FR2877054A1 - Moteur a combustion interne diesel ou essence a injection directe a taux de gaz brules augmente - Google Patents
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Abstract
Dans ce moteur à combustion interne diesel ou essence à injection directe, un système de levée de soupapes commande l'ouverture au moins partielle d'une soupape d'échappement (E2) pendant au moins une partie de la phase d'admission, et l'architecture d'au moins le conduit d'échappement (3) dont la soupape (E2) s'ouvre pendant la phase d'admission est de type à flux transversal destiné à créer un swirl à l'échappement.
Description
Moteur à combustion interne diesel ou essence à injection directe à taux
de gaz brûlés augmenté
L'invention concerne un moteur à combustion interne diesel ou essence à injection directe, notamment pour véhicule automobile.
La dépollution des moteurs est aujourd'hui une priorité dans les développements faits par les constructeurs; elle nécessite la réduction des émissions en NOx en sortie de moteur.
Parmi les solutions actuellement retenues pour atteindre les objectifs en dépollution, l'une consiste à réintroduire les gaz issus de la combustion vers l'admission au travers d'un circuit de recirculation pour les charges partielles - c'est le circuit dit EGR (de l'anglais exhaust gas recirculation ) -, l'autre consiste à améliorer les échanges gazeux dans la chambre de combustion en créant des mouvements appropriés des masses gazeuses, notamment des mouvements tourbillonnaires verticaux dits de swirl .
Les gaz brûlés enfermés dans le cylindre de la chambre de combustion sont constitués d'une part des gaz brûlés résiduels (GBR) qui n'ont pas pu être vidangés à la fin du cycle moteur précédent et des gaz brûlés externe (EGR) qui sont apportés par un circuit externe reliant l'échappement à l'admission. Pour favoriser la dépollution, il est souhaitable de fournir un taux de gaz brûlés élevé. Des stratégies pour augmenter les taux EGR ont déjà été proposées. Elles consistent par exemple à accoler à la roue de turbine, en plus de la roue de compresseur d'air, une seconde roue de compresseur spécifiquement dédiée à la compression des gaz de recirculation EGR. C'est le cas dans les documents WO-A-00/79117 et US-A5937650. Mais de toute manière, l'augmentation du taux EGR atteint des limites fixées par la capacité du système EGR externe. On peut donc tenter d'augmenter le taux de GBR. À cette fin, le document US-A- 2003/0196646 a proposé l'ouverture d'une soupape d'échappement pendant la phase d'amission, ce qui génère effectivement des GBR.
Sur la majorité des moteurs Diesel destinés au transport routier, un mouvement d'air ayant généralement l'axe du cylindre comme axe de rotation est généré durant la phase d'admission d'air; ce mouvement tourbillonnaire est communément dénommé swirl. Lorsque le piston remonte du point mort bas, approximativement en fin d'admission de l'air frais, vers le point mort haut, ce mouvement est géométriquement amplifié par le bol du piston. La plupart des inventions récentes ont tendu à améliorer le processus d'amplification et à optimiser le mélange obtenu entre le carburant injecté au voisinage du point mort haut et l'air frais. Pour atteindre les objectifs en dépollution, il est désirable d'augmenter le taux de swirl en charge partielle tout en gardant un swirl culasse bas, adapté au fonctionnement en pleine charge. Le swirl culasse est un compromis entre le besoin à faible charge (swirl haut) et à pleine charge (swirl bas). En raison de ce compromis, le swirl culasse est trop élevé pour la pleine charge, ce qui entraîne une réduction de la perméabilité culasse, préjudiciable au remplissage en air et aux performances en pleine charge. Le swirl fort, nécessaire en charge partielle, est éventuellement fourni par un dispositif à swirl variable, par exemple par obturation partielle ou complète d'un conduit ou des conduits d'admission à l'entrée culasse. Mais de tels dispositifs entraînent des pertes importantes de la perméabilité pour pouvoir augmenter le swirl. Donc le compromis swirl/perméabilité est dégradé. Pour optimiser le swirl, le document RU-A2 177 553 fait connaître une orientation des conduits d'échappement dans une culasse à quatre soupapes par cylindre, permettant de générer un mouvement de swirl pendant la phase d'échappement.
D'autres pistes d'amélioration ont été proposées, comme par exemple celle qu'enseigne le document US-A-2004/0060284 décrivant une méthode pour réguler la température des gaz d'échappement et le débit d'air moteur par un système de levée variable des soupapes, dit WA (en anglais variable valve actuation ), l'objectif étant de favoriser la réduction des émissions par le système de post-traitement.
L'invention a pour but d'améliorer encore les performances de dépollution d'un moteur à combustion interne diesel ou essence à injection directe, notamment d'un tel moteur déjà équipé d'un système EGR externe.
L'invention atteint son but grâce à un moteur à combustion interne diesel ou essence à injection directe, le moteur comprenant au moins un cylindre fermé par un piston mobile et une culasse dans laquelle débouchent au moins un conduit d'admission et au moins un conduit d'échappement, via une soupape d'échappement et une soupape d'admission dont les ouvertures en quatre temps en fonction de l'angle du vilebrequin du moteur sont contrôlées par un système de levée de soupapes commandant l'ouverture d'au moins une soupape d'échappement pendant une phase d'échappement entre le point mort bas et le point mort haut du piston et l'ouverture d'au moins une soupape d'admission pendant une phase d'admission entre le point mort haut et le point mort bas du piston, ledit système étant réglé pour autoriser l'ouverture au moins partielle d'une soupape d'échappement pendant au moins une partie de la phase d'admission, caractérisé en ce que l'architecture d'au moins le conduit d'échappement dont la soupape s'ouvre pendant la phase d'admission est de type à flux transversal destiné à créer un swirl à l'échappement. Ainsi, selon l'invention on exploite le système de levée de soupapes, tel qu'un système VVA, pour modifier l'ouverture des soupapes d'échappement (phasage, et/ou étalement, et/ou levée) jusqu'à une réouverture en phase d'admission afin, d'une part, de fournir les gaz brûlés nécessaires à la dépollution (réduction des NOx) et, d'autre part, de créer et/ou augmenter le swirl. Il est ainsi possible d'avoir un swirl variable sans la déchéance de la perméabilité culasse associée à des systèmes basés sur l'obturation d'au moins un des conduits d'admission. Il est aussi possible d'augmenter le swirl en charge partielle, tout en gardant un swirl culasse plutôt bas, adapté au fonctionnement en pleine charge.
Avantageusement, le moteur comprend un système externe de recirculation de gaz d'échappement. L'invention permet alors de fournir de forts taux de gaz brûlés (EGR + GBR), au-delà de la capacité du circuit EGR externe. Par ailleurs, la possibilité de remplacer l'EGR par le GBR permet d'augmenter la température des gaz enfermés dans le cylindre, ce qui est bénéfique pour réduire les émissions des hydrocarbures imbrûlés (HC) et le CO au début du cycle de dépollution lorsque les gaz d'échappement sont relativement froids.
Selon un premier mode de réalisation de l'invention, la culasse du moteur est à deux soupapes par cylindre.
Selon un second mode de réalisation, la culasse est à quatre soupapes par cylindre, deux d'échappement et deux d'admission.
Dans ce cas, dans une première variante, le système de levée de soupapes commande l'ouverture d'une première soupape d'échappement pendant la phase d'échappement et d'une seconde soupape d'échappement pendant une partie de la phase d'admission. Dans une seconde variante, le système de levée de soupapes commande l'ouverture des deux soupapes d'échappement pendant la phase d'échappement et d'une seule de ces deux soupapes d'échappement pendant une partie de la phase d'admission.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture d'un mode de réalisation de l'invention, en référence aux dessins annexés sur lesquels: -la figure 1 est une vue schématique d'une culasse à deux soupapes par cylindre destinée à produire un swirl conformément à l'invention.
- la figure 2 est une vue schématique d'une culasse à quatre soupapes par cylindre destinée à produire un swirl 15 conformément à l'invention.
- la figure 3 représente trois lois de levée de soupapes d'échappement (a) , (b) et (c) conformément à trois modes de réalisation de l'invention.
La figure 1 présente donc un mode de réalisation pour une culasse (non représentée en détail, si ce n'est par la trace 1 d'un cylindre coopérant avec la culasse pour former une chambre de combustion) à deux soupapes respectivement d'admission A et d'échappement E. Les conduits culasse, respectivement d'admission 2 (ADM) et d'échappement 3 (ECH), sont disposés dans une architecture dite de culasse à flux transversal (en anglais, cross-flow ) qui permet la génération d'un mouvement de swirl SE par le conduit d'échappement 3 dans le même sens de rotation que celui SA généré par le conduit d'admission 2.
La loi de levée des soupapes d'admission et d'échappement en fonction de l'angle du vilebrequin est donnée sur la figure 3 (a) , en trait plein pour la soupape d'échappement E et en traits pointillés pour la soupape d'admission A. On reconnaît la forme caractéristique de la 2877054 6 loi d'ouverture tour à tour des soupapes pour les cycles à quatre temps, d'abord la soupape d'échappement E entre le point mort bas (PMB) et le point mort haut (PMH) (phase d'échappement) puis la soupape d'admission A entre le PMH et le nouveau PMB (phase d'admission). Selon l'invention, on rouvre la soupape d'échappement E pendant la phase d'admission (partie 10 de la courbe) : en rouvrant cette soupape d'échappement, on augmente le taux de GBR et le swirl SA + SE. Le phasage et la durée de cette ouverture sont choisis pour réguler le taux de GBR et le taux de swirl nécessaire à chaque point de fonctionnement.
La figure 2 présente un mode de réalisation possible pour une culasse à quatre soupapes par cylindre, respectivement d'admission Al et A2 et d'échappement El et E2, dont les conduits d'admission 2 et d'échappement 3 sont également disposés selon une architecture à flux transversal permettant la création d'un swirl. On peut se référer sur ce point au document précité RU-A-2177553.
La figure 3(b) montre une possibilité de loi de levée de soupape, selon laquelle l'ouverture de la soupape E2 est complètement décalée dans la phase d'admission (partie 10 de courbe). Ce choix permet un taux de GBR assez élevé, car on ne vidange pas entièrement le cylindre dans le cycle précédente (la soupape E2 est en effet fermée pendant la phase d'échappement). La figure 2 illustre le swirl SE2 résultant du conduit d'échappement ouvert coexistant avec le swirl SA1 + SA2 résultant des conduits d'admission ouverts.
La figure 3(c) montre une autre p6ssibilité de loi de levée de soupape, selon laquelle les deux soupapes d'échappement El et E2 fonctionnent normalement pendant la phase d'échappement et on rouvre la soupape E2 pendant la phase d'admission (partie 10 de courbe). Ce choix permet une bonne vidange pendant la phase d'échappement, donc pas de surcroît de travail de pompage du moteur et néanmoins une augmentation du taux de GBR et du swirl.
Pour les culasses à quatre soupapes par cylindre, l'invention se prête mieux à un motif à 00, comme celui représenté sur la figure 2. Cependant, le principe proposé peut être appliqué à d'autres architectures d'admissions/échappement à condition que les soupapes d'échappement puissent être ouvertes indépendamment des soupapes d'admission. De même, d'autres combinaisons de conduits (tangentiels ou hélicoïdaux) sont envisageables. Si l'on n'a pas besoin de swirl pour la combustion en pleine charge, on peut adopter une architecture dans laquelle les conduits d'admission sont dessinés pour assurer une perméabilité maximale (comme les conduits des culasses essence sans mouvement aérodynamique de type tumble ou swirl ) afin de favoriser le remplissage en pleine charge. Le swirl nécessaire pour le fonctionnement en charge partielle sera alors généré entièrement par un des conduits d'échappement.
Par ailleurs, on peut envisager d'autres combinaisons des lois de levée de soupape d'admission (par exemple, à ouvertures décalées) ou d'échappement (par exemple, différentes levées maximales et/ou durées d'ouverture) qui permettront d'obtenir différentes combinaisons du taux de GBR et du taux de swirl pour les résultats optimaux à chaque point de fonctionnement en charge partielle.
Enfin, cette invention peut être utilisée avec n'importe quel système d'ouverture variable des soupapes, du plus simple, un déphaseur (VVT,- variable valve timing ) sur une des soupapes d'échappement sans système de levée variable, au plus complexe (VVT + VVL ou WA). Le système d'activation des soupapes peut être mécanique, hydraulique ou électromagnétique. Ces systèmes sont connus en eux-mêmes et ne seront pas plus amplement décrits.
2877054 8 Enfin, on n'a pas représenté sur les figures le système externe d'EGR, mais celui-ci est classique et on peut se référer par exemple aux documents mentionnés en tête de ce mémoire.
Claims (6)
1) Moteur à combustion interne diesel ou essence à injection directe, le moteur comprenant au moins un cylindre fermé par un piston mobile et une culasse dans laquelle débouchent au moins un conduit d'admission (2) et au moins un conduit d'échappement (3), via une soupape d'échappement (E, El, E2) et une soupape d'admission (A, Al, A2) dont les ouvertures en quatre temps en fonction de l'angle du vilebrequin du moteur sont contrôlées par un système de levée de soupapes commandant l'ouverture d'au moins une soupape d'échappement pendant une phase d'échappement entre le point mort bas et le point mort haut du piston et l'ouverture d'au moins une soupape d'admission pendant une phase d'admission entre le point mort haut et le point mort bas du piston, ledit système étant réglé pour autoriser l'ouverture au moins partielle d'une soupape d'échappement (E, E2) pendant au moins une partie de la phase d'admission, caractérisé en ce que l'architecture d'au moins le conduit d'échappement (3) dont la soupape (E2) s'ouvre pendant la phase d'admission est de type à flux transversal destiné à créer un swirl à l'échappement.
2) Moteur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un système externe de recirculation de gaz d'échappement.
3) Moteur selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la culasse est à deux soupapes (A, E) par cylindre.
4) Moteur selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la culasse est à quatre soupapes par cylindre, deux d'échappement (El, E2) et deux d'admission (Al, A2).
5) Moteur selon la revendication 4, caractérisé en ce que le système de levée de soupapes commande l'ouverture d'une première soupape d'échappement (El) pendant la phase d'échappement et d'une seconde soupape d'échappement (E2) pendant la phase d'admission.
6) Moteur selon la revendication 4, caractérisé en ce que le système de levée de soupapes commande l'ouverture des deux soupapes d'échappement (El, E2) pendant la phase d'échappement et d'une seule (E2) de ces deux soupapes d'échappement pendant la phase d'admission.
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