d'une soupape d'échappement (18), et un turbocompresseur (20) alimenté par les gaz d'échappement et débitant sur l'admission, ledit dispositif de commande comprenant : - un moyen de commande (26) des soupapes d'admission et ~o d'échappement, - un moyen de guidage (28) pour guider sélectivement les gaz d'échappement soit vers le turbocompresseur, soit vers l'échappement, ledit dispositif de commande étant caractérisé en ce qu'il 15 comprend : - un moyen de mesure (20a-20d) de la pression PavT en amont du turbocompresseur, de la pression Pa d'admission, de la pression Pc du cylindre et de la pression Pe d'échappement, et - un moyen de traitement (30) pour commander le moyen de 20 commande et le moyen de guidage en fonction des pressions mesurées par le moyen de mesure.
6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que le moyen de traitement (30) est conçu pour commander le moyen de 25 commande (26) et le moyen de guidage (28) de sorte que le moteur se trouve dans l'un des états suivants : - la soupape d'admission (16) est ouverte lorsque la pression cylindre Pc devient inférieure à la pression de suralimentation Pa d'admission, avec avec donc Pa>_Pc>Pe où Pe est la pression 30 d'échappement, - les soupapes d'admission (16) et d'échappement (18) sont fermées, - la soupape d'échappement (18) est ouverte et les gaz sont expulsés vers le turbocompresseur (20) tant que la pression cylindre 35 Pc reste supérieure à la pression PavT en amont du turbocompresseur, - les gaz sont expulsés directement vers l'échappement lorsque la pression cylindre Pc devient inférieure à la pression PavT en amont du turbocompresseur et jusqu'à ce que Pc = Pa.5
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