Moteur thermique à recyclage de gaz d'échappement intégré

La présente invention concerne un moteur thermique à recyclage de gaz d'échappement intégré.

ARRIERE PLAN DE L'INVENTION

Pour améliorer les performances d'un moteur thermique, en particulier en ce qui concerne une diminution de la pollution, il est connu de réinjecter des gaz d'échappement lors de l'admission.

Dans les moteurs existants, le recyclage de gaz d'échappement est effectué au moyen d'un dispositif séparé du moteur comprenant généralement un conduit refroidi et un conduit non refroidi montés en parallèle, une vanne de by- pass pour orienter les gaz d'échappement à recycler vers le conduit refroidi ou le conduit non refroidi, et une vanne de régulation de débit pour réguler le débit des gaz d'échappement recyclés. Le dispositif de recyclage de gaz d'échappement est monté entre le tube d'échappement et le conduit d'admission en amont du collecteur d'admission.

La présence du dispositif de recyclage d'échappement externe augmente l'encombrement global du moteur.

OBJET DE L'INVENTION

Un premier objet de l'invention est de proposer un moteur thermique dans lequel le dispositif de recyclage de gaz est au moins partiellement intégré directement au moteur.

Un autre objet de l'invention est d'associer à l'architecture du moteur thermique selon l'invention, une réserve d'air comprimé permettant de multiples améliorations des performances du moteur.

RESUME DE L'INVENTION

En vue de la réalisation de ce but, on prévoit selon 1 ' invention un moteur thermique comportant au moins deux cylindres équipés de soupapes d'admission reliées à un conduit d'admission et de soupapes d'échappement reliées à

un conduit d'échappement par l'intermédiaire d'un collecteur d'échappement, les soupapes étant associées à des organes de commande, dans lequel chaque cylindre comporte une soupape additionnelle associée à un organe de commande in- dépendant, les soupapes additionnelles étant reliées au conduit d'échappement par un conduit de recyclage d'échappement .

Il est ainsi possible de simplifier le dispositif de recyclage d'échappement en supprimant le conduit de re- cyclage d'échappement non refroidi.

Selon un mode de réalisation préféré de cet aspect de l'invention, le moteur comporte un premier conduit de recyclage d'échappement non refroidi et un second conduit de recyclage d'échappement refroidi montés en parallèle et chacun pourvu d'une vanne d'isolement. Les soupapes additionnelles assurent alors la fonction de régulation de débit de sorte que le dispositif de recyclage d'échappement est totalement intégré au moteur.

Selon le deuxième aspect de l'invention, le conduit de recyclage d'échappement est relié à un réservoir d'air comprimé par l'intermédiaire d'un conduit de liaison comportant une vanne d'isolement de réservoir, une vanne d'isolement d'échappement étant montée entre le conduit d'échappement et un point de jonction du conduit de recy- clage d'échappement avec le conduit de liaison. Ainsi, par un contrôle approprié de la vanne d'isolement du réservoir, de la vanne d'isolement d'échappement et des soupapes additionnelles, on peut réaliser des multiples utilisations afin d'améliorer les performances du moteur. BREVE DESCRIPTION DES DESSINS

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description qui suit d'un mode de réalisation préféré de l'invention et d'une variante de réalisation, en relation avec les figures ci- jointes parmi lesquelles :

- la figure 1 est une représentation schématique

d'un moteur thermique selon l'invention,

- la figure 2 est une représentation schématique d'une variante de réalisation du dispositif de la figure 1.

DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION En référence à la figure 1, le moteur thermique 1 illustré comporte de façon connue en soi quatre cylindres 2 chacun équipé de deux soupapes d'admission 3 reliées à un conduit d'admission 4 et associées à un organe de commande 5. Egalement de façon connue en soi, chaque cylindre est équipé d'une soupape d'échappement 6 reliée à un conduit d'échappement 7 et associée à un organe de commande 8. Dans le mode de réalisation illustré, chaque soupape est commandée par un organe de commande individuel tel qu'un action- neur électromagnétique, mais l'invention concerne également les moteurs thermiques équipés de façon classique d'un arbre à came ou de tout autre organe d' actionnement pour commander les soupapes d'admission et d'échappement.

Selon le mode de réalisation illustré de l'invention, chaque cylindre 2 est en outre équipé d'une soupape additionnelle 9 reliée à un réservoir 10 par un conduit de liaison généralement désigné en 11. Chaque soupape additionnelle 9 est associée à un organe de commande indépendant 32 qui peut être un actionneur électromagnétique hydraulique ou pneumatique relié à une unité de traitement 34. Le conduit de liaison 11 comporte successivement à partir du moteur 1 un collecteur 12, une branche 13 reliée au collecteur 12 sur laquelle est montée un échangeur de chaleur 14 comprenant un serpentin 33 relié au circuit de refroidissement du moteur, une branche 15 reliée à la branche 13, un filtre 16 disposé dans la branche 15 à la jonction avec la branche 13, un clapet anti-retour 17 monté pour permettre un écoulement de gaz vers le réservoir 10, un régulateur de pression 18 monté en parallèle au clapet antiretour 17 pour permettre un écoulement de gaz à partir du réservoir 10, et une vanne d'isolement de réservoir 19 raccordée au réservoir par un tronçon de conduit 20. Le réser-

voir 10 est lui-même équipé d'un clapet de sûreté 21.

A son embranchement avec la branche 15, la branche 13 du conduit de liaison 11 est reliée à une première extrémité d'un conduit de recyclage 22 dont une extrémité op- posée est reliée au collecteur d'échappement 23, une vanne d'isolement d'échappement 24 étant montée sur le premier conduit de recyclage 22. La branche 13 est donc commune au conduit de liaison 11 et au conduit de recyclage 22. Un second conduit de recyclage 25 s'étend entre le collecteur 12 du conduit de liaison 11 et le collecteur d'échappement 23. Le second conduit de recyclage 25 est équipé d'une vanne d'isolement 26.

Par ailleurs, de façon connue en soi, un turbocompresseur 27 est monté à cheval sur le conduit d'admission 4 et le conduit d'échappement 7.

Les différentes vannes d'isolement sont normalement maintenues fermées. Pour le remplissage du réservoir, la vanne d'isolement 19 est ouverte et chaque soupape additionnelle 9 est ouverte pendant la phase de compression correspondante du cylindre concerné lors d'une décélération du véhicule. L'air comprimé par le cylindre passe ainsi dans la branche 13 où il est refroidi par 1 ' échangeur 14 puis par le clapet anti-retour 17 et alimente donc le réservoir 10 jusqu'à ce que la pression dans le réservoir 10 soit égale à la pression en fin de compression.

On notera à ce propos que la majeure partie de l'air contenu dans le cylindre est chassé pendant la phase de compression vers le réservoir 10 de sorte que dans la phase qui suit immédiatement la compression, le piston exerce un travail pour provoquer une détente des gaz restés dans le cylindre. Le couple global du cycle du moteur est alors négatif et agit comme un frein moteur important. Pendant cette phase, le couple de freinage peut être ajusté en modifiant la levée de la soupape indépendante ainsi que l'instant d'ouverture et/ou le temps pendant lequel la soupape est ouverte. Dans le cas d'un moteur associé à une

transmission variable réversible, on peut également adapter le régime de rotation du moteur pour assurer une récupération d'énergie dans les meilleures conditions.

On peut également cesser le remplissage du réser- voir à une pression inférieure en fermant la vanne d'isolement 19 lorsque la pression dans le réservoir 10 atteint un seuil prédéterminé. Dans les instants où le moteur fonctionne à faible charge on peut faire fonctionner deux cylindres en moteur tandis que les deux autres cylindres fonctionnent en compresseur pour remplir le réservoir 10.

Par ailleurs, de façon non exhaustive, les différentes utilisations de l'architecture du moteur selon l'invention sont les suivantes :

Lors d'un démarrage à froid, la vanne d'isolement 19 est ouverte et le détendeur de pression 18 est actionné pour permettre un écoulement de l'air depuis le réservoir 10 vers les soupapes indépendantes 9. Lorsqu'un cylindre est en phase d'admission, juste après la fermeture des soupapes d'admission 3, la soupape indépendante 9 correspon- dante est ouverte un bref instant pour admettre un volume d'air supplémentaire. La masse d'air comprimée dans le cylindre est donc augmentée de sorte que les gaz comprimés dans le cylindre atteignent une température élevée en fin de compression. Après un démarrage du moteur et lorsque le moteur est encore froid, la vanne d'isolement d'échappement 26 est ouverte de sorte que des gaz d'échappement peuvent s'écouler dans le conduit de recyclage 25 non refroidi. Lors de la phase d'admission d'un cylindre, la soupape indépendante 9 est ouverte de sorte que des gaz chauds sont admis dans les cylindres, ce qui facilite la montée en température du moteur et la réduction des émissions polluantes.

Lorsque le moteur est chaud, la vanne d'isolement 26 est fermée tandis que la vanne d'isolement 22 est ou- verte. En ouvrant une soupape indépendante 9 pendant la phase d'admission, on admet ainsi des gaz d'échappement qui

ont été refroidis par l ' échangeur de chaleur 14. En fin d'admission, on peut également admettre de l'air frais en provenance du réservoir 10, ce qui permet d'obtenir une stratification des gaz contenus dans le cylindre 2 corres- pondant. Dans ce cas l ' échangeur de chaleur 14 sert à réchauffer l'air détendu venant du réservoir 10. On bénéficie ainsi tout à la fois de la réduction des émissions polluantes et d'une bonne combustion des gaz.

A ce propos, on notera que l'architecture du moteur selon l'invention permet de supprimer le circuit habituel de recyclage de gaz d'échappement, ce qui réduit le coût global de réalisation du moteur.

Dans le cas d'une forte accélération, les soupapes additionnelles 9 permettent d'admettre un supplément d'air dans les cylindres, les vannes d'isolement d'échappement étant fermées, de sorte qu'il est possible de travailler à une richesse 1 favorisant une accélération rapide tout en limitant les émissions polluantes. En outre, la suralimentation peut encore être augmentée en ouvrant la vanne d'isolement 24 de sorte que de l'air sous pression en provenance du réservoir 10 est envoyé dans le conduit d'échappement 7, ce qui raccourcit la montée en vitesse du turbocompresseur 27 et permet une suralimentation plus rapide dans le conduit d'admission, augmentant ainsi le rendement du cycle thermodynamique.

En régime stable à forte charge, les vannes d'isolement d'échappement 24 et 26 sont ouvertes et les soupapes additionnelles 9 sont commandées de façon synchronisée avec les soupapes d'échappement 6, de sorte que le cylindre se vide plus rapidement lors de la phase d'échappement.

En fin d'échappement et alors que les soupapes d'échappement 6 sont encore ouvertes, on peut également fermer les vannes d'isolement 24 et 26 et alimenter le conduit de liaison 11 avec de l'air sous pression de sorte que cet air est injecté dans le cylindre correspondant et facilite l ' évacuation des gaz brûlés encore présents dans

la chambre de combustion. Cela permet en outre d'assurer un refroidissement du cylindre de sorte que les phénomènes de cliquetis et l'émission de NOx sont réduits.

En référence à la figure 2 , les éléments identiques à ceux de la figure 1 portent les mêmes références numériques que sur la figure 1. Dans cette variante le second conduit de recyclage 25 a été supprimé et le conduit de recyclage 22 est relié à une branche 28 non refroidie du conduit de liaison 11. Parallèlement le moteur est équipé d'un conduit de recyclage 29 relié de façon connue en soi entre le conduit d'échappement 7 et le conduit d'admission 4. Le conduit de recyclage 29 est équipé d'un échangeur de chaleur 30 et d'une vanne de recyclage 31 de sorte que ce circuit de recyclage se distingue du circuit de recyclage habituel par la suppression de la ligne de by-pass.

Bien entendu l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits et on peut y apporter des variantes de réalisation sans sortir du cadre de l'invention telle que définie par les revendications . En particulier, bien que l'invention ait été décrite avec un conduit de recyclage d'échappement relié à un réservoir d'air comprimé, ce qui permet les multiples améliorations de performances énoncées ci-dessus, le moteur selon l'invention peut également être réalisé en prévoyant simplement une architecture permettant une intégration partielle ou totale du dispositif de recyclage de gaz d'échappement .

Bien que dans la variante de réalisation qui est illustrée par la figure 2 le moteur comprenne un conduit de recyclage non refroidi 28 intégré au moteur et un circuit de recyclage refroidi 29 extérieur au moteur, l'invention peut être réalisée en conservant la branche 13 et 1 ' échangeur 14 illustrés sur la figure 1 et en supprimant 1 ' échangeur de chaleur 30 sur le conduit de recyclage 29. En outre, lorsque les soupapes d'échappement 6 sont commandées par des organes de commande indépendants les uns

des autres, comme illustré sur les figures, il est possible d'assurer le recyclage non refroidi en ouvrant la soupape d'échappement d'un cylindre lorsque celui-ci est en phase d'admission de sorte que les gaz d'échappement qui sont en- voyés dans le conduit d'échappement par un cylindre en phase d'échappement sont partiellement recyclés dans le cylindre en phase d'admission. Par rapport à l'architecture de la figure 1, il est donc possible de supprimer le conduit de recyclage 25. Dans la version du moteur comportant un réservoir d'air comprimé, celui-ci peut être alimenté de façon externe, la liaison avec le moteur servant alors exclusivement lors des phases d'utilisation de l'air comprimé.

Indépendamment de ce qui précède, l'invention concerne également un procédé de gestion des performances d'un moteur thermique comportant au moins un cylindre équipé d'une soupape d'admission reliée à un conduit d'admission, une soupape d'échappement reliée à un conduit d'échappement, le procédé comportant l'étape d'introduire du gaz sous pression directement dans ledit au moins un cylindre pendant une phase de fonctionnement en moteur thermique en utilisant une soupape à commande indépendante.

Cela permet de multiplier les applications en fonction des conditions de fonctionnement du moteur. Selon une première application particulière, le gaz sous pression est de l'air introduit pendant une phase d'admission ou au début d'une phase de compression. On réalise ainsi une suralimentation favorable à un démarrage à froid ou à une forte accélération. L'introduction d'air pendant la phase d'admission peut être précédée d'une introduction de gaz d'échappement, ce qui permet d'obtenir dans le cylindre une stratification favorable au fonctionnement d'un moteur chaud.

L'introduction d'air pendant la phase d'admission peut également être accompagnée ou précédée d'une introduction d'air dans le conduit d'échappement vers un turbocom-

presseur monté à cheval sur le conduit d'échappement et le conduit d'admission. La montée en vitesse du turbocompresseur est ainsi améliorée.

Selon une autre application particulière du procédé selon l'invention, le gaz sous pression est du gaz d'échappement introduit pendant une phase d'admission ou au début d'une phase de compression.

Selon encore une autre application particulière du procédé selon l ' invention pour un moteur comportant plu- sieurs cylindres, le procédé comporte l'étape de faire fonctionner au moins un cylindre en compresseur tandis qu'au moins un autre cylindre fonctionne en moteur. Ceci permet de reconstituer le stock d'air comprimé dans les situations où le moteur fonctionne à faible charge. Selon un autre aspect de l'invention, on prévoit un moteur thermique comportant au moins un cylindre équipé d'une soupape d'admission reliée à un conduit d'admission et d'une soupape d'échappement reliée à un conduit d'échappement, les soupapes étant chacune associée à un organe de commande, au moins une soupape additionnelle étant associée à un organe de commande indépendant et reliée à un réservoir de gaz sous pression par un conduit de liaison, le moteur comportant des moyens pour commander la ou les soupapes additionnelles pour introduire un gaz sous pression pendant une phase de fonctionnement en moteur thermique.

De préférence, le moteur comporte un conduit de recyclage qui relie la soupape additionnelle au conduit d'échappement et qui est pourvu d'une vanne d'isolement d ' échappement . Selon une version avantageuse de l'invention, le conduit de recyclage est relié au conduit de liaison, la vanne d'isolement d'échappement est montée entre le conduit d'échappement et un point de jonction du conduit de recyclage avec le conduit de liaison, et une vanne d'isolement du réservoir est montée entre le réservoir et le point de liaison du conduit de recyclage avec le conduit de liaison.

Ainsi, le conduit de recyclage constitue un tronçon commun permettant une liaison du moteur avec le collecteur d'échappement ou avec le réservoir d'air comprimé.

Selon un autre aspect avantageux de l'invention, le conduit de liaison comporte un échangeur de chaleur. Il est ainsi possible d'utiliser des gaz d'échappement refroidis pour effectuer une stratification de gaz dans les cylindres .

Selon encore un autre aspect avantageux de 1 ' inven- tion, un clapet anti-retour est monté pour permettre un écoulement du gaz vers le réservoir et un régulateur de pression est monté en parallèle au clapet anti-retour pour permettre un écoulement de gaz du réservoir vers la soupape indépendante. On utilise ainsi le conduit de liaison non seulement pour remplir le réservoir mais également pour l'utilisation de l'air stocké dans le réservoir. L'encombrement global du moteur est donc réduit.

D'une façon générale, lorsque de l'air sous pression est introduit dans un cylindre en provenance du réser- voir 10 pendant une phase d'admission, cette introduction d'air en provenance du réservoir se substitue de façon partielle ou totale à l'air introduit par le conduit d'admission 4, que celui-ci soit ou non équipé d'un turbocompresseur. La pression de l'air en provenance du réservoir est supérieure à celle du conduit d'admission même lorsque le moteur est équipé d'un turbocompresseur. La quantité d'air totale introduite dans le cylindre est donc fonction de temps d'ouverture respectifs des soupapes 3 et 9.

De préférence, afin de ménager la réserve d'air dans le réservoir, de l'air en provenance du réservoir est utilisé seulement en remplacement partiel de l'air en provenance du conduit d'admission. L'air en provenance du réservoir peut être introduit dans le cylindre avant ou après l'air en provenance du conduit d'admission en commandant de façon appropriée l'ouverture des soupapes 3 et 9. De préférence, l'air en provenance du conduit d'admission est in-

troduit dans le cylindre avant l'air en provenance du réservoir.

De préférence, dans ce cas le débit d'air dans le conduit d'admission 4 est évalué par une mesure ou par un calcul et la quantité d'air sous pression introduite est fonction du débit évalué .

Des variantes de réalisation sont possibles pour la mise en œuvre de ce procédé.

En particulier, le conduit de liaison 11 peut être réalisé sans clapet anti-retour, la pression dans le réservoir 10 étant alors gérée par la détermination des instants d'ouverture et de fermeture des soupapes additionnelles 9.

Le régulateur de pression 18 peut également supprimé, la pression d'admission de l'air comprimé par les sou- papes additionnelles 9 étant alors assurée par une perte de charge résultant de la levée des soupapes additionnelles 9.

Dans le cas où le réservoir 10 est alimenté par un compresseur extérieur, le gaz sous pression peut être un gaz autre que l'air ou un mélange de gaz adapté aux appli- cations envisagées.

Bien que l'invention ait été illustrée en relation avec un moteur comportant quatre cylindres, chacun équipé d'une soupape additionnelle, l'invention peut être réalisée en mettant plusieurs soupapes additionnelles par cylindre ou au contraire en n'équipant pas tous les cylindres d'une soupape additionnelle. Dans ce cas il restera possible d'alimenter le réservoir 10 mais les utilisations de l'air stocké dans le réservoir seront réduites. Dans le cas d'un moteur équipé de soupapes d'admission et/ou d'échappement à commande indépendante on peut également utiliser l'une de ces soupapes pour l ' introduction de gaz sous pression dans les cylindres, le collecteur d'admission et/ou d'échappement étant alors équipée d'une vanne d'isolement placée de façon appropriée pour diriger le gaz sous pression vers la soupape souhaitée.

Bien entendu, on peut également équiper le réservoir d'un raccord permettant de remplir celui-ci au moyen d'un compresseur extérieur ou d'utiliser l'air comprimé à d'autres fins que celles exposées ci-dessus, par exemple pour regonfler un pneu, produire de l'électricité ou encore alimenter des actionneurs pneumatiques .