FR2973447A1

FR2973447A1 - Procede de demarrage d'un moteur thermique a pistons en utilisant de l'air comprime et moteur

Info

Publication number: FR2973447A1
Application number: FR1152687A
Authority: FR
Inventors: Bakkali Amin El; Alain Lefebvre; Fahri Keretli
Original assignee: Renault SAS
Current assignee: Renault SAS
Priority date: 2011-03-31
Filing date: 2011-03-31
Publication date: 2012-10-05
Anticipated expiration: 2031-03-31
Also published as: FR2973447B1

Abstract

Selon un procédé de démarrage d'un moteur (1) thermique à pistons comportant au moins un cylindre (10) dans lequel un piston (12) délimite une première chambre de combustion (B), le piston (12) étant monté coulissant dans le cylindre (10) entre une position dite de point mort haut (PMH) et une position dite de point mort bas (PMB) dans laquelle la première chambre de combustion est la plus grande on injecte pendant une phase motrice de l'air comprimé dans la première chambre de combustion (B) lorsque le piston (12) est dans une phase de passage du point mort haut (PMH) vers le point mort bas (PMB) pour obtenir le démarrage du moteur (1). Moteur mettant en œuvre le procédé .

Description

Procédé de démarrage d'un moteur thermique à pistons en utilisant de l'air comprimé et moteur. DOMAINE DE L'INVENTION L'invention concerne un procédé de démarrage d'un moteur thermique à pistons en utilisant de l'air comprimé. Elle concerne également un moteur équipé pour mettre en oeuvre ledit procédé. TECHNIQUE ANTÉRIEURE Le développement des véhicules hybrides connaît un fort essor. Parmi ceux-ci, des véhicules à destination urbaine sont dotés de système de récupération d'énergie lors des phases de décélération et de restitution de cette énergie lors du démarrage ou pour d'autres usages à bord du véhicule. La configuration la plus fréquente est la combinaison d'un moteur thermique, d'une machine électrique et d'une batterie. Lors d'un freinage, la machine électrique fonctionne en générateur et alimente la batterie. Pendant les accélérations du véhicule, la batterie fournit de l'électricité au moteur électrique pour assister le moteur thermique.

Pour diminuer encore la consommation, on prévoit d'arrêter le moteur thermique lorsque le véhicule est à l'arrêt et de le démarrer rapidement lorsque le besoin d'énergie ne peut être couvert que par le moteur thermique. On connaît par le document US 2010/0192878 un moteur thermique hybride à pistons. Le moteur comporte des cylindres dans lesquels des pistons sont montés coulissants. Des culasses ferment les cylindres par une de leurs extrémités. Les pistons délimitent avec les cylindres et la culasse des chambres de combustion. Le volume délimité par le piston dans le cylindre à l'opposé de la chambre de combustion est fermé et forme une chambre basse. Le document décrit différents modes de fonctionnement dont la possibilité de récupérer de l'énergie en faisant fonctionner les chambres basses en compresseur d'air et en les faisant fonctionner pour entraîner les pistons et démarrer ainsi le moteur. Une telle solution à l'avantage d'utiliser des moyens simples de stockage. Cependant, elle entraîne des complications importantes non encore résolues concernant la construction du moteur.

OBJECTIFS DE L'INVENTION L'invention vise à fournir un procédé pour démarrer facilement un moteur thermique, avec de l'air comprimé, par exemple lors des phases de récupération d'un véhicule, l'air étant stocké dans un réservoir. Elle vise également à fournir un moteur utilisant le procédé.

EXPOSÉ DE L'INVENTION Avec ces objectifs en vue, l'invention a pour objet un procédé de démarrage d'un moteur thermique à pistons comportant au moins un cylindre dans lequel un piston délimite une première chambre de combustion, le piston étant monté coulissant dans le cylindre entre une position dite de point mort haut et une position dite de point mort bas dans laquelle la première chambre de combustion est la plus grande, procédé selon lequel on utilise de l'air comprimé pour obtenir le démarrage du moteur, caractérisé en ce que, pendant une phase motrice, on injecte de l'air comprimé dans la première chambre de combustion lorsque le piston est dans une phase de passage du point mort haut vers le point mort bas. Selon le procédé de l'invention, on utilise directement le moteur thermique dans sa structure habituelle afin de commander son démarrage par de l'air comprimé. L'air comprimé est injecté directement dans la chambre de combustion, et non dans une chambre spécifique. L'entraînement du moteur est obtenu par la mise en mouvement du piston en phase de descente. Si le moteur comporte plusieurs cylindres, seuls le ou les cylindres dont le piston est en phase de mouvement du point mort haut vers le point mort bas sont actionnés. L'alimentation en air du cylindre est répétée à chaque fois que le piston est en position favorable jusqu'à obtenir la vitesse suffisante pour le moteur. A ce moment, 3 l'alimentation en air comprimé cesse et le moteur est commandé selon son mode de fonctionnement normal afin d'obtenir la combustion de carburant dans la chambre. Généralement, le mouvement alternatif des pistons est obtenu par un système bielle-manivelle, la manivelle étant portée par un vilebrequin monté rotatif, la bielle reliant la manivelle au piston. Cependant, d'autres mécanismes de transformation du mouvement alternatif des pistons en mouvement rotatif sont envisageables. L'invention concerne par exemple un moteur à quatre temps à distribution fixe, l'injection étant réalisée pendant un temps de détente. La distribution fixe commande des soupapes d'admission et d'échappement selon un cycle prédéterminé bien connu : admission, compression, détente et échappement. Chaque temps correspond à un aller ou un retour entre les points morts haut ou bas. Le temps de détente correspond en particulier à un mouvement du piston du point mort haut vers le point mort bas. De plus, pendant ce temps, les soupapes sont fermées et permettent donc à l'air comprimé d'augmenter la pression dans la chambre et d'impulser le mouvement du piston. Vers la fin du temps, la soupape d'échappement s'ouvre classiquement en laissant partir l'air introduit dans la chambre et le mouvement peut se poursuivre. Selon une autre application de l'invention, le moteur est un moteur à quatre temps à distribution pilotée, et on injecte l'air comprimé pendant un temps de détente et un temps d'admission et on pilote la distribution pour fermer une soupape d'admission pendant le temps d'admission. Les temps de détente et d'admission correspondent à un mouvement du piston du point mort haut vers le point mort bas. Dans le cycle classique, la soupape d'admission est ouverte pendant le temps d'admission. Cependant, du fait de la possibilité de piloter les soupapes de la distribution pilotée, on peut commander la fermeture de la soupape pendant ce temps, de manière à fournir également de l'air comprimé. L'air comprimé peut donc fournir son travail pendant deux temps sur quatre, au lieu d'un sur quatre avec un moteur à distribution fixe, ce qui permet d'accélérer la mise en route du moteur. De manière complémentaire, lors de la phase motrice, on ouvre une soupape d'échappement pendant le temps de compression. Ainsi, on supprime la compression de l'air pendant ce temps de compression et on diminue donc le travail à fournir pour le lancement du moteur. Le démarrage en est accéléré. Selon un perfectionnement de l'invention, avant l'injection d'air comprimé, dans une phase de préparation, on commande le piston pour le placer dans la phase de passage du point mort haut vers le point mort bas. On cherche ainsi à garantir que le piston soit dans une position favorable pour avoir une efficacité maximale dès le début de l'injection d'air comprimé. Pour les moteurs à embiellage classique, ceci garantit que le démarrage du moteur se fait dans le bon sens. Lorsque le moteur comporte au moins un ensemble de deux cylindres, deux pistons et deux chambres de combustion, les pistons de l'ensemble fonctionnant en opposition de phase, on injecte par exemple de l'air comprimé pendant la phase de préparation dans la deuxième chambre de combustion pour amener le piston de la première chambre de combustion à proximité du point mort haut avant la phase motrice. La phase de préparation est mise en oeuvre en utilisant les même moyens que pour la phase motrice. La phase de préparation entraîne le mouvement inverse au sens normal, mais permet d'atteindre la position souhaitée pour le début de la phase motrice. De manière avantageuse, la phase de préparation est exécutée lors de l'arrêt du moteur. Cette phase peut être ainsi déclenchée au moment opportun, en fonction de la vitesse du moteur et de la position des pistons. De plus, le moteur est prêt ainsi à redémarrer par la phase motrice, ce qui réduit le délai pour la mise en route du moteur. L'invention a aussi pour objet un moteur thermique à pistons comportant au moins un cylindre dans lequel un piston délimite une première chambre de combustion, le piston étant monté coulissant dans le cylindre entre une position dite de point mort haut et une position dite de point mort bas dans laquelle la première chambre de combustion est la plus grande, le moteur comportant des moyens de démarrage à air comprimé pour obtenir le démarrage du moteur, caractérisé en ce que les moyens de démarrage comportent une première soupape de charge pour, dans une phase motrice, injecter de l'air comprimé dans la première chambre de combustion lorsque le piston est dans une phase de passage du point mort haut vers le point mort bas, de manière à mettre en oeuvre le procédé tel que décrit précédemment. La soupape de charge permet de piloter spécifiquement l'injection d'air comprimé dans la chambre de combustion quand ceci est nécessaire.

De manière particulière, le moteur comporte au moins un ensemble de deux cylindres, deux pistons et deux chambres de combustion, les pistons de l'ensemble fonctionnant en opposition de phase, les moyens de démarrage comportant une deuxième soupape de charge prévue pour injecter de l'air comprimé dans la deuxième chambre de combustion pour amener le piston de la première chambre de combustion à proximité du point mort haut avant la phase motrice. Les pistons de l'ensemble fonctionnent ensemble en étant reliés par exemple par un embiellage. L'action dans la deuxième chambre permet de mettre le piston de la première chambre en bonne position. Les rôles de première et deuxième chambre peuvent éventuellement être inversés puisque chaque chambre de combustion est équipée d'une soupape de charge. Selon un perfectionnement, les moyens de démarrage comportent un capteur de pression dans la deuxième chambre de combustion, un capteur de position du système de pistons et sont prévus pour réguler la position de l'ensemble des pistons pendant la phase de préparation. Par la mise en place d'une régulation en boucle fermée, on peut prendre en compte des variations des conditions de fonctionnement du moteur, en particulier sa température, le niveau de pression de l'air comprimé, la viscosité de l'huile... La position atteinte à la fin de la phase de préparation est ainsi répétable. BRÈVE DESCRIPTION DES FIGURES L'invention sera mieux comprise et d'autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, la description faisant référence aux dessins annexés parmi lesquels : - la figure 1 est une vue schématique d'un moteur conforme à l'invention ; - la figure 2 est un diagramme montrant la position temporel de deux des pistons du moteur, - la figure 3 est une vue schématique d'un moteur 25 selon un autre mode de réalisation de l'invention.

DESCRIPTION DETAILLÉE Premier mode de réalisation De manière classique, un moteur 1 conforme à l'invention comporte quatre cylindres 10 dans lesquels des pistons 12 sont montés coulissant. Les pistons 12 délimitent avec une culasse 11 des chambres de combustion A, B, C, D dans les cylindres 10. Un embiellage classique comporte un vilebrequin, non représenté, auquel chaque piston 12 est relié par l'intermédiaire d'une bielle 13. Les pistons 12 coulissent entre un point mort haut PMH dans lequel ils sont au plus près de la culasse 11 et un point mort bas PMB auquel la chambre de combustion est la plus grande.

Les chambres de combustion sont repérées de A à D sur la figure 1 en partant de la gauche vers la droite. Le piston 12 de la chambre de combustion A est synchrone avec le piston de la chambre de combustion D, tandis que le piston de la chambre de combustion B est synchrone avec le piston de la chambre de combustion C, en opposition de phase avec les pistons des chambres de combustion A et D. Le moteur 1 est du type à quatre temps. Ainsi chaque chambre de combustion connaît un cycle qui se répète et qui comporte successivement un temps d'admission, un temps de compression, un temps de détente et un temps d'échappement. Chaque chambre de combustion est décalée temporellement par rapport aux autres de manière à ce qu'à chaque instant, les quatre temps sont répartis entre les quatre chambres de combustion. Le cycle à quatre temps se déroule sur deux tours du vilebrequin de telle sorte que chaque temps correspond à un demi-tour du vilebrequin. Une distribution fixe, non représentée, comporte des soupapes d'admission et des soupapes d'échappement qui contrôlent l'arrivée d'air et l'échappement des gaz brûlés dans les chambres de combustion en fonction de la position du vilebrequin sur deux tours. Sur la figure 1, les pistons 12 des chambres de combustion A et D sont représentés près du point mort haut PMH tandis que les pistons 12 des chambres B et C sont représentés près du point mort bas PMB. Bien que cela ne ressorte pas de la figure, la chambre de combustion A est dans le temps de compression, la chambre de combustion B est dans le temps de détente, la chambre de combustion C est dans le temps de d'admission et la chambre de combustion D est dans le temps d'échappement. Conformément à l'invention, la culasse 11 comporte quatre soupapes de charge 110, une pour chaque chambre de combustion. Chaque soupape de charge contrôle l'arrivée d'air comprimé en provenance d'un réservoir 2 auquel elle est reliée.

Fonctionnement du moteur Pour le démarrage, on considère que le moteur 1 est dans la position initiale telle que représentée sur la figure 1 et décrite précédemment. Sur la figure 2, deux demi-cercles représentent la position respectivement du piston 12 de la chambre A à gauche et de la chambre B à droite, entre le point mort haut et le point mort bas. La position initiale des pistons 12 est repérée respectivement la et Ib respectivement. On injecte de l'air comprimé dans la chambre de combustion B par l'intermédiaire de la soupape de charge 110. Le piston 12 descend alors dans le cylindre 10, en direction du point mort bas, et entraîne le vilebrequin dans le sens normal de rotation repéré par la flèche F1 sur la figure 2. L'injection d'air se poursuit jusqu'à l'ouverture de la soupape d'échappement de la chambre de combustion B et repérée par le point AOE sur la figure 2. Lorsque par inertie du vilebrequin les pistons 12 dépassent les points morts PMH, PMB, la chambre de combustion A atteint le temps de détente et de l'air comprimé y est injecté par l'intermédiaire de la soupape de charge 110. Le cycle se poursuit avec les autres chambres de combustion jusqu'à ce que le vilebrequin atteigne une vitesse de rotation suffisante, par exemple 300 tours par minute. Les phases d'injection d'air comprimé sont alors supprimées et le moteur 1 adopte le fonctionnement normal avec l'injection de carburant et le 11 fonctionnement des bougies d'allumage, le cas échéant. Pour l'arrêt du moteur 1, une fois que l'alimentation en carburant est stoppée, la vitesse de rotation du vilebrequin se réduit. Lorsqu'elle est suffisamment faible, en-dessous d'un certain seuil prédéterminé, on commence la phase de préparation en envoyant de l'air comprimé par la soupape de charge 110 lorsque la chambre de combustion A est dans le temps de compression. Comme les soupapes d'admission et d'échappement sont fermées dans ce temps, la pression de l'air comprimé agit sur le piston 12 et provoque la rotation en sens inverse au sens normal du moteur 1, comme montré par la flèche F2 de la figure 2. Lorsque le piston 12 de la chambre A approche de la position du point mort bas, la soupape d'admission s'ouvre et laisse échapper l'air comprimé, de manière que le vilebrequin n'est plus entraîné et s'arrête dans la position initiale, telle que décrite précédemment. Le moteur 1 est alors prêt à redémarrer selon le procédé qui vient d'être décrit. Pour perfectionner le procédé, on peut mesurer la pression dans la chambre de combustion A et asservir l'injection d'air lors de la phase de préparation à une consigne sur cette pression. Le pilotage de cette phase permet en particulier de limiter les à-coups lors de l'arrêt et d'obtenir une position plus précise pour les pistons 12.

Deuxième mode de réalisation Dans un autre mode de réalisation du moteur, les soupapes d'admission et d'échappement sont du type piloté, ce qui constitue une distribution variable. De telles soupapes sont par exemple à commande électromagnétique. On peut alors commander les chambres de combustion dont les pistons 12 sont synchrones pour qu'elles fonctionnent de manière simultanée, soit dans une phase d'injection d'air comprimé en fermant les soupapes d'admission et d'échappement et en ouvrant la soupape de charge 110, soit dans une phase opposée, en ouvrant les deux soupapes d'échappement pour ne pas opposer de résistance à l'entraînement du vilebrequin.

De même, lors de la phase de préparation, au lieu d'injecter de l'air comprimé uniquement dans la chambre de combustion A, en en injecte également dans la chambre de combustion D en fermant la soupape d'échappement.

Il faut comprendre que la première chambre de combustion définie dans les revendications correspond à la chambre de combustion B et que la deuxième chambre de combustion correspond à la chambre de combustion A. Il faut comprendre également que la position initiale a été décrite de manière arbitraire, et que le procédé peut fonctionner avec l'une quelconque des chambres de combustion comme première chambre de combustion, pourvu que son piston 12 soit en position initiale de détente. Troisième mode de réalisation Dans un troisième mode de réalisation, montré par la figure 3, on injecte de l'air comprimé dans le collecteur d'échappement 14 du moteur l'. Il est déjà connu d'injecter de l'air dans le flux des gaz d'échappement d'un moteur thermique dans la période qui suit son démarrage, autrement dit quand la température de catalyseur trois voies est inférieure à son seuil d'amorçage. Les réactions d'oxydation qui en découlent sont exothermiques et permettent d'augmenter la température des gaz d'échappement qui, à leur tour, chauffent le catalyseur. Un tel dispositif, représentatif de l'art antérieur, est notamment décrit dans le brevet WO 03/40528. Le dispositif décrit inclut une pompe à air spécifique à cette fonction, ce qui a pour conséquence d'augmenter le coût de fabrication. Dans le système proposé ici, représenté sur la figure 3, l'air qui est injecté dans le flux des gaz d'échappement est issu d'un réservoir 2' d'air comprimé. L'alimentation de ce réservoir 2', non représentée, est assurée par exemple par l'air comprimé dans les cylindres 10' par le moteur 1' lui- même lors des phases de décélération du véhicule. L'air est injecté dans le collecteur d'échappement 14 tant que le moteur 1' est en fonctionnement et la température du catalyseur 3 est inférieure à un seuil prédéterminé, par exemple 300 °C. Le débit d'air peut être corrélé au temps écoulé depuis le démarrage, à la charge du moteur 1' et à la température du catalyseur 3, de façon à optimiser la montée en température du catalyseur 3. Le système proposé permet donc de réduire le coût du système de dépollution en supprimant la pompe à air spécifique. Le réservoir 2' peut également servir à l'alimentation en air comprimé pour le premier et le deuxième mode de réalisation de l'invention.

Claims

REVENDICATIONS1. Procédé de démarrage d'un moteur (1) thermique à pistons comportant au moins un cylindre (10) dans lequel un piston (12) délimite une première chambre de combustion (B), le piston (12) étant monté coulissant dans le cylindre (10) entre une position dite de point mort haut (PMH) et une position dite de point mort bas (PMB) dans laquelle la première chambre de combustion est la plus grande, procédé selon lequel on utilise de l'air comprimé pour obtenir le démarrage du moteur (1), caractérisé en ce que, pendant une phase motrice, on injecte de l'air comprimé dans la première chambre de combustion (B) lorsque le piston (12) est dans une phase de passage du point mort haut (PMH) vers le point mort bas (PMB).
2. Procédé de démarrage selon la revendication 1, selon lequel le moteur (1) est un moteur (1) à quatre temps à distribution fixe, l'injection étant réalisée pendant un temps de détente.
3. Procédé selon la revendication 1, selon lequel le moteur (1) est un moteur (1) à quatre temps à distribution pilotée, et on injecte l'air comprimé pendant un temps de détente et un temps d'admission et on pilote la distribution pour fermer une soupape d'admission pendant le temps d'admission.
4. Procédé selon la revendication 3, selon lequel, lors de la phase motrice, on ouvre une soupape d'échappement pendant le temps de compression.
5. Procédé selon la revendication 1, selon lequel, avant l'injection d'air comprimé, dans une phase de préparation, on commande le piston (12) pour le placer dans la phase de passage du point mort haut (PMH) vers le point mort bas (PMB).
6. Procédé selon la revendication 5, selon lequel, le moteur (1) comportant au moins un ensemble de deux cylindres (10), deux pistons (12) et deux chambres de combustion (A, B), les pistons (12) de l'ensemble fonctionnant en opposition de phase, on injecte de l'air comprimé pendant la phase de préparation dans la deuxième chambre de combustion (A) pour amener le piston (12) de la première chambre de combustion (B) à proximité du point mort haut (PMH) avant la phase motrice.
7. Procédé selon la revendication 5, selon lequel la phase de préparation est exécutée lors de l'arrêt du moteur (1).
8. Moteur thermique à pistons comportant au moins un cylindre (10) dans lequel un piston (12) délimite une première chambre de combustion, le piston (12) étant monté coulissant dans le cylindre (10) entre une position dite de point mort haut (PMH) et une position dite de point mort bas (PMB) danslaquelle la première chambre de combustion (B) est la plus grande, le moteur (1) comportant des moyens de démarrage à air comprimé pour obtenir le démarrage du moteur (1), caractérisé en ce que les moyens de démarrage comporte une première soupape de charge (110) pour, dans une phase motrice, injecter de l'air comprimé dans la première chambre de combustion (B) lorsque le piston (12) est dans une phase de passage du point mort haut (PMH) vers le point mort bas (PMB), de manière à mettre en oeuvre le procédé selon l'une des revendications 1 à 7.
9. Moteur selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un ensemble de deux cylindres (10), deux pistons (12) et deux chambres de combustion (A, B)), les pistons (12) de l'ensemble fonctionnant en opposition de phase, les moyens de démarrage comportant une deuxième soupape de charge (110) prévue pour injecter de l'air comprimé dans la deuxième chambre de combustion (A) pour amener le piston (12) de la première chambre de combustion (B) à proximité du point mort haut avant la phase motrice.
10. Moteur selon la revendication 9, dans lequel les moyens de démarrage comportent un capteur de pression dans la deuxième chambre de combustion, un capteur de position de l'ensemble de pistons (12) et sont prévus pour réguler la position du système de pistons (12) pendant la phase de préparation.
11. Véhicule, caractérisé en ce qu'il comporte un moteur (1) selon l'une des revendications 8 à 10.