FR3077095A1 - Moteur a combustion interne a cycle divise muni d'une chambre de post-combustion - Google Patents
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Abstract
L'invention porte principalement sur un moteur à combustion interne (10) dont le cycle de fonctionnement comprend les phases successives d'admission, de compression, de détente, et d'échappement de gaz comportant: - un premier cylindre (12), dit de compression, destiné au déroulement des phases d'admission et de compression, - un second cylindre (13), dit de détente, destiné au déroulement des phases de détente et d'échappement de gaz d'échappement, - un canal de transfert (26) d'air du cylindre de compression (12) vers le cylindre de détente (13), caractérisé en ce que ledit moteur à combustion interne (10) comporte en outre, en sortie du cylindre de détente (13), une chambre dite de post-combustion (35) dans laquelle une quantité de carburant est destinée à être injectée et brulée pour augmenter une température des gaz d'échappement avant détente à l'intérieur d'une machine de détente (36).
Description
MOTEUR À COMBUSTION INTERNE À CYCLE DIVISÉ MUNI D'UNE CHAMBRE DE POST-COMBUSTION [0001 ] La présente invention porte sur un moteur à combustion interne à cycle divisé muni d'une chambre de post-combustion. L'invention trouve une application particulièrement avantageuse, mais non exclusive, dans le domaine des véhicules automobiles.
[0002] On connaît par exemple du document EP2619427 le concept de moteur à cycle divisé encore désigné par moteur dit split cycle en terminologie anglaise. Ce concept de moteur à cycle divisé consiste à séparer dans deux cylindres distincts les quatre temps d’un cycle Beau de Rochas habituellement concentrés dans un seul cylindre du moteur. Dans un moteur conventionnel, les quatre phases du cycle (Admission / Compression / Détente / Echappement) se suivent sur le plan temporel, et sont concentrés dans le même cylindre.
[0003] Pour le moteur à cycle divisé, les phases Admission / Compression et Détente / Echappement se situent dans deux cylindres différents avec une phase de transfert entre les deux cylindres par un conduit de transfert reliant ces deux cylindres. Les phases du cycle moteur peuvent alors être exécutées simultanément avec un phasage adéquat. Ces deux cylindres réalisent deux cycles en deux tours moteur, soit autant qu’un bicylindre quatre temps de même cylindrée ou comme un moteur deux temps.
[0004] On peut alors optimiser chacun des cylindres en fonction de leur utilisation (admission / compression pour le premier cylindre, détente / échappement pour le second cylindre). En fin de compression, la charge est transférée du piston compresseur vers le piston détendeur.
[0005] On observe que dans un moteur à combustion interne conventionnel à quatre temps, le piston est refroidi à chaque cycle par l’admission d’air frais dans le cylindre et par refroidissement des parois du cylindre via un circuit d’eau ou d’air ou autre type de fluide. En conséquence, la température moyenne de la matière du cylindre reste limitée.
[0006] En revanche, dans le moteur à cycle divisé, la température moyenne de la matière dans le piston de détente est plus élevée du fait de l'absence de refroidissement par de l’air frais. Cela nécessite de limiter la température maximale de combustion à l'intérieur du cylindre de détente en réalisant une combustion avec un excès d’air. L'invention tire profit de cette caractéristique du moteur à cycle divisé pour en améliorer le rendement.
[0007] Plus précisément, l'invention a pour objet un moteur à combustion interne dont le cycle de fonctionnement comprend les phases successives d’admission, de compression, de détente, et d’échappement de gaz comportant:
- un premier cylindre, dit de compression, destiné au déroulement des phases d’admission et de compression,
- un second cylindre, dit de détente, destiné au déroulement des phases de détente et d’échappement de gaz d'échappement,
- un canal de transfert d'air du cylindre de compression vers le cylindre de détente, caractérisé en ce que ledit moteur à combustion interne comporte en outre, en sortie du cylindre de détente, une chambre dite de post-combustion dans laquelle une quantité de carburant est destinée à être injectée et brûlée pour augmenter une température des gaz d'échappement avant détente à l'intérieur d'une machine de détente.
[0008] L'invention permet ainsi, grâce à la post-combustion réalisée avec l'excès d'air dans le cylindre de détente, d'augmenter la densité de puissance du moteur à combustion interne, mais aussi d'augmenter son rendement thermodynamique, tout en réduisant les émissions de particules polluantes. En outre, la densité de puissance ayant un effet direct sur la taille et la masse des composants, l'invention permet de réduire la masse du véhicule et donc sa consommation.
[0009] Selon une réalisation, la machine de détente est accouplée à une machine électrique apte à transformer une puissance mécanique fournie par ladite machine de détente en une énergie électrique.
[0010] Selon une réalisation, ledit moteur à combustion interne comporte un compresseur pour comprimer l'air à l'intérieur du cylindre de compression.
[0011] Selon une réalisation, la machine de détente est reliée mécaniquement au compresseur pour assurer son entraînement.
[0012] Selon une réalisation, le compresseur est un compresseur électrique.
[0013] Selon une réalisation, la machine de détente est reliée mécaniquement à une poulie de vilebrequin dudit moteur à combustion interne.
[0014] Selon une réalisation, ledit moteur à combustion interne comporte un échangeur de chaleur avec les gaz d'échappement pour réchauffer de l'air circulant à l'intérieur du canal de transfert.
[0015] L'invention a également pour objet un véhicule automobile caractérisé en ce qu’il comprend un moteur à combustion interne tel que précédemment défini pour son déplacement.
[0016] L’invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit et à l’examen des figures qui l’accompagnent. Ces figures ne sont données qu’à titre illustratif mais nullement limitatif de l’invention.
[0017] La figure 1 est une représentation schématique d'un moteur à cycle divisé comportant une chambre de post-combustion selon la présente invention;
[0018] Les figures 2 et 3 sont des représentations schématiques de variantes de réalisation du moteur à cycle divisé selon la présente invention.
[0019] Les éléments identiques similaires ou analogues conservent la même référence d'une figure à l'autre.
[0020] La figure 1 présente un moteur à combustion interne 10 à cycle divisé. Le moteur 10 en fonctionnement déroule un cycle comprenant quatre temps : une phase d’admission d’air, une phase de compression d’air, une phase de détente des gaz brûlés et une phase d’échappement des gaz brûlés, successivement dans cet ordre. Un tel moteur 10 peut équiper un véhicule automobile pour son déplacement.
[0021 ] Le moteur 10 comprend un premier cylindre 12 et un second cylindre 13 adjacents. On pourra trouver des architectures de moteur avec d’autres positionnements des cylindres 12, 13, par exemple des architectures en moteur à plat à 180°. Dans le premier cylindre 12 encore désigné cylindre de compression et dans lequel coulisse un premier piston 15, se déroulent la phase d’admission et de compression de l’air. Dans le second cylindre 13 encore désigné cylindre de détente, et dans lequel coulisse un second piston 16, se déroulent la phase de détente et la phase d’échappement des gaz brûlés. Les pistons 15, 16 sont classiquement reliés à un vilebrequin 41 visible en figure 3.
[0022] Ainsi, dans le cylindre de compression 12 ne se déroule pas la phase de détente et la phase d’échappement des gaz brûlés et dans le cylindre de détente 13 ne se déroule pas la phase d’admission et de compression de l’air.
[0023] Le cylindre de compression 12 comprend une soupape 18 d’admission d’air et une soupape 19 d’échappement d’air. En variante, la soupape 19 est remplacée par un clapet apte à s’ouvrir à partir d’une certaine pression et à se fermer ensuite. Un conduit 21 amène l’air dans le cylindre de compression 12 par la soupape d’admission 18.
[0024] Le cylindre de détente 13 comprend une soupape d'admission 23 du gaz comprimé provenant du cylindre de compression 12 ainsi qu'une soupape d’échappement 24 des gaz brûlés.
[0025] Le moteur 10 comprend en outre un canal de transfert 26 de l'air du cylindre de compression 12 vers le cylindre de détente 13. Ce canal 26 de transfert relie l’échappement du cylindre de compression 12 à l’admission du cylindre de détente 13.
[0026] Le moteur 10 peut comprendre des moyens 28 d’injection et d'allumage du mélange air/carburant implantés dans le cylindre de détente. En variante, les moyens d'injection sont implantés dans le canal de transfert 26, en aval d'un échangeur de chaleur 33.
[0027] Par ailleurs, un compresseur 30 est apte à comprimer l'air à l'intérieur du cylindre de compression 12. Un échangeur de chaleur 31 permet de refroidir l'air sortant du compresseur 30 pour optimiser le remplissage du cylindre de compression 12. L'échangeur de chaleur 33, appelé régénérateur, permet de réchauffer de l'air circulant à l'intérieur du canal de transfert 26 par échange thermique entre les gaz d'échappement et l'air circulant dans le canal de transfert 26.
[0028] Le moteur 10 comporte en outre, en sortie du cylindre de détente 13, une chambre dite de post-combustion 35 dans laquelle du carburant est injecté et brûlé via des moyens 28' pour augmenter la température des gaz d'échappement avant détente à l'intérieur d'une machine de détente 36. La machine de détente 36 pourra être constituée d'une turbine ou d'une machine à piston ou de toute autre machine adaptée à l'application.
[0029] Dans le cas d'une configuration de type turbocompresseur classique représentée sur la figure 1, la machine de détente 36 est reliée mécaniquement au compresseur 30 pour assurer son entraînement.
[0030] En outre, comme cela est représenté sur les figures 1 et 2, la machine de détente 36 pourra être accouplée à une machine électrique 38 apte à transformer une puissance mécanique fournie par la machine de détente 36 en une énergie électrique destinée notamment à être utilisée pour recharger une batterie du véhicule automobile.
[0031] On décrit ci-après le fonctionnement du moteur à combustion interne 10 selon la présente invention.
[0032] L’air est comprimé par le compresseur 30 pour augmenter sa pression et atteindre une pression de 1.5 à 3 fois la pression atmosphérique. L’air comprimé est refroidit dans l’échangeur 31 avant d'entrer dans le cylindre de compression 12 lors de la phase d'admission.
[0033] A cet effet, l’air entre dans le cylindre de compression 12 par sa soupape d’admission 18. Durant la phase de compression, le premier piston 15 comprime l’air à une pression comprise entre 20 à 30 bars. Bien entendu, on pourra avoir d’autres valeurs de pressions que celles indiquées ci-dessus. Cela dépend de l'application.
[0034] Cet air comprimé est ensuite transféré via le canal 26 vers le cylindre de détente 13 qui fait ainsi office de conduit d’admission vers le cylindre de détente 13. La sortie de l’air comprimé dans le canal 26 est contrôlée par la soupape d’échappement 19 du cylindre de compression 12 tandis que l’entrée d’air dans le cylindre de détente 13 est contrôlée par la soupape d'admission 23.
[0035] En entrant dans le régénérateur 33, l'air est préchauffé avant d'entrer dans le cylindre de détente 13 dans lequel on injecte une première quantité de carburant et on réalise la première combustion du mélange air-carburant. La température maximale atteinte dépend de la quantité de carburant injectée, donc de la richesse du mélange.
[0036] Le piston 16 se détend et produit un travail lors de la phase de détente. Les gaz d’échappement sont alors refroidis à une température qui dépend du taux de compression et des échanges thermiques avec les parois du cylindre de détente 13. Pendant la phase d’échappement, les gaz brûlés sortent par la soupape d’échappement 24 du cylindre de détente 13.
[0037] En sortie du cylindre de détente 13, les moyens 28' réinjectent du carburant et rebrûlent le mélange à l'intérieur de la chambre de post-combustion 35 en tirant profit de la présence d'oxygène dans les gaz d'échappement. Cela permet d'augmenter la température des gaz d'échappement avant de réaliser une deuxième détente dans la turbine 36.
[0038] L'invention permet ainsi d'augmenter la densité de puissance du moteur à combustion interne 10, mais aussi d'augmenter son rendement thermodynamique, tout en réduisant les émissions de particules polluantes. Un calcul thermodynamique montre ainsi que le rendement peut être augmenté de 3 à 5%, et la densité de puissance de 40 à 60% en brûlant un mélange air-carburant à 1250°C dans à chambre de post-combustion. En outre, la densité de puissance ayant un effet direct sur la taille et la masse des composants, l'invention permet de réduire la masse du véhicule et donc sa consommation.
[0039] La turbine de détente 36 est avantageusement reliée mécaniquement au compresseur d’air 30. La puissance produite par la turbine 36 étant plus grande que la puissance du compresseur 30, l'excès de puissance pourra ainsi être transformé en puissance électrique par la machine électrique 38 qui rechargera une batterie du véhicule, notamment dans un véhicule type hybride.
[0040] En variante, comme cela est illustré sur la figure 2, le compresseur 30 est un compresseur électrique mécaniquement distinct de la turbine 36 et entraîné par une machine électrique tournante 39.
[0041] En variante, comme cela est illustré sur la figure 3, la machine de détente 36 est reliée mécaniquement à une poulie 40 de vilebrequin 41 du moteur, par exemple au moyen d'un système de transmission 42 à courroie ou à chaîne adapté.
REVENDICATIONS
Claims (8)
1. Moteur à combustion interne (10) dont le cycle de fonctionnement comprend les phases successives d’admission, de compression, de détente, et d’échappement de gaz comportant:
- un premier cylindre (12), dit de compression, destiné au déroulement des phases d’admission et de compression,
- un second cylindre (13), dit de détente, destiné au déroulement des phases de détente et d’échappement de gaz d'échappement,
- un canal de transfert (26) d'air du cylindre de compression (12) vers le cylindre de détente (13), caractérisé en ce que ledit moteur à combustion interne (10) comporte en outre, en sortie du cylindre de détente (13), une chambre dite de post-combustion (35) dans laquelle une quantité de carburant est destinée à être injectée et brûlée pour augmenter une température des gaz d'échappement avant détente à l'intérieur d'une machine de détente (36).
2. Moteur à combustion interne selon la revendication 1, caractérisé en ce que la machine de détente (36) est accouplée à une machine électrique (38) apte à transformer une puissance mécanique fournie par ladite machine de détente (36) en une énergie électrique.
3. Moteur à combustion interne selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comporte un compresseur (30) pour comprimer l'air à l'intérieur du cylindre de compression (12).
4. Moteur à combustion interne selon la revendication 3, caractérisé en ce que la machine de détente (36) est reliée mécaniquement au compresseur (30) pour assurer son entraînement.
5. Moteur à combustion interne selon la revendication 3, caractérisé en ce que le compresseur (30) est un compresseur électrique.
6. Moteur à combustion interne selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la machine de détente (36) est reliée mécaniquement à une poulie (40) de vilebrequin (41 ) dudit moteur à combustion interne (10).
7. Moteur à combustion interne selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comporte un échangeur de chaleur (33) avec les gaz d'échappement pour réchauffer l'air circulant à l'intérieur du canal de transfert (26).
8. Véhicule automobile caractérisé en ce qu’il comprend un moteur à combustion interne
5 (10) tel que défini selon l’une quelconque des revendications précédentes pour son déplacement.
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