FR2972219A1

FR2972219A1 - Procede de commande d'au moins une soupape d'admission d'un moteur thermique fonctionnant selon un cycle a quatre temps.

Info

Publication number: FR2972219A1
Application number: FR1061101A
Authority: FR
Inventors: Nicolas Gelez; Damien Fournigault; Julien Hobraiche
Original assignee: Valeo Systemes de Controle Moteur SAS
Current assignee: Valeo Systemes de Controle Moteur SAS
Priority date: 2010-12-22
Filing date: 2010-12-22
Publication date: 2012-09-07
Anticipated expiration: 2030-12-22
Also published as: FR2972219B1; WO2012085450A1

Abstract

L'invention concerne un procédé de commande d'au moins une soupape d'admission reliant un collecteur d'admission à une chambre de combustion d'un moteur thermique fonctionnant selon un cycle à quatre temps à savoir admission, compression, détente et échappement. Selon l'invention, le procédé comporte l'étape d'ouvrir la soupape d'admission durant une partie du temps de compression pendant laquelle dans la chambre de combustion règne une pression inférieure à une pression dans le collecteur d'admission.

Description

L'invention concerne un procédé de commande d'au moins une soupape d'admission reliant un collecteur d'admission à une chambre de combustion d'un moteur thermique fonctionnant selon un cycle à quatre temps à savoir admission, compression, détente et échappement. Ce type de moteur thermique est par exemple utilisable pour la propulsion de véhicules automobiles. ARRIERE PLAN TECHNOLOGIQUE DE L'INVENTION Un moteur thermique à combustion interne comporte au moins un cylindre formant une chambre de combustion recevant à coulissement un piston. Chaque cylindre est équipé d'au moins une soupape d'admission et d'au moins une soupape d'échappement le reliant respectivement à un collecteur d'admission et à un collecteur d'échappement, la fermeture et l'ouverture des soupapes étant classiquement fonction de profils de cames montées sur un arbre à cames qui est entraîné en rotation par le moteur lui-même. Dans un moteur thermique à combustion interne fonctionnant selon un cycle à quatre temps, pour chaque cylindre, les soupapes contrôlent l'admission d'air et éventuellement de carburant ainsi que l'échappement des gaz brûlés suite à une combustion du mélange air et carburant dans la chambre de combustion. La figure 1 est un diagramme traduisant le fonctionnement du moteur thermique décrit ci-dessus lorsqu'il fonctionne en charge partielle, le volume de la chambre de combustion étant en abscisse et la pression régnant dans la chambre de combustion en ordonné. Au cours du cycle à quatre temps se succèdent : - une phase d'admission (du point A au point B) au cours de laquelle la soupape d'admission est maintenue ouverte pendant sensiblement toute la durée de la descente du piston ; - une phase de compression (du point B au point C) au 35 cours de laquelle Les soupapes sont fermées et le piston monte de sa position basse à sa position haute en compressant le mélange d'air et de carburant qui a été introduit dans la chambre de combustion lors de la phase précédente ; - une phase de détente (du point C au point D) qui suit l'inflammation du mélange et au cours de laquelle le piston redescend sous l'effet de l'augmentation de pression résultant de la combustion du mélange ; c'est le temps moteur du cycle ; - une phase d'échappement (du point D au point A) au cours de laquelle le piston remonte alors que la soupape d'échappement est maintenue ouverte pour évacuer les gaz brûlés. Le diagramme pression-volume de la figure 1 permet d'apprécier le rendement du moteur thermique, le travail total produit par le piston lors d'un cycle de fonctionnement étant proportionnel à l'aire de la boucle supérieure symbolisant le travail positif produit par le piston (dite boucle haute pression) moins l'aire de la boucle inférieure symbolisant le travail négatif produit par le piston (dite boucle basse pression). La figure 1 montre ainsi clairement que le rendement d'un tel moteur est relativement médiocre. Premièrement, la boucle basse pression du moteur thermique est importante. En effet, la soupape d'admission est ouverte sensiblement pendant toute la phase d'admission de sorte que du mélange air-carburant est introduit en continu dans la chambre de combustion. Un papillon des gaz du moteur thermique est donc réglé pour pouvoir contrôler le remplissage de la chambre de combustion, la fermeture partielle ou entière du papillon des gaz provoquant une diminution de la pression dans le collecteur d'admission. De par la diminution de la pression dans le collecteur d'admission, l'aspiration du mélange air-carburant dans la chambre de combustion est moins efficace. Des pertes par pompage importantes sont donc engendrées ce qui se traduit au final par un travail négatif produit par le piston. Deuxièmement, le mélange air-carburant présent dans la chambre de combustion n'a qu'une faible énergie cinétique turbulente. Dès lors, la pression dans la chambre de combustion augmente peu lorsque le mélange s'enflamme ce qui limite la force exercée sur le piston pour le faire redescendre. Pour améliorer le rendement du moteur, il est connu de ne plus actionner les soupapes à l'aide de cames et d'un arbre à cames mais d'associer à chaque soupape un actionneur individuel de soupape (comme un actionneur électromagnétique). Les actionneurs individuels de soupape permettent d'ouvrir et de fermer les soupapes indépendamment des autres soupapes et indépendamment de la rotation du vilebrequin du moteur. Il est ainsi possible de maîtriser le temps d'ouverture de la soupape d'admission lors de la phase d'admission. Le remplissage du cylindre est donc contrôlé sans qu'il soit nécessaire de jouer sur le papillon des gaz. La pression dans le collecteur d'admission est maintenue constante et égale à la pression atmosphérique durant la phase d'admission, la soupape d'admission se fermant une fois la quantité souhaitée de mélange introduite dans la chambre de combustion. La figure 2 est un diagramme traduisant le fonctionnement du moteur thermique sans came décrit ci-dessus lorsqu'il fonctionne en charge partielle, le volume de la chambre de combustion étant en abscisse et la pression régnant dans la chambre de combustion en ordonné. La figure 2 montre bien qu'en contrôlant le temps d'ouverture de la soupape d'admission à pression dans le collecteur égale à la pression atmosphérique, la boucle basse pression traduisant le travail négatif produit par le piston est supprimée.

De façon avantageuse quel que soit le point de fonctionnement du moteur, il est possible de contrôler le temps d'ouverture de la soupape d'admission pour toujours introduire la quantité voulue de mélange air-carburant dans la chambre de combustion à pression dans le collecteur d'admission égale à la pression atmosphérique. Toutefois, la fermeture précoce de la soupape d'admission durant la phase d'admission s'accompagne d'une limitation de l'énergie cinétique turbulente du mélange introduit dans la chambre de combustion. Ainsi, même si le rendement du moteur sans came est meilleur par la suppression des pertes par pompage, il s'avère encore faible. OBJET DE L'INVENTION Un but de l'invention est d'améliorer le rendement des moteurs comprenant un système permettant un actionnement individuel de soupape. BREVE DESCRIPTION DE L'INVENTION En vue de la réalisation de ce but, on propose un procédé de commande d'au moins une soupape d'admission reliant un collecteur d'admission à une chambre de combustion d'un moteur thermique fonctionnant selon un cycle à quatre temps à savoir admission, compression, détente et échappement.

Selon l'invention, le procédé comporte l'étape d'ouvrir la soupape d'admission durant une partie du temps de compression pendant laquelle dans la chambre de combustion règne une pression inférieure à une pression dans le collecteur d'admission.

Ainsi, une première quantité d'air éventuellement additionné de carburant (selon que le moteur est à injection directe ou pas) est introduite dans la chambre de combustion durant la phase d'admission et une deuxième quantité d'air éventuellement additionné de carburant est introduite dans la chambre de combustion durant la phase de compression. Or, la différence de pression entre la pression dans le collecteur d'admission et la pression dans la chambre de combustion favorise l'aspiration d'air dans la chambre de sorte que la deuxième quantité d'air a une forte énergie cinétique turbulente. Cette deuxième quantité d'air augmente en outre l'énergie cinétique turbulente de la première quantité d'air déjà présente dans la chambre de combustion. L'air présent dans la chambre de combustion à la fin de la phase de compression présente donc une très haute énergie cinétique turbulente qui favorise l'augmentation rapide de pression dans la chambre de combustion lorsque le mélange s'enflamme. Le travail positif produit par le piston s'en trouve augmenté. De façon avantageuse, par ce procédé, on peut diminuer une consommation en carburant du moteur thermique pour un point de fonctionnement donné. BREVE DESCRIPTION DES DESSINS L'invention sera mieux comprise à la lumière de la description qui suit d'un mode de mise en oeuvre particulier 20 non limitatif de l'invention. Il sera fait référence aux figures ci-jointes, parmi lesquelles : - les figures 1 et 2 sont des diagrammes volume/pression qui ont déjà été décrits en relation avec 25 la présentation de l'art antérieur ; la figure 3 est un diagramme volume/pression sur lequel a été porté une courbe de fonctionnement d'un moteur thermique sans came (dit « camless ») lorsqu'il fonctionne en charge partielle, le volume de la chambre de combustion 30 étant en abscisse et la pression régnant dans la chambre de combustion en ordonnée, ledit moteur permettant de mettre en application le procédé de commande de l'invention ; la figure 4 est un schéma symbolisant l'ouverture et la fermeture d'une des soupapes d'admission durant un cycle de fonctionnement du moteur dont la courbe de fonctionnement est représentée sur la figure 3. DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION Le procédé selon l'invention est ici détaillé en référence à un moteur thermique d'une voiture. Le moteur thermique est un moteur à combustion interne comportant un bloc moteur qui comporte ici quatre cylindres formant des chambres de combustion recevant chacun à coulissement un piston. Il va de soi que le procédé de l'invention est applicable à des moteurs à allumage commandé ou non, ayant un nombre différent de cylindres. Les cylindres sont reliés à un système d'admission d'air et d'injection de carburant, et à un système d'échappement des gaz brûlés. Chaque cylindre est ici équipé d'une soupape d'admission et d'une soupape d'échappement le reliant aux systèmes d'admission et d'échappement, et d'un injecteur de carburant débouchant ici dans le conduit d'admission en amont de la soupape d'admission. Au moins les soupapes d'admission sont associées à des actionneurs électromagnétiques de soupapes, connus en eux-mêmes, permettant un actionnement individuel des soupapes de sorte qu'elles peuvent être ouvertes ou fermées indépendamment des autres soupapes. Les dispositifs individuels d'actionnement de soupape étant connus de l'art antérieur, ils ne seront pas décrits plus en détail ici. Le fonctionnement du moteur thermique est commandé par une unité de commande (ou ECU de l'anglais « Engine Control Unit ») qui détermine des instructions de commande du moteur (comme la quantité de carburant injecté et le débit d'air d'admission) en fonction de la demande d'accélération du conducteur (enfoncement de la pédale d'accélération) et des valeurs détectées de paramètres de fonctionnement du moteur. L'unité de commande génère entre autres des consignes de fermeture et d'ouverture de soupapes à destination des différents actionneurs de soupapes pour optimiser le remplissage des quatre cylindres du moteur thermique et par là le travail produit par le moteur selon la demande d'accélération. Un cycle de fonctionnement va être à présent décrit 5 pour un des cylindres. En référence aux figures 3 et 4, durant la phase d'admission, la soupape d'admission du cylindre est ouverte entièrement une première fois. L'unité de commande génère une consigne de fermeture de ladite soupape d'admission 10 quand la quantité souhaitée d'air a été aspirée dans la chambre de combustion, le piston n'ayant pas nécessairement atteint sa position basse. Ainsi, par une fermeture précoce de la soupape d'admission, il n'est pas nécessaire de fermer partiellement ou entièrement un papillon des gaz du 15 moteur thermique comme dans un moteur thermique de l'art antérieur pour contrôler le remplissage du cylindre. La pression dans le collecteur d'admission est donc maintenue constante et sensiblement égale à la pression atmosphérique durant toute la partie où la soupape d'admission est 20 ouverte ce qui limite d'éventuelles pertes par pompage. La première phase d'ouverture de la soupape d'admission permet d'admettre une première quantité de mélange air-carburant à énergie cinétique turbulente limitée, la pression dans la chambre de combustion tendant 25 à s'équilibrer avec la pression régnant dans le collecteur d'admission durant la phase d'admission. A la fermeture de la soupape d'admission, le piston continue de descendre ce qui provoque une baisse de pression dans la chambre de combustion. A la fin de la 30 phase d'admission, le piston est dans sa position basse et la pression dans la chambre de combustion est inférieure à la pression dans le collecteur d'admission. Durant la phase de compression, le piston monte de sa position basse à sa position haute comprimant ainsi la 35 première quantité de mélange présente dans la chambre de combustion ce qui augmente de nouveau la pression dans ladite chambre. Selon l'invention, la soupape d'admission est ouverte une deuxième fois durant une partie de cette phase de compression où la pression dans la chambre de combustion demeure inférieure à la pression dans le collecteur d'admission. De préférence, la soupape d'admission est refermée lorsque la pression dans la chambre de combustion est de nouveau sensiblement égale à la pression dans le collecteur d'admission.

Ici, la soupape d'admission est ouverte entièrement comme dans la phase d'admission. Alternativement, on pourra n'ouvrir que faiblement la soupape d'admission. La deuxième phase d'ouverture de la soupape d'admission permet d'admettre une deuxième quantité de mélange air-carburant. Cette fois, la pression dans la chambre de combustion est inférieure à la pression dans le collecteur : la deuxième quantité de mélange air-carburant introduite dans la chambre de combustion a donc une très haute énergie cinétique turbulente. Cette deuxième quantité de mélange augmente en outre l'énergie cinétique turbulente de la première quantité de mélange déjà présente dans la chambre de combustion. Selon un mode de réalisation privilégié, lorsque la pression dans la chambre de combustion est de nouveau sensiblement égale à la pression dans le collecteur d'admission, la soupape d'admission est refermée. L'ensemble du mélange présent dans la chambre de combustion à la fermeture de la soupape présente donc une très haute énergie cinétique turbulente.

Une fois la soupape d'admission refermée, le piston continue sa montée et compresse l'ensemble du mélange introduit dans la chambre de combustion. L'ensemble du mélange présent dans la chambre de combustion à la fin de la phase de compression a conservé 35 sa haute énergie cinétique turbulente.

Lorsque le piston atteint sensiblement sa position haute, une étincelle est provoquée dans la chambre de combustion par une bougie d'allumage mettant le feu au mélange air-carburant. Du fait de sa haute énergie cinétique turbulente, la combustion du mélange entraîne une augmentation importante et rapide de la pression dans la chambre de combustion. Un travail positif plus important sera ainsi produit par le piston. L'ouverture de la soupape d'admission durant la phase 10 de compression permet ainsi d'augmenter le rendement du moteur. Il est à noter que la deuxième ouverture de la soupape d'admission entraîne des pertes par pompage. Ces pertes sont toutefois moins importantes que dans un moteur de 15 l'art antérieur comme le montre la figure 1. En outre, l'augmentation du travail positif due à cette même réouverture de la soupape d'admission compense largement lesdites pertes par pompage de sorte que le rendement d'un moteur mettant en oeuvre le procédé selon l'invention est 20 plus important que celui d'un moteur de l'art antérieur. Bien entendu l'invention n'est pas limitée au mode de mise en oeuvre décrit et on peut y apporter des variantes de réalisation sans sortir du cadre de l'invention tel que défini par les revendications. 25 Bien qu'ici le procédé soit appliqué à un moteur thermique à quatre cylindres à combustion interne et injection indirecte, le procédé sera applicable à tout type de moteur thermique dont au moins une soupape d'admission peut être commandée indépendamment des autres soupapes. 30 On pourra ainsi appliquer l'invention à un moteur dont l'allumage n'est pas provoqué par une bougie d'allumage comme par exemple un moteur à allumage non commandé tel qu'un moteur diesel. Chaque cylindre du moteur thermique pourra comporter 35 plus d'une soupape d'admission et plus d'une soupape d'échappement, l'invention étant alors applicable à la commande de tout ou partie des soupapes d'admission. Par exemple, si un cylindre du moteur thermique comporte deux soupapes d'admission, on pourra ouvrir une même soupape d'admission pendant les deux phases d'ouverture pour l'introduction du mélange air-carburant dans la chambre de combustion. On pourra aussi ouvrir une première soupape d'admission pendant la première phase d'ouverture et une deuxième soupape d'admission pendant la deuxième phase d'ouverture. On pourra également envisager d'ouvrir les deux soupapes d'admission de façon simultanée pour l'une des phases d'ouverture et d'ouvrir seulement l'une ou l'autre des deux soupapes d'admission pour l'autre phase d'ouverture. On pourra également envisager que les deux soupapes d'admission soient ouvertes simultanément pour les deux phases d'ouverture. Les durées d'ouverture des soupapes peuvent également être différentes. L'invention est en outre applicable aux moteurs à injection de carburant directement dans le cylindre.

L'invention est applicable à tout système permettant un actionnement individuel d'au moins une soupape d'admission. Bien qu'ici, la soupape d'admission soit refermée une deuxième fois lorsque la pression dans la chambre de combustion est de nouveau sensiblement égale à la pression dans le collecteur d'admission, la soupape d'admission pourra être refermée lorsque la pression dans la chambre de combustion est encore inférieure à la pression dans le collecteur d'admission.

Claims

REVENDICATIONS1. Procédé de commande d'au moins une soupape d'admission reliant un collecteur d'admission à une chambre de combustion d'un moteur thermique fonctionnant selon un cycle à quatre temps à savoir admission, compression, détente et échappement, le procédé étant caractérisé en ce qu'il comporte l'étape d'ouvrir la soupape d'admission durant une partie du temps de compression pendant laquelle dans la chambre de combustion règne une pression inférieure à une pression dans le collecteur d'admission.
2. Procédé de commande selon la revendication 1, comportant l'étape de fermer la soupape d'admission lorsque la pression dans la chambre de combustion est sensiblement égale à la pression dans le collecteur d'admission.
3. Procédé de commande selon la revendication 1, dans lequel la soupape d'admission est entièrement ouverte.
4. Procédé de commande selon la revendication 1, dans lequel la soupape d'admission n'est que faiblement ouverte.
5. Procédé de commande selon la revendication 1, comportant en outre l'étape d'ouvrir la soupape d'admission pendant une partie du temps d'admission lorsque la pression dans le collecteur d'admission est constante et sensiblement égale à la pression atmosphérique.
6. Procédé de commande selon la revendication 5, appliqué à la commande de deux soupapes d'admission reliant le collecteur d'admission à la chambre de combustion, le procédé comportant en outre l'étape d'ouvrir simultanément à la première soupape d'admission, la deuxième soupape d'admission durant une partie du temps de compression pendant laquelle dans la chambre de combustion règne une pression inférieure à une pression dans le collecteur d'admission.
7. Procédé de commande selon la revendication 5, appliqué à la commande de deux soupapes d'admission reliant le collecteur d'admission à la chambre de combustion, le procédé comportant en outre l'étape d'ouvrir simultanément à la première soupape d'admission, la deuxième soupape d'admission pendant une partie du temps d'admission lorsque la pression dans le collecteur d'admission est constante et sensiblement égale à la pression atmosphérique.
8. Procédé de commande selon la revendication 1, appliqué à la commande de deux soupapes d'admission reliant le collecteur d'admission à la chambre de combustion, le procédé comportant en outre l'étape d'ouvrir la deuxième soupape d'admission pendant une partie du temps d'admission lorsque la pression dans le collecteur d'admission est constante et sensiblement égale à la pression atmosphérique.