FR3064676A1 - Moteur a combustion interne a injection d’air en phase de compression - Google Patents

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Abstract

L'invention concerne un moteur (1) comprenant : -un cylindre (2) logeant un piston mobile entre une position dite Point Mort Haut et une position dite Point Mort Bas, comportant une première (4) et une seconde (4') soupape d'admission d'air dans le cylindre (2), -des premiers moyens de contrôle de l'ouverture / fermeture de la première soupape (4), agencés pour réaliser une première phase d'admission d'air lors d'une descente du piston, -des seconds moyens de contrôle de l'ouverture / fermeture de la seconde soupape (4'), caractérisé en ce qu'il comprend : - une ligne (5) d'admission d'air reliée au cylindre (2) par la seconde soupape (4') seulement, dans laquelle est disposé un compresseur (6) d'air, les seconds moyens de contrôle et le compresseur (6) d'air étant agencés pour réaliser une seconde phase d'admission d'air comprimé dans le cylindre (2), postérieure à la première phase d'admission d'air, pendant la remontée du piston.

Description

Titulaire(s) : PEUGEOT CITROEN AUTOMOBILES SA Société anonyme.
Demande(s) d’extension
Mandataire(s) : PEUGEOT CITROEN AUTOMOBILES SA Société anonyme.
154) MOTEUR A COMBUSTION INTERNE A INJECTION D'AIR EN PHASE DE COMPRESSION.
FR 3 064 676 - A1 ttv) L'invention concerne un moteur (1) comprenant:
-un cylindre (2) logeant un piston mobile entre une position dite Point Mort Haut et une position dite Point Mort Bas, comportant une première (4) et une seconde (4j soupape d'admission d'air dans le cylindre (2),
-des premiers moyens de contrôle de l'ouverture / fermeture de la première soupape (4), agencés pour réaliser une première phase d'admission d'air lors d'une descente du piston,
-des seconds moyens de contrôle de l'ouverture / fermeture de la seconde soupape (4j, caractérisé en ce qu'il comprend:
- une ligne (5) d'admission d'air reliée au cylindre (2) par la seconde soupape (4 j seulement, dans laquelle est disposé un compresseur (6) d'air, les seconds moyens de contrôle et le compresseur (6) d'air étant agencés pour réaliser une seconde phase d'admission d'air comprimé dans le cylindre (2), postérieure à la première phase d'admission d'air, pendant la remontée du piston.
Figure FR3064676A1_D0001
Figure FR3064676A1_D0002
MOTEUR A COMBUSTION INTERNE A INJECTION D’AIR EN PHASE DE COMPRESSION
La présente invention se rapporte au domaine des moteurs à combustion interne à allumage commandé. L’invention concerne plus particulièrement la phase d’admission d’air dans le moteur.
Les moteurs à combustion interne à allumage commandé ont un rapport volumétrique fixe ou légèrement variable. Ce rapport volumétrique conditionne le rendement du cycle thermodynamique. Le cycle thermodynamique à quatre temps enchaîne classiquement les phases d’admission, compression, combustion détente et échappement. La pression et la température en fin de compression dépendent de la pression et température en fin d’admission et du rapport volumétrique du moteur au premier ordre. Ces conditions vont à l’encontre de la stabilité du mélange, plus la température est élevée, plus le mélange est instable. Ce phénomène est amplifié par le démarrage de la combustion, il est appelé cliquetis.
Une solution est d’utiliser un refroidisseur d’air pour diminuer au maximum la température d’air admis. Cela est généralisé sur tous les moteurs suralimentés.
Une autre solution pour réduire la température en fin de compression est d’utiliser un système d’introduction de carburant dit à injection directe. Le carburant est injecté pendant la phase de compression, sa vaporisation consomme de la chaleur et ainsi diminue la température de mélange en fin de compression.
Une autre solution est de modifier les lois de levée des soupapes d’admission et d’échappement pour que les phases admission et détente n’aient pas la même durée. La phase admission et le taux de compression apparent sont réduits. Pour introduire la même masse dans le cylindre du fait que le volume balayé en admission est plus faible, on doit augmenter la pression du circuit admission. Avec la même température à l’admission, on obtient des conditions de combustion plus froides. Ce scénario est appelé « Millerisation >> du cycle, on peut le reproduire à l’identique en prolongeant la durée d’ouverture pendant la compression, on appelle cela un cycle « Atkinson >>.
Ces deux scénarios ont l’inconvénient de rapidement dégrader les turbulences présentes dans la chambre de combustion, l’effet positif que l’on peut observer par une application modérée de la démarche se retrouve défavorable si la déformation du cycle est trop importante.
On connaît également du document US20120324884A1 un moteur hybride thermiquepneumatique dans lequel de l’air issu d’un réservoir sous pression peut être réinjecté dans les cylindres du moteur mais reste muet sur le cycle thermodynamique mis en œuvre.
Par conséquent, le problème à la base de l’invention est l’amélioration du cycle thermodynamique afin d’obtenir une réduction de la consommation tout en maintenant une bonne tenue de fonctionnement au cliquetis.
Pour résoudre ce problème, il est prévu selon l’invention un moteur à combustion interne comprenant :
-un cylindre logeant un piston mobile à l’intérieur du cylindre entre une position dite Point Mort Haut et une position dite Point Mort Bas, ce cylindre comportant une première et une seconde soupape d’admission d’air dans le cylindre,
-des premiers moyens de contrôle de l’ouverture / fermeture de la première soupape d’admission d’air, agencés pour réaliser une première phase d’admission d’air lors d’une descente du piston vers le Point Mort Bas,
-des seconds moyens de contrôle de l’ouverture / fermeture de la seconde soupape, ce moteur comprend en outre :
- une ligne d’admission d’air reliée au cylindre par la seconde soupape seulement, dans laquelle est disposé un compresseur d’air, les seconds moyens de contrôle et le compresseur (6) d’air étant agencés pour réaliser une seconde phase d’admission d’air comprimé dans le cylindre, postérieure à la première phase d’admission d’air, pendant la remontée du piston vers le Point Mort Haut.
L’effet technique est l’amélioration du cycle thermodynamique par l’augmentation du travail de la boucle haute pression.
Diverses caractéristiques supplémentaires peuvent être prévues, seules ou en combinaisons :
Selon une réalisation, les seconds moyens de contrôle sont agencés pour que la seconde phase d’admission d’air débute lorsque le volume du cylindre est supérieur ou égal à la moitié de la somme de la cylindrée et du volume mort.
Selon une réalisation, les seconds moyens de contrôle sont agencés pour la seconde phase d’admission d’air se termine lorsque le volume de cylindre est compris entre 1,5 et 5 fois le volume mort.
Selon une réalisation, le compresseur d’air est agencé pour introduire dans le cylindre lors de la seconde phase d’admission d’air une quantité d’air comprise entre 20 et 50% de celle introduite lors de la première phase d’admission d’air.
Selon une réalisation, les premiers et les seconds moyens de contrôle d’ouverture / fermeture de soupapes sont formés par un arbre à cames portant une première came pour l’actionnement de la première soupape et une seconde came pour l’actionnement de la seconde soupape.
Selon une réalisation, le moteur à combustion interne comprend une autre ligne d’admission d’air reliant le cylindre par la première soupape, cette autre ligne d’admission d’air rejoignant la ligne d’admission d’air reliant le cylindre par la seconde soupape, à une jonction en amont du compresseur d’air, pour former une ligne commune d’admission d’air.
Selon une réalisation, le moteur à combustion interne comprend un compresseur d’air disposé dans la ligne commune d’admission d’air et des moyens de dosage d’air disposés entre ce compresseur d’air et la jonction.
Selon une réalisation, la température de l’air introduit dans le cylindre pendant la seconde phase d’admission d’air comprimé est inférieure à la température de l’air présente dans le cylindre.
Selon une réalisation, le moteur à combustion interne est un moteur à allumage commandé.
D’autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description ci-après d’un mode particulier de réalisation, non limitatif de l’invention, faite en référence aux figures dans lesquelles :
- La figure 1 est une représentation schématique d’une architecture de moteur conforme à l’invention.
- La figure 2 est une représentation schématique de la phase d’échappement des gaz brûles et des deux phases successives d’admission d’air au cours du cycle moteur.
- La figure 3 est une représentation schématique sur un diagramme montrant l’évolution de la pression cylindre en ordonnée en fonction du logarithme du volume du cylindre en abscisse.
La figure 1 présente un moteur 1 à combustion interne, par exemple un moteur à allumage commandé. Un tel moteur peut équiper un véhicule automobile pour son déplacement.
Ce moteur comprend au moins un cylindre 2, ici pour l’exemple, trois cylindres 2. A l'intérieur de chaque cylindre 2, un piston (non représenté), est monté déplaçable en translation entre un point mort haut (PMH) et un point mort bas (PMB).
Chaque cylindre 2 comporte dans le cas ici représenté une soupape d’échappement 3, ainsi qu’une première et une seconde soupape d’admission d’air respectivement 4 et 4’.
Le moteur comprend encore une ligne 5 d’admission d’air reliée à chacun des cylindres 2 par leur seconde soupape 4’ seulement. Dans cette ligne d’admission d’air 5 est disposé un compresseur 6 d’air. Ce compresseur 6 d’air est dédié à l’alimentation en air des cylindres 2 via leur seconde soupape 4’. Ce compresseur 6 n’alimente donc pas les premières soupapes 4. Un refroidisseur 7 d’air peut être installé, dans le sens de l’écoulement de l’air, en aval du compresseur 6 pour refroidir l’air comprimé avant son admission dans les cylindres 2 via les secondes soupapes 4’.
Le moteur comprend encore une autre ligne 8 d’admission d’air reliant chacun des cylindres 2 par leur première soupape 4. Cette autre ligne 8 d’admission d’air rejoint la ligne 5 d’admission d’air qui relie les cylindres 2 par leur seconde soupape 4’ à une jonction 9 située en amont du compresseur 6 d’air. En amont de cette jonction 9 l’air est acheminé par une ligne 10 commune d’admission d’air.
Le moteur comprend encore une ligne 11 d’échappement qui collecte les gaz brûlés s’échappant des cylindres 2 par leur soupape 3 d’échappement.
Le moteur 1 peut comprendre, un autre compresseur 12 disposé dans la ligne 10 commune d’admission d’air. Ce compresseur 12 peut faire partie d’un turbocompresseur 13 dont la turbine 14 est placée dans la ligne 11 d’échappement. Par ailleurs, des moyens 15 de dosage de la quantité d’air sont prévus entre la jonction 9 et le compresseur 12. Un refroidisseur 16 d’air de suralimentation disposé en aval du compresseur 12 peut également être prévu pour refroidir l’air comprimé avant son entrée dans les moyens 15 de dosage de la quantité d’air.
Pour chacun des cylindres 2, la première soupape 4 d’admission d’air est actionnée à l’aide de premiers moyens de contrôle de son ouverture / fermeture tandis que la seconde soupape 4’ est actionnée à l’aide de seconds moyens de contrôle de son ouverture / fermeture.
Le moteur à combustion interne fonctionnant selon un cycle à quatre temps (admission, compression, détente, échappement), la figure 2 illustre au cours du cycle moteur la phase d’échappement ECH ainsi que la première et la seconde phase d’admission d’air respectivement ADM1 et ADM2. La phase d’échappement ECH se déroule que le piston se déplace du point mort bas PMB vers le point mort haut PMH.
Ensuite, comme le montre la figure 2, une première phase d’admission, ADM1, est réalisée suite à la phase d’échappement lors de la redescente du piston vers le Point Mort Bas PMB, puis une seconde phase d’admission d’air comprimé, ADM2, est réalisée. Cette seconde phase d’admission d’air comprimé, ADM2, est postérieure à la première phase d’admission d’air ADM1, et a lieu pendant la phase suivante de remontée du piston vers le Point Mort Haut PMH (phase de compression). Suite à ces deux admissions d’air se déroulera la combustion du mélange air/ carburant.
Ainsi le compresseur 6 est dimensionné pour fournir la pression en air requise pour permettre à l’air d’entrer dans le cylindre pendant la seconde admission d’air durant la phase de compression.
Afin d’obtenir un fonctionnement en continu et une réalisation mécanique simple et fiable, les premiers et les seconds moyens de contrôle de l’ouverture/fermeture de respectivement la première et la seconde soupape 4, 4’ sont formés par un arbre à cames portant une première came pour l’actionnement de la première soupape 4 et une seconde came pour l’actionnement de la seconde soupape 4’.
La figure 3 présente l’évolution de la pression dans le cylindre 2, en ordonnée en fonction du logarithme du volume du cylindre en abscisse, en particulier lors de la seconde phase d’admission d’air ADM2. Cette seconde phase d’admission d’air ADM2 se fait alors que la compression a débuté.
De préférence, on choisit de débuter cette seconde phase d’admission ADM2 d’air, lorsque le volume du cylindre, Vo, est supérieur ou égal à la moitié de la somme du volume maximum du cylindre. Ce volume maximum de cylindre correspond à la cylindrée, c’est-à-dire le volume balayé par le piston en le PMB et le PMH auquel on ajoute le volume mort, c’est-à-dire le volume résiduel de la chambre de combustion lorsque le piston est au PMH L’introduction tardive de l’air comprimé permet de récupérer sur le piston du cylindre une partie du travail de compression additionnel. On choisit également de terminer la seconde phase d’admission d’air se termine lorsque le volume, Vf, de cylindre est compris entre 1,5 et 5 fois le volume mort, en fonction de la température finale souhaitée. En effet, plus la fin de cette phase est tardive moins cela coûte de travail de compression dans le cylindre.
Pendant cette seconde phase d’admission d’air ADM2, le compresseur 6 d’air assure l’introduction dans le cylindre 2 d’une quantité d’air comprise entre 20 et 50% de celle introduite lors de la première phase d’admission d’air, ADM1. Au moment de la seconde admission d’air, la température de l’air comprimé par le compresseur 6 et introduit pendant la seconde phase d’admission, ADM2, est inférieure à l’air présente dans le cylindre 2, ce qui permet de refroidir le mélange dans le cylindre, et ainsi de réduire la température de fin de compression et par conséquent celle de combustion. On réduit de cette manière le risque de cliquetis et la formation de NOx.
L’invention ne se limite pas au mode de réalisation décrit. En variante les moyens de contrôle de l’ouverture/fermeture de la première et/ou de la seconde soupape d’admission d’air peuvent comprendre des actionneurs électromagnétiques ce qui complexifie le dispositif mais permet de choisir d’activer ou non la seconde phase d’admission, ADM2, selon des conditions déterminées par exemple le point de fonctionnement moteur.
L’invention permet une augmentation de la turbulence très élevé qui amène des vitesses de combustion très importantes ou des capacités de faire brûler des mélanges dilués. L’invention permet également un refroidissement de la masse de mélange, l’apport d’air par la seconde phase d’admission, ADM2, étant potentiellement beaucoup plus important que celui de carburant en masse.
L’invention est compatible avec des cycles avec fort « Miller » ou fort « Atkinson » pour cumuler les effets et permet de positionner une alternative à une électrification généralisée des moteurs thermiques.

Claims (9)

  1. Revendications
    1. Moteur (1 ) à combustion interne comprenant :
    -un cylindre (2) logeant un piston mobile à l’intérieur du cylindre entre une position dite Point Mort Haut (PMH) et une position dite Point Mort Bas (PMB), ce cylindre (2) comportant une première (4) et une seconde (4j soupape d’admission d’air dans le cylindre (2),
    -des premiers moyens de contrôle de l’ouverture / fermeture de la première soupape (4) d’admission d’air, agencés pour réaliser une première phase d’admission d’air lors d’une descente du piston vers le Point Mort Bas (PMB),
    -des seconds moyens de contrôle de l’ouverture / fermeture de la seconde soupape (4j, caractérisé en ce qu’il comprend :
    - une ligne (5) d’admission d’air reliée au cylindre (2) par la seconde soupape (4j seulement, dans laquelle est disposé un compresseur (6) d’air, les seconds moyens de contrôle et le compresseur (6) d’air étant agencés pour réaliser une seconde phase d’admission d’air (ADM2) comprimé dans le cylindre (2), postérieure à la première phase d’admission d’air (ADM1), pendant la remontée du piston vers le Point Mort Haut (PMH).
  2. 2. Moteur (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que les seconds moyens de contrôle sont agencés pour que la seconde phase d’admission (ADM2) d’air débute lorsque le volume du cylindre est supérieur ou égal à la moitié de la somme de la cylindrée et du volume mort.
  3. 3. Moteur (1) selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que les seconds moyens de contrôle sont agencés pour la seconde phase d’admission d’air se termine lorsque le volume de cylindre est compris entre 1,5 et 5 fois le volume mort.
  4. 4. Moteur (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le compresseur (6) d’air est agencé pour introduire dans le cylindre lors de la seconde phase d’admission d’air une quantité d’air comprise entre 20 et 50% de celle introduite lors de la première phase d’admission d’air (ADM1).
  5. 5. Moteur (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les premiers et les seconds moyens de contrôle d’ouverture / fermeture de soupapes sont formés par un arbre à cames portant une première came pour l’actionnement de la première soupape (4) et une seconde came pour l’actionnement de la seconde soupape (4 j.
  6. 6. Moteur (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il comprend une autre ligne (8) d’admission d’air reliant le cylindre (2) par la première soupape (4), cette autre ligne (8) d’admission d’air rejoignant la ligne (5) d’admission d’air reliant le cylindre (2) par la seconde soupape (4j, à une jonction (9) en
    5 amont du compresseur (6) d’air, pour former une ligne (10) commune d’admission d’air.
  7. 7. Moteur (1) selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu’il comprend un compresseur (12) d’air disposé dans la ligne (10) commune d’admission d’air et des moyens de dosage d’air (15) disposés entre ce compresseur (12) d’air et la jonction (9).
  8. 8. Moteur (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en 10 ce que la température de l’air introduit dans le cylindre (2) pendant la seconde phase d’admission d’air (ADM2) comprimé est inférieure à la température de l’air présente dans le cylindre (2).
  9. 9. Moteur (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il s’agit d’un moteur à allumage commandé.
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