WO1997011260A1 - Moteur a combustion interne turbocompresse muni de moyens perfectionnes de commande des soupapes d'admission - Google Patents

Moteur a combustion interne turbocompresse muni de moyens perfectionnes de commande des soupapes d'admission Download PDF

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    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the invention relates to a combustion engine.
  • the invention relates more particularly to a four-stroke internal combustion engine, of the type comprising an air / fuel mixture intake circuit and a circuit for exhausting burnt gases which communicate with a combustion chamber of at least a cylinder of the engine, of the type in which the communications of the intake and exhaust circuits with the chamber are capable of being each closed by at least one valve with controlled opening, respectively of intake and exhaust , and of the type in which a turbocharger makes it possible to increase the pressure for admitting the mixture into the chamber.
  • a turbocharger to increase the performance of a thermal engine with a given displacement is known and has many advantages.
  • I t is known that the efficiency of the thermal cycle of an engine is mainly related to the gas expansion rate which is the ratio of the volume of the cylinder between the start and the end of combustion of the mixture during the third stage of the thermal cycle of the engine.
  • the actual compression ratio of the fuel mixture is lower than the geometric rate determined by the displacements of the piston in the cylinder between its bottom dead center (PMB) and its top dead center (TDC), and therefore below the expansion rate. .
  • turbocharging which has the advantage of using as driving power of the compressor the energy of the exhaust gases which, otherwise, is not used.
  • turbocharger One of the characteristics of a turbocharger is that it provides sufficient overpressure only from a certain engine rotation speed, that is to say from a certain energy level of the gases d exhaust, so that at low revs or at low engine loads, the rate of supercharging provided by the turbocharger is very low.
  • the invention proposes an engine of the type seen above, characterized in that means are provided for delaying the closing of the communication between the intake circuit and the chamber combustion outside the engine operating modes corresponding to low intake pressures.
  • the obturation of the intake circuit is delayed by delaying the closing command of at least one intake valve; - the delay in closing the intake valve is variable depending on engine operating parameters;
  • each cylinder has at least two intake valves each connected by an independent conduit to the intake circuit, one of the intake valves is controlled to be closed with delay, and the intake conduit associated with this valve is provided with controlled valve means which are closed for a low inlet pressure;
  • valve means The opening of the valve means varies according to engine operating parameters
  • the winnowing means include a shutter with controlled opening.
  • FIG. 1 is a partial schematic sectional view of part of an internal combustion engine according to the teachings of the invention.
  • Fig ures 2 and 3 are two diagrams showing the valve lift control during the exhaust and intake times of the thermal cycle of such an engine, respectively in the case of low and high intake pressures;
  • FIG. 1 shows a cylinder 1 0 of a four-stroke turbocharged internal combustion engine, the upper part of which forms a combustion chamber 12 delimited by a movable piston 14 and by a cylinder head 1 5.
  • the cylinder re 1 0 is supplied with air / fuel mixture by an intake circuit 16 which opens into the combustion chamber 12 through an intake valve 1 8 whose movements are controlled by a camshaft (not shown) so to close or not to close the communication between the intake circuit 16 and the combustion chamber 12.
  • the intake circuit 16 comprises, upstream of the valve 1 8, a turbocharger 1 1 of supercharging.
  • An exhaust circuit 17 is provided for evacuating the burnt gases from the combustion chamber 12 through an exhaust valve 1 9 also controlled by a camshaft (not shown).
  • a variable distribution system it is possible to extend the opening of the intake valve 18 by using a variable distribution system.
  • Such systems are known and it is therefore possible to vary the instant of closing of the intake valve 1 8 as a function of various engine operating parameters such as its rotation speed, the pressure of the air / fuel mixture. in the intake circuit 16 and the accelerator position
  • this variation may be continuous or discrete.
  • valves 18, 19 are controlled according to the diagram in the Figure 2 and the intake valve 18 is controlled to be closed very quickly after the bottom dead center (PMB) of the piston 14 which marks the theoretical end of the intake time.
  • PMB bottom dead center
  • This first embodiment of the invention can be used with engines having one or more intake valves per cylinder.
  • the second embodiment of the invention which is shown in Figure 4 is more particularly intended for engines having at least two intake valves per cylinder.
  • the intake valve 1 8b being for example controlled to close relatively long after the bottom dead center (PMB) of the piston 14 representing the end of the theoretical admission time.
  • PMB bottom dead center
  • the two intake valves 1 8a, 1 8b are each provided with an independent intake duct 20a, 20b and the duct 20b of the inlet valve 18b controlled with a closing delay is provided with a shutter 22 controlled as a function of engine operating parameters.
  • the flap 22 is closed and then closes the cond uit 20b so as to prevent any discharge of air / fuel mixture into the intake circuit 16.
  • the flap 22 is controlled to be opened so as to allow such a discharge.
  • this system avoids the installation of a heavy and complex variable distribution device while obtaining the desired Miller cycle.
  • This device also has the advantage of reducing the passage section of the inlet gases at low loads, which improves their mixing and therefore promotes homogeneous combustion of the air / fuel mixture in the cylinder.
  • the cylinder 10 continues to receive air / fuel mixture while the piston 14 begins to rise in the cylinder re, which is favorable to a good filling.

Abstract

L'invention concerne un moteur à combustion à quatre temps, du type comportant un circuit d'admission (16) de mélange air/carburant et un circuit d'échappement (17) de gaz brûlés qui communiquent avec une chambre de combustion (12) par au moins une soupape, respectivement d'admission (18) et d'échappement (19), à ouverture commandée, et du type dans lequel un turbocompresseur (11) permet d'augmenter la pression d'admission du mélange dans la chambre (12), caractérisé en ce qu'il est prévu des moyens pour retarder l'obturation de la communication entre le circuit d'admission (16) et la chambre de combustion (12) en dehors des modes de fonctionnement du moteur correspondant à des faibles pressions d'admission.

Description

Moteur à combustion interne turbocompressé muni de moyens perfectionnés de commande des soupapes d'admission
L'invention concerne un moteur à combustion.
L'invention concerne plus particulièrement un moteur à combustion interne à quatre temps, du type comportant un circuit d'admission de mélange air/carburant et un circuit d'échappe¬ ment de gaz brûlés qui communiquent avec une chambre de combustion d'au moins un cylindre du moteur, du type dans lequel les communications des circuits d'admission et d'échappe- ment avec la chambre sont susceptibles d'être obturées chacune respectivement par au moins une soupape à ouverture commandée, respectivement d'admission et d'échappement, et du type dans lequel un turbocompresseur permet d'augmenter la pression d'admission du mélange dans la chambre. L'utilisation d'un turbocompresseur pour augmenter les performances d'un moteur thermique de cylindrée donnée est connue et présente de nombreux avantages.
Toutefois, il entraîne une augmentation importante de la pression et de la température maximale atteinte dans la chambre de combustion d u cylindre qui peuvent cond uire à des anomalies de combustion, telles q ue le cliquetis, qui sont dommageables au bon fonctionnement du moteur.
Pour combattre ces phénomènes , il faut alors réduire le taux de compression du moteur, ce qui implique nécessairement une diminution de son rendement.
I l est connu que le rendement d u cycle thermique d'un moteur est principalement lié au taux de détente des gaz qui est le rapport du volume du cylind re entre le début et la fin de combustion du mélange lors du troisième temps d u cycle thermique du moteur.
I l a donc été proposé des solutions pour obtenir un taux de détente supérieur au taux de compression pour un même moteur, ce qui peut être obtenu en avançant la fermeture de la soupape d'admission en fin du temps d'admission ou en retardant la fermeture de la soupape d'admission au début d u temps de compression. Ainsi, une partie du mélange air/carburant n'est pas admis dans le cylindre ou est refoulé dans le circuit d'admission avant la fermeture de la soupape correspondante, et le volume de gaz effectivement admis dans le cylindre est inférieur au volume théorique maximal du cylindre.
De la sorte, le taux de compression réel du mélange carburant est inférieur au taux géométrique déterminé par les déplacements d u piston dans le cylindre entre son point mort bas (PMB) et son point mort haut (PMH) , et donc inférieur au taux de détente.
L'utilisation d'un tel cycle thermique, également appelé cycle de Miller, permet donc de prévenir l'apparition des phénomènes de combustion anormale tout en conservant un bon rendement énergétique pour le moteur, celui-ci étant lié, on l'a vu, au taux de détente.
Toutefois, le retard ou l'avance à la fermeture de la soupape d'admission peut provoquer un mauvais remplissage du cylindre au cours de la phase d'admission .
Ce problème a été contourné dans le passé par l'utilisation d'un compresseur mécanique volumétrique qui est entraîné par l'arbre de sortie du moteur et qui permet de disposer à tout moment et, quel que soit le régime de rotation , d'une forte pression d'admission du mélange air/carburant, assurant ainsi un remplissage optimal du cylindre.
Toutefois , l'utilisation d'un compresseur mécaniq ue volumétrique n'est pas favorable puisque la puissance nécessaire au compresseur des gaz est prélevée sur l'arbre de sortie d u moteur et par là même n'est plus disponible pour l'entraînement du véhicule. Aussi lui préfère-t-on, dans de nombreuses applications, la suralimentation par turbocompresseur qui présente l'avantage d'utiliser comme énergie motrice du compresseur l'énergie des gaz d'échappement qui, sinon, est in utilisée.
Une des caractéristiques d'un turbocompresseur est qu'il ne fournit une surpression suffisante qu'à partir d'un certain régime de rotation du moteur, c'est-à-dire à partir d'un certain niveau d'énergie des gaz d'échappement, de sorte qu'à faibles régimes de rotation ou à faibles charges du moteur, le taux de suralimentation fourni par le turbocompresseur est très faible.
Ainsi, si l'on applique un cycle de Miller au fonctionne¬ ment d'un moteur turbocompressé, on cumule, à bas régimes et à faibles charges, le défaut de remplissage dû au cycle de Miller avec la faible énergie mécanique des gaz d'échappement et l'inertie propre au turbocompresseur.
Il s'ensuit une montée en régime très lente du moteur, ce qui est particulièrement gênant dans le cadre de l'utilisation d'un tel moteur sur un véhicule automobile puisque cela pénalise les accélérations et les reprises du véhicule.
Dans le but d'apporter une solution à ces problèmes, l'invention propose un moteur du type vu précédemment, caractérisé en ce qu'il est prévu des moyens pour retarder l'obturation de la communication entre le circuit d'admission et la chambre de combustion en dehors des modes de fonctionnement du moteur correspondant à des faibles pressions d'admission .
Selon d'autres caractéristiques de l'invention : - l'obturation du circuit d'admission est retardée en retardant la commande de fermeture d'au moins une soupape d'admission ; - le retard de fermeture de la soupape d'admission est variable en fonction de paramètres de fonctionnement du moteur ;
- chaque cylindre comporte au moins deux soupapes d'admission reliées chacune par u n cond u it indépendant au circuit d'admission , l'une des soupapes d'admission est commandée pou r être fermée avec retard , et le conduit d'admission associée à cette soupape est muni de moyens de vannage commandés qui sont fermés pour une basse p ression d'admission ;
- l'ouverture des moyens de vannage varie en fonction de paramètres de fonctionnement du moteur ;
- les moyens de vannage comportent un volet à ouverture commandée. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit pour la compréhension de laquelle on se reportera aux dessins annexés dans lesquels :
- la figure 1 est une vue schématique partielle en coupe d'une partie d'un moteur à combustion interne conforme aux enseignements de l'invention ;
- les fig ures 2 et 3 sont deux diagrammes représentant la commande de levée des soupapes au cours des temps d'échappement et d'admission d u cycle thermique d'un tel moteur, respectivement dans les cas de faible et forte pressions d'admission ;
- la figure 4 représente schématiquement un second mode de réalisation de l'invention ;
- la figure 5 représente le diagramme de levée des soupapes correspondant au second mode de réalisation de l'invention. On a représenté sur la figure 1 un cylindre 1 0 d'un moteur à combustion interne turbocompressé à quatre temps et dont la partie supérieure forme u ne chambre de combustion 12 délimitée par u n piston mobile 14 et par une culasse 1 5. Le cylind re 1 0 est alimenté en mélange air/carburant par un circuit d'admission 16 qui débouche dans la chambre de combustion 12 au travers d'une soupape d'admission 1 8 dont les déplacements sont commandés par un arbre à cames (non représenté) afin d'obturer ou non la communication entre le circuit d'admission 16 et la chambre de combustion 12.
Le circuit d'admission 16 comporte, en amont de la soupape 1 8 , un turbocompresseur 1 1 de suralimentation .
U n circuit d'échappement 17 est prévu pour l'évacuation des gaz brûlés hors de la chambre de combustion 12 au travers d'une soupape d'échappement 1 9 également commandée par un arbre à cames (non représenté) .
Selon un premier mode de réalisation de l'invention , il est possible de prolonger l'ouverture de la soupape d'admission 18 en utilisant un système de distribution variable. De tels systèmes sont connus et il est donc possible de faire varier l'instant de fermeture de la soupape d'admission 1 8 en fonction de d ivers paramètres de fonctionnement du moteur tels que son régime de rotation , la pression d u mélange air/carburant dans le circuit d'admission 16 et la position de l'accélérateur
Suivant le type de mécanisme de distribution variable utilisé, il est possible que cette variation soit continue ou discrète.
Ainsi, dans les cas de faibles charges du moteur correspondant à une faible pression d'admission , due par exemple au non déclenchement d u turbocompresseur, les soupapes 18, 19 sont commandées selon le diagramme de la figure 2 et la soupape d'admission 18 est commandée pour être fermée très rapidement après le point mort bas (PMB) du piston 14 qui marque la fin théoriq ue du temps d'admission.
Au contraire, à hauts régimes ou à fortes charges , lorsque le turbocompresseur fournit une forte pression d'admission, la soupape d'admission est commandée pou r rester ouverte plus longtemps et pour se refermer bien après le point mort bas (PMB) du piston 14.
De la sorte, le début de la remontée d u piston 14 dans le cylindre 1 0 se fait avec la soupape d'admission 1 8 ouverte, de manière à provoquer un léger refoulement de mélange carburant dans le circuit d'admission 16 et ainsi diminuer le taux de compression réel du moteur.
I l est à noter que, grâce à l'action du turbocompresseur, le remplissage du cylindre 10 reste satisfaisant du fait de la pression d'admission élevée.
Ce premier mode de réalisation de l'invention peut être utilisé avec des moteurs possédant une ou plusieurs soupapes d'admission par cylindre. Le second mode de réalisation de l'invention qui est représenté sur la figure 4 est plus particulièrement destiné aux moteurs possédant au moins deux soupapes d'admission par cylindre.
Dans ce cas, on prévoit de commander les deux soupapes d'admission 1 8a, 18b de manière différente, la soupape d'admission 1 8b étant par exemple commandée pour se refermer relativement longtemps après le point mort bas (PMB) du piston 14 représentant la fin d u temps théorique d'admission . Ainsi, la soupape d'admission 1 8b demeurant ouverte en début du temps de compression, le taux de compression réel est inférieur au taux de compression géométrique pour prévenir tout phénomène de combustion anormale.
Toutefois, afin de ne pas pénaliser le remplissage du cylindre pour les faibles charges et les bas régimes du moteur, les deux soupapes d'admission 1 8a , 1 8b sont munies chacune d'un conduit d'admission 20a, 20b indépendant et le conduit 20b de la soupape d'admission 18b commandée avec un retard de fermeture est muni d'un volet d'obturation 22 commandé en fonction de paramètres de fonctionnement du moteur. Ainsi, à fortes charges et à bas régimes, lorsque la pression du turbocompresseur est faible, le volet 22 est fermé et obture alors le cond uit 20b de manière à empêcher tout refoulement de mélange air/carburant dans le circuit d'admission 16. Au contraire, à hauts régimes ou aux fortes pressions d'admission , le volet 22 est commandé pour être ouvert de manière à permettre un tel refoulement.
En faisant varier le degré d'ouverture du volet 22, il est possible de limiter le phénomène de refoulement, et par conséquent de limiter la réduction d u taux de compression, pour optimiser le rendement du moteur à des régimes intermédiaires.
Ainsi, ce système permet d'éviter l'implantation d'un dispositif de distribution variable lourd et complexe tout en obtenant le cycle de Miller désiré.
Ce dispositif présente par ailleurs l'avantage de diminuer la section de passage des gaz d'admission aux faibles charges, ce qui permet d'améliorer leur brassage et par conséquent de favoriser une combustion homogène du mélange air/carburant dans le cylindre.
On obtient ainsi, aux faibles charges, un rendement optimal du moteur et une moindre émission d'agents polluants. Au contraire, à hauts régimes, la section de passage du mélange air/carburant est la plus importante possible et, de plus, le retard de fermeture de la soupape d'admission 18b permet de prolonger la durée réelle d'admission jusqu'au tout début du temps de compression.
En effet, grâce à l'inertie du mélange qui s'écoule à grande vitesse dans ces conditions, le cylindre 10 continue à recevoir du mélange air/carburant alors que le piston 14 commence à remonter dans le cylind re 10, ce qui est favorable à un bon remplissage.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Moteu r à combustion à quatre temps, du type comportant un circuit d'admission ( 16) de mélange air/carburant et un circuit d'échappement ( 17) de gaz brûlés q ui communiquent avec une chambre de combustion ( 1 2) d'au moins un cylind re ( 10) du moteur, d u type dans lequel les communications des circuits d'admission ( 16) et d'échappement ( 17) avec la chambre ( 12) sont susceptibles d'être obturées chacune respectivement par au moins une soupape, respectivement d'admission ( 18) et d'échappement ( 19), à ouverture commandée, et du type dans lequel un turbocompresseur (1 1 ) permet d'augmenter la pression d'admission du mélange dans la chambre ( 12) , caractérisé en ce qu'il est prévu des moyens pour retarder l'obturation de la communication entre le circuit d'admission ( 16) et la chambre de combustion ( 12) en dehors des modes de fonctionnement du moteur correspondant à des faibles pressions d'admission .
2. Moteur selon la revendication 1 , caractérisé en ce que l'obturation du circuit d'admission ( 16) est retardée en retardant la commande de fermeture d'au moins une soupape d'admission ( 1 8) .
3. Moteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que le retard de fermeture de la soupape d'admission est variable en fonction de paramètres de fonctionnement du moteur.
4. Moteur selon la revendication 1 , caractérisé en ce que chaque cylindre ( 10) comporte au moins deux soupapes d'admission ( 1 8a, 1 8b) reliées chacune par un conduit indépendant (20a, 20b) au circuit d'admission ( 16), en ce que l'une (18b) des soupapes d'admission est commandée pour être fermée avec retard, et en ce que le conduit d'admission (20b) associé à cette soupape (18b) est muni de moyens de vannage (22) commandés qui sont fermés pour une basse pression d'admission.
5. Moteur selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'ouverture des moyens de vannage (22) varie en fonction de paramètres de fonctionnement d u moteur.
6. Moteu r selon l'une des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce que les moyens de vannage (22) comportent un volet à ouverture commandée.
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