Le procédé prévoit de maintenir ou introduire dans le cylindre une charge de gaz brûlés recyclés et d'introduire une charge d'air frais et de les maintenir séparées pendant la compression. De préférence le taux de gaz brûlés recyclés est suffisant pour supprimer la formation des NOX, par exempte supérieur à 30% de la masse totale des gaz présents dans le cylindre.

Le carburant est distribué dans la charge de gaz brûlés avant ou pendant la compression pour obtenir en fin de compression un mélange carburé où la concentration de vapeur est sensiblement homogène et où la concentration de gaz brûlés est partout suffisante pour limiter la température de flamme au dessous du seuil de formation des NOX, quel que soit l'apport d'oxygène.

La combustion se développe au rythme du mélange par diffusion de la charge carburée dans la charge d'air frais pendant les transferts entre le cylindre et la chambre de combustion au voisinage du point mort haut.

L'absence d'accumulation locale de carburant dans la zone réactive garantit une combustion exempte de particules.

Problème non résolu par l'art antérieur Dans les moteurs à allumage par compression on s'efforce d'homogénéiser la charge comburante composée d'air frais et de gaz brûlés recyclés pour limiter la température locale de flamme au seuil de formation des NOX.

Le carburant est généralement introduit sous forme de brouillard au point mort haut quand la charge gazeuse a atteint une température qui permet un autoallumage rapide.

Malgré les perfectionnements des dispositifs d'injection à rail commun, cette méthode crée des accumulations locales de carburant génératrices de particules.

De plus les petites zones prémélangées s'allument avec un cognement désagréable en circulation urbaine.

Depuis quelques années d'autres procédés d'introduction du carburant dans la charge gazeuse homogène ont mis en évidence la possibilité d'éliminer à la source les NOX et les particules.

Ils consistent à créer pendant le remplissage et/ou pendant la compression un prémélange plus ou moins homogène de gaz comburant et de vapeur de carburant qui s'enflamme massivement par autoallumage en fin- de compression. Ces procédés sont connus sous le sigle anglosaxon HCCI (Homogeanous Charge Compression Ignition).

En effet dans un mélange parfaitement homogène d'air, de gaz brûlés plus ou moins refroidis et de vapeur de carburant dont la richesse est inférieure à la stoechiométrie on peut dire en tous points : Que toute molécule de carburant est entourée de suffisamment d'oxygène pour une combustion totale sans formation de suies.

Que le comburant et le carburant sont chauffés simultanément pendant la compression jusqu'au seuil d'autoallumage sans surchauffe du milieu comburant.

Que la présence en tous points de gaz ne participant pas à la réaction permet de maintenir partout la température au dessous du seuil de formation des NOX.

Hélas, la mise en oeuvre de ces procédés est limitée par le caractère explosif de l'auto-allumage quand il se produit simultanément en tous points d'un volume.

L'auto allumage n'est progressif qu'aux faibles charges très diluées où il démarre en certains points discrets répartis dans la masse dont la préoxydation a été initiée précocement par des radicaux actifs présents dans les gaz recirculés, par leur ordre d'arrivée dans le comburant ou par de petits '< gradients de température.

Après l'allumage la cinétique de la combustion due à l'échauffement par compression n'est plus contrôlable pour des pressions moyennes efficaces supérieures à 8 bars où le niveau sonore devient inacceptable.

L'autre difficulté est de placer l'allumage au PMH (point mort haut). Ceci impose d'agir sur le délai d'oxydation lente, c'est à dire sur l'histoire de la charge carburée. L'exercice est possible en régime stabilisé mais périlleux dans les transitoires rapides des moteurs automobiles.

De plus, le développement des flammes froides favorise la formation de CO et de HC qui seront difficilement oxydés dans le cylindre compte tenu des basses températures en fin de cycle, qui sont, de plus, insuffisantes pour la turbocompression.

En conclusion il est très difficile de contrôler simultanément l'initiation et le développement de la combustion d'une charge parfaitement homogène.

La turbocompression permet de recycler une part importante des gaz brûlés dans tout le champs d'utilisation du moteur comme le montre la demande de brevet déposée en France le 26 Mars 2003 sous le numéro 03 03728, dont le contenu est incorporé ici par référence.

Le but de la présente invention est d'obtenir à toutes les charges du moteur une combustion sans cognement, exempte de NOX et de particules par une séquence spaciotemporelle nouvelle de mise en présence des espèces qui participeront à la combustion.

Description de l'invention.

L'invention a pour objet un procédé de combustion pour un moteur alternatif adapté pour fonctionner avec un taux élevé de gaz brûlés recyclés, ledit moteur comprenant au moins un cylindre délimité par un piston et une culasse déterminant une chambre de travail d'une masse gazeuse et une chambre de combustion, caractérisé en ce que : - pendant la phase d'aspiration du piston, on crée ladite masse gazeuse à partir d'une première zone contenant essentiellement des gaz brûlés recyclés ayant une concentration d'oxygène résiduel insuffisante pour

permettre un auto-allumage précoce et d'une seconde zone contenant sensiblement la totalité d'une charge comburante d'air frais, lesdites zones étant maintenues séparées pendant la compression du piston, - on introduit dans la première zone un carburant pour créer un mélange carburé de gaz brûlés recyclés et de vapeur de carburant aussi homogène que possible en fin de compression, et - par la compression de la première et de la seconde zone on chauffe séparément la charge comburante d'air frais et le mélange carburé et on mélange au voisinage du point mort haut du piston ladite charge comburante et ledit mélange carburé pour entretenir une flamme de diffusion avec les mélanges mis en contact.

L'invention concerne également des moteurs adaptés à ce procédé.

Contrairement à l'art antérieur où le mélange d'air frais et de gaz brûlés recyclés présent dans le cylindre est homogène en fin de compression, la présente invention prévoit de limiter au maximum la zone de mélange pour conserver jusqu'à la fin de la compression une zone remplie de gaz brûlés ne contenant que l'oxygène résiduel du cycle précédent et une zone remplie d'air frais.

Dans la zone intermédiaire mélangée, la concentration d'oxygène varie donc entre la valeur résiduelle de la combustion précédente et celle de l'air frais.

Contrairement à l'art antérieur où le carburant est introduit dans un mélange comburant où la concentration d'oxygène est suffisante pour en assurer l'oxydation par diffusion locale, la présente invention prévoit d'introduire le carburant au coeur de la zone remplie de gaz brûlés peu oxygénés.

Un mélange plus ou moins stratifié de gaz brûlés et de vapeur de carburant s'homogénéise en s'échauffant jusqu'à la fin de la compression dans une zone du cylindre alors que l'air frais et la zone de mélange s'échauffent dans une autre partie du cylindre.

Le mélange carburé doit tre organisé pour que, en fin de compression, la dilution de la vapeur de carburant par les gaz brûlés soit partout suffisante pour interdire la formation de NOX dans une combustion localement stoechiométrique.

Schématiquement l'art antérieur dilue par des gaz brûlés toute la charge d'oxygène avant d'introduire le carburant liquide. La température locale est limitée par la concentration massique d'oxygène quelle que soit la concentration locale de carburant créée par l'injecteur qui accumule le carburant autour des gouttelettes en générant des particules.

Au contraire, la présente invention dilue par des gaz brûlés toute la vapeur de carburant avant d'introduire l'oxygène frais dans la zone réactionnelle. La température locale est limitée par la faible concentration locale de carburant qui élimine simultanément la formation de NOX et les points riches générateurs de particules.

En fin de compression les températures des zones carburée et comburante sont suffisantes pour qu'un autoallumage se déclenche dès la mise en présence par diffusion des molécules d'hydrocarbures et des molécules d'oxygène sans formation de prémélange important.

La combustion peut démarrer par un autoallumage du prémélange carburé, qui s'ajoute à la compression pour activer les produits à brûler.

La concentration d'oxygène résiduel de la zone carburée est suffisamment faible pour que l'auto allumage éventuel du prémélange carburé se développe sur un mode HCCI silencieux.

Le point d'allumage éventuel du prémélange peut tre contrôlé par le point d'injection, par la richesse, par le taux de compression, par la température des gaz recyclés ou tout autre moyen connu pour contrôler le procédé HCCI.

La combustion principale se développe au voisinage du point mort haut au rythme de la diffusion turbulente de la charge carburée dans la

charge comburante consécutive à la chasse des gaz du cylindre dans la chambre de combustion provoquée par le mouvement du piston.

Ce processus de mélange doit tre rapide et complet pour garantir une oxydation totale du combustible. II est avantageux de générer l'énergie de mélange pendant la phase de remplissage en communiquant à la charge gazeuse une énergie cinétique de rotation qui se dégradera en turbulence lors du transfert centripète dans une chambre de combustion de diamètre très inférieur à l'alésage.

Si la rencontre entre gaz comburant et gaz carburé s'effectue à la périphérie de la chambre dans ce mouvement de rotation, les gaz brûlés à haute température s'évacuent vers l'axe de la chambre pour laisser la périphérie à des produits réactionnels frais. Le phénomène de mélange est ainsi accéléré par la combustion.

Un avantage supplémentaire de ce mécanisme est de concentrer les gaz chauds au coeur de la charge et de limiter les pertes thermiques aux parois de la chambre de travail.

Selon d'autres caractéristiques de l'invention : - on introduit le carburant sous la forme d'un brouillard propulsé par un injecteur à haute pression vers la première zone au moment où ladite première zone atteint une température suffisante pour vaporiser les gouttelettes liquides du carburant, - on injecte le carburant dans les gaz brûlés recyclés de la première zone pendant leur introduction dans le cylindre, - les gaz brûlés recyclés de la première zone contiennent la majorité des imbrûlés du cycle précédent, - les gaz brûlés recyclés de la première zone contiennent la majorité des gaz ayant subi un refroidissement au contact des parois de la chambre de travail pendant le cycle précédent, - la chambre de travail possède une symétrie de révolution autour de l'axe du cylindre correspondant,

- la chambre de combustion est formée par une cavité coaxiale au cylindre correspondant ménagé dans le piston et/ou la culasse et dont le diamètre est inférieur à celui du cylindre de 50 à 60%, - le mélange carburé de la première zone est animé d'un mouvement de rotation rapide autour de l'axe du cylindre correspondant et, en fin de compression, ce mélange carburé est intégralement transféré dans la chambre de combustion correspondante quand la charge comburante est encore dans l'espace annulaire entre le piston et la culasse, - le mélange carburé de la première zone est localisé contre le piston correspondant, - la cavité formant la chambre de combustion est formée par un bol de combustion aménagé dans le piston, - la culasse comporte une protubérance destinée à pénétrer dans le bol de combustion au point mort haut du piston correspondant pour ménager un jeu annulaire variable en fonction de la position de ce piston et pour maintenir une vitesse de transfert des gaz sensiblement indépendante de la position de ce piston, - la charge comburante d'air frais de la seconde zone est concentrée contre le cylindre correspondant et les gaz brûlés recyclés sont concentrés dans une zone centrale de ce cylindre et la chambre de combustion est ménagée pour moitié dans le piston et pour moitié dans la culasse correspondante, - on provoque l'allumage de la masse gazeuse à la périphérie de la chambre de combustion où la charge comburante d'air frais de la seconde zone commence à oxygéner le mélange carburé de la première zone, - on provoque l'allumage de la masse gazeuse au sein du mélange carburé de la première zone au moment où ce mélange atteint la température d'auto-allumage et/ou la charge comburante d'air frais de la seconde zone commence à pénétrer dans la chambre de combustion,

- on provoque l'allumage de la masse gazeuse immédiatement après l'injection du carburant dans les gaz brûlés recyclés chauds de la première zone un peu avant le point mort haut du piston correspondant, - on réalise une stratification du mélange carburé de la première zone et de la charge comburante d'air frais de la seconde zone en introduisant successivement ce mélange carburé et cette charge comburante dans le cylindre correspondant et de préférence en introduisant le mélange carburé de la première zone avant la charge comburante, -la stratification du mélange carburé de la première zone et de la charge comburante d'air frais de la seconde zone est préparée dans une chambre de stratification oblongue extérieure au cylindre correspondant et débouchant d'un côté dans un collecteur d'alimentation en air frais et de l'autre côté dans un conduit d'admission de la culasse correspondante.

Par exemple dans un moteur alternatif adapté au cycle à quatre temps, on alimente la chambre de stratification en gaz brûlés recyclés par un conduit d'échappement du cylindre correspondant distinct du conduit d'alimentation d'une turbine, en les faisant circuler dans un réfrigérant et dans un conduit d'admission de la culasse correspondante.

Par exemple dans un moteur alternatif adapté au cycle à deux temps, un réfrigérant des gaz brûlés recyclés situé dans la partie de la chambre de stratification débouchant dans le conduit d'admission de la culasse correspondante et un clapet anti-retour situé entre la chambre de stratification et le collecteur d'alimentation d'air frais interdit tout écoulement de ladite chambre vers ledit collecteur et on transfère les gaz chauds à refroidir et à recycler du cylindre vers la chambre de stratification correspondante en ouvrant une soupape d'admission à la fin de la course de détente du piston correspondant, le clapet anti-retour se trouvant de ce fait en position fermée, et on introduit la masse gazeuse ainsi préparée dans la chambre de stratification, dans le cylindre correspondant par le conduit d'admission en ouvrant une soupape d'échappement pour évacuer les gaz

chauds contenus dans ledit cylindre, la chute de pression ainsi créée dans la chambre de stratification ouvrant le clapet anti-retour pour y introduire la charge d'air frais du cycle suivant.

Fonctionnement de l'invention L'autoallumage du prémélange très riche, quand il existe, se développe sans cognement, faute d'oxygène pour accélérer la réaction dans le ballast de gaz brûlés et de carburant excédentaire.

Il se développe sans formation de NOX compte tenu de la très faible concentration d'oxygène.

Il se développe très au dessous de la température de formation des suies dans un milieu exempt d'accumulation locale de carburant.

La combustion principale par diffusion ne forme pas de NOX car la dilution par des gaz brûlés de la vapeur de carburant limite la température locale mme en excès d'oxygène.

La combustion principale par diffusion ne forme pas de particules car la vapeur de carburant a eu le temps de se disperser dans la masse de gaz brûlés en éliminant les points d'accumulation.

La combustion principale n'est pas bruyante car elle se développe au rythme de la diffusion gazeuse de la charge comburante dans la charge carburée.

L'autoallumage de la charge carburée doit se produire avant que son mélange avec la charge comburante soit suffisamment avancé pour tre le siège d'une combustion détonante en prémélange.

La combustion éventuelle en mode HCCI de l'oxygène prémélangé dans la charge carburée s'associe au mouvement du piston pour échauffer par compression la charge comburante au dessus du seuil d'auto allumage.

Le procédé implique que la charge gazeuse reste stratifiée pendant la compression pour éviter la rencontre de l'oxygène et du carburant avant que le piston s'approche du point mort haut.

La charge gazeuse trappée dans le cylindre est construite à partir des composants suivants : L'air frais prélevé à l'atmosphère pour chaque cycle, par exemple, à 350°K environ, Les gaz brûlés des cycles précédents retenus dans le cylindre à 900°K environ, par exemple, Le cas échéant, les gaz brûlés des cycles précédents recirculés dans le cylindre après un refroidissement externe jusqu'à, par exemple, 450°K environ.

Dans un mouvement de rotation autour de l'axe du cylindre, ces trois composants sont avantageusement stratifiés radialement avec l'air frais contre le cylindre, les gaz brûlés refroidis à l'intérieur de la couche d'air frais et la colonne de gaz chauds retenus au centre du cylindre.

Les mélanges entre couches constituent en fin de compression un gradient radial de concentration d'oxygène maximale contre le cylindre et faible au centre ainsi qu'un gradient radial de température faible au cylindre et maximale au centre.

La combustion selon l'invention s'organise essentiellement pendant les transferts entre le cylindre et le bol de combustion créés par le piston sur, par exemple, 20 à 30 degrés de vilebrequin de part et d'autre du point mort haut.

Le processus d'introduction du carburant dépend de sa volatilité et de son inflammabilité.

Le gazole est avantageusement atomisé à haute pression précocement pendant la course de compression dans le centre du cylindre rempli de gaz brûlés trop pauvres en oxygène pour déclencher une combustion détonante au point mort haut.

Dans ces conditions, l'autoallumage éventuel du prémélange est réglé par l'angle de début d'injection qui fixe l'origine des phénomènes de pré oxydation.

La masse de gaz brûlés recyclés doit tre suffisante pour maintenir partout la température de flamme au dessous du seuil de formation des NOX thermiques.

Il est avantageux de donner aux gaz recyclés une forte turbulence pour homogénéiser la charge carburée après l'injection du carburant et pour accélérer la diffusion ultérieure de l'oxygène pendant les transferts de gaz entre le cylindre et la chambre de combustion au voisinage du point mort haut.

Quand les gaz recyclés sont trop chauds pour éviter un autoallumage précoce le carburant doit tre injecté plus tardivement dans les gaz brûlés, par exemple au début de la période de transfert de la charge comburante dans la chambre de combustion. A haute température la vaporisation est presque instantanée et le mélange entre la vapeur et les gaz résiduels peut s'effectuer immédiatement avant la pénétration diffusante de l'oxygène dans la zone réactionnelle. L'organisation du mélange entre le carburant et les gaz brûlés est, dans ce cas, essentiellement assurée par l'injecteur.

La charge d'air frais admise pour oxyder le carburant injecté est maintenue séparée de la charge carburée jusqu'au voisinage du point mort haut par une zone tampon comportant de l'air frais à l'extérieur et des gaz brûlés à l'intérieur.

Pendant la compression, la charge carburée, la charge oxygénée et la zone tampon se réchauffent séparément jusqu'à la température d'auto- allumage.

Pour limiter la température de l'azote de la charge comburante, il est avantageux de porter le mélange carburé à une température supérieure pour atteindre le seuil d'autoallumage associé à la présence des radicaux actifs préoxydés. Cette stratégie prend en compte la difficulté de refroidir les gaz brûlés au mme niveau que l'air frais.

Un peu avant le point mort haut la zone carburée s'enflamme éventuellement sur le mode HCCI 'immédiatement après, les deux charges sont mélangées par le mouvement du piston au rythme de la diffusion gazeuse générée par l'aérodynamique interne dans la zone réactionnelle. La combustion principale se développe au rythme de cette diffusion.

Après l'autoallumage éventuel du prémélange très pauvre en oxygène, le dégagement d'énergie est rythmé par le développement de la diffusion entre les deux charges réactives qui doit tre organisée au voisinage du point mort haut.

La diffusion turbulente requiert un gradient de vitesse entre les gaz carburés et les gaz comburants. Cette mise en vitesse peut tre générée par le mouvement du piston, par le processus de remplissage, par l'injection du carburant et par la dilatation locale des gaz due à la combustion.

Les solutions sont nombreuses et dépendent de la structure de la stratification générée par les transferts en phases ouverte et fermée.

Ce procédé suppose que la combustion soit voisine de la stoechiométrie au moins dans la zone de la chambre qui sera recyclée et irriguée et que la charge carburée se mélange peu à la zone oxygénée jusqu'à la fin de la course de compression. Les éventuels imbrûlés présents dans cette zone pourront ainsi tre recyclés.

Au contraire la zone de la chambre qui sera évacuée, par exemple, vers une turbine peut tre plus oxygénée pour supprimer les imbrûlés dans les gaz d'échappement.

II est donc préférable que les gaz à recycler soient orientés vers un circuit indépendant du circuit d'alimentation de la turbine.

A la fin de la course de détente on distingue deux zones dans le cylindre :

Une zone, pauvre en hydrocarbures imbrûlés qui peut contenir de l'oxygène résiduel pour d'éventuels post-traitements. Elle sera détendue dans la turbine. De préférence, cette zone ne comporte pas de gaz brûlés ayant subi un refroidissement aux parois de la chambre de travail.

Une zone qui comporte éventuellement des hydrocarbures imbrûlés et qui comporte de préférence les gaz brûlés ayant subi un refroidissement au contact des parois. Elle sera retenue dans le cylindre ou refroidie extérieurement pour tre recyclée ultérieurement afin d'oxyder les imbrûlés.

Cette zone sera irriguée par la nouvelle charge de carburant.

Il est avantageux d'organiser la chambre de combustion pour maintenir la zone riche qui sera recyclée contre les parois de la chambre de travail afin d'inclure les pertes de chaleur du cycle fermé dans les pertes par refroidissement des gaz brûlés recyclés. La partie la plus chaude de la charge gazeuse est prioritairement évacuée vers la turbine.

Les phases délicates du procédé sont successivement : La génération de la stratification et le maintien pendant la compression de la séparation entre la charge de gaz brûlés et la charge comburante.

La création d'un mélange quasi homogène entre les gaz brûlés et la vapeur de carburant.

La diffusion rapide et totale de la charge comburante dans la charge carburée au point mort haut combustion.

Génération de la stratification.

Les procédés sont nombreux pour générer la stratification et ne seront décrits ci après que certains exemples faciles à mettre en oeuvre dans les cycles à 4 et à 2 temps.

Les principes généraux sont les suivants : Contrairement à l'approche homogène où les gaz recyclés sont dosés simultanément pour tous les cylindres dans un mélangeur commun avec l'air frais, l'approche stratifiée impose un dosage cylindre par cylindre des gaz recyclés.

Contrairement à l'air frais qui est délivré par un compresseur commun à tous les cylindres, les gaz sont émis par chaque cylindre individuellement pendant le processus de vidange précis et répétitif. La présente invention prévoit d'utiliser ce processus pour doser la quantité de gaz adressée au cylindre récepteur.

La géométrie des circuits d'alimentation et d'évacuation des cylindres doit tre identique pour assurer un dosage équilibré des gaz recyclés et de l'air frais.

La zone parasite de mélange entre l'air frais et les gaz recyclés se développe sensiblement proportionnellement au temps de présence dans le cylindre.

Le cycle à 2 temps est plus favorable à la stratification que le cycle à 4 temps parce que la durée de cohabitation des deux charges dans le cylindre y est environ trois fois plus courte.

La solution la plus simple pour recycler des gaz chauds consiste à les retenir dans le cylindre d'un cycle à l'autre.

Un dosage précis de la masse retenue peut tre assuré par le calage des soupapes qui peut tre réglé en marche par un déphaseur d'arbre à cames.

Dans un cycle à 4 temps la fermeture précoce de l'échappement s'accompagne d'une phase inutile de compression détente des gaz recyclés génératrice de pertes par frottements.

Dans un cycle à 2 temps il suffit de sous-balayer le cylindre pour y retenir des gaz brûlés du cycle précédent.

Pour stratifier la charge, l'air frais doit tre orienté vers une partie du cylindre en évitant au maximum les phénomènes de mélange avec les gaz déjà présents.

L'inconvénient de cette méthode est la forte température des gaz recyclés qui peut s'avérer trop élevée pour éliminer les NOX.

Cette solution peut tre viable dans un cycle à 2 temps très suralimenté asymétrique à fort taux de détente pour diminuer la température en fin de détente et à faible taux de compression pour diminuer l'échauffement pendant la compression.

On injectera avantageusement le carburant en début de compression afin de refroidir les gaz avant de les comprimer.

En général, il faut refroidir les gaz à l'extérieur du cylindre.

Pour pouvoir recycler la zone polluée de la chambre de combustion, on ne décrira que les procédés de stratification où la traçabilité des gaz recyclés est sauvegardée entre les cylindres émetteurs et les cylindres récepteurs.

Ceci implique que la vidange du cylindre s'effectue en deux phases distinctes vers la turbine et vers le circuit de recyclage par des orifices de préférence différents.

II est très difficile d'installer une stratification en introduisant simultanément l'air frais et les gaz brûlés dans le cylindre. On préférera donc les procédés où les gaz et l'air sont introduits successivement et particulièrement où les gaz sont introduits d'abord.

La stratification pourrait alors tre générée pendant le remplissage en ouvrant successivement des orifices d'admission distincts pour les gaz brûlés recirculés et pour l'air frais. Le passage d'un orifice à l'autre implique néanmoins une phase de mélange où une soupape se ferme pendant que l'autre s'ouvre.

Afin de ne pas interrompre le remplissage et de profiter de toute la section d'admission, il est plus avantageux de préparer la charge stratifiée à l'extérieur du cylindre et de l'introduire sans discontinuité par un mme orifice qui verra passer successivement des gaz recyclés puis de l'air frais par exemple.

Pour atteindre ce but l'invention prévoit, avantageusement, de disposer une chambre de stratification individuelle dans le conduit d'admission de chaque cylindre. Bien qu'un moteur à 2 temps d'architecture axisymétrique

permettrait une application optimale du procédé, l'invention sera décrite sur un moteur à 4 temps d'architecture classique pour faciliter l'exposé.

On se réfère maintenant à la description suivante, faite à titre d'exemple non limitatif et se référant au dessin annexé, dans lequel : les figures 1 et 2 représentent un moteur 4 temps mis en oeuvre dans l'invention, les figures 3 à 9 représentent schématiquement l'aérodynamique en coupe méridienne d'un cylindre pendant le fonctionnement, les figures 10 et 11 représentent schématiquement les diffusions pour deux formes de chambres de combustion, la figure 12 représente un moteur dans un mode de mise en oeuvre simplifiée.

On se réfère maintenant à la figure 1 qui représente un moteur à 4 temps, 4 cylindres et 4 soupapes par cylindre actionnées par deux arbres à cames.

Les soupapes d'admission A1, A2 diamétralement opposées sont associées à un canal directif pour créer des jets d'air tangents au cylindre et très couchés sur le plan de culasse afin de générer un écoulement hélicoïdal de révolution qui envahit le cylindre à partie de la culasse, par exemple, conformément à la demande de brevet France n° 03 03728.

Un premier arbre à cames AàC1 actionne une soupape d'échappement Et qui alimente la turbine et une soupape d'admission A1.

L'autre arbre à cames A à C2, de préférence déphasable par rapport au premier, actionne une soupape d'échappement Er qui alimente le circuit de recyclage et l'autre soupape d'admission A2.

La chambre de stratification 1 de volume voisin de la cylindrée unitaire 2 a de préférence une forme oblongue pour limiter la surface de contact 3 entre les gaz et l'air frais.

La chambre 1 est placée entre les orifices d'admission 4 du cylindre et le collecteur 5 d'arrivée d'air refroidi du compresseur 6.

Pendant chaque cycle, la chambre 1 subit une phase de remplissage et une phase de vidange dans le cylindre auquel elle est associée.

Elle se remplit d'air frais par sa jonction 7 avec le collecteur d'admission 5 et de gaz brûlés refroidis issus du mme cylindre par sa jonction 8 avec les orifices d'admission 4.

Son alimentation en gaz brûlés doit tre répétitive de cycle à cycle et identique pour tous les cylindres.

On a vu précédemment l'intért d'une vidange du cylindre en deux temps fixés par l'ouverture décalée de deux orifices d'échappement alimentant respectivement la turbine et le circuit de recyclage. Le déphasage entre les soupapes peut tre réglé en fonctionnement par un déphaseur d'arbre à came pour doser la masse de gaz à recycler.

Pour conserver ce dosage jusqu'au cylindre récepteur, il est avantageux de prévoir un circuit de recyclage individuel comportant un réfrigérant 9 par cylindre.

Une vanne de réglage 10 située à la sortie de l'orifice de recyclage peut remplacer où compléter le calage variable avec l'avantage de permettre de supprimer totalement le recyclage pendant les accélérations.

Un bypass réglable 11 du réfrigérant 9 permet de régler la température des gaz recyclés indépendamment de leur débit.

Un organe unique peut assurer ces deux fonctions. Par exemple un boisseau cylindrique percé de lumières communiquant avec l'entrée et la sortie du réfrigérant peut tre commandé en translation pour régler le débit et en rotation pour régler la température.

Les vannes et les bypass de tous les cylindres sont réglés simultanément par un dispositif de commande commun.

On se réfère maintenant à la figure 2 qui décrit les mouvements de gaz recyclés dans les conduits.

Le cylindre C1 se trouve au point mort haut croisement au début de sa course de remplissage.

La charge de gaz refroidis est en attente dans la chambre de stratification 1.

Les gaz chauds à refroidir émis pendant la course d'échappement précédente occupent tout le volume compris entre la soupape Er et la soupape d'admission A2.

Le cylindre C2 se trouve au point mort bas admission où toutes les soupapes sont fermées.

Pendant la course d'admission les soupapes d'échappement Et et Er étant fermées, le cylindre a aspiré via les soupapes d'admission la charge de gaz brûlés refroidis en attente dans la chambre de stratification 1 suivie par la charge d'air frais contigu.

Les gaz présents dans le réfrigérant sont en cours de refroidissement.

Le cylindre C3 se trouve au point mort haut compression.

Les gaz présents dans le réfrigérant 9 poursuivent leur refroidissement en se contractant. La frontière avec l'air frais se déplace vers le réfrigérant.

Le cylindre C4 se trouve au point mort bas détente.

Les gaz présents dans le réfrigérant 9 terminent leur refroidissement en amenant l'air frais à la limite de ce dernier. La course d'échappement qui va suivre repoussera la frontière 3 jusqu'à sa position au cylindre 1.

Les figures 3 à 9 décrivent schématiquement l'aérodynamique interne au cylindre pendant les phases compression combustion et détente dans une coupe méridienne.

Si les orifices d'admission sont orientés tangentiellement au cylindre avec une faible inclinaison sur le plan de la culasse, la charge gazeuse en rotation s'approche d'une stratification de révolution autour de l'axe du cylindre comme le montre la fig. 3 La charge de gaz brûlés G1 occupe la partie centrale inférieure du cylindre. L'air frais G2 occupe la partie périphérique supérieure du cylindre.

La figure 4 montre l'irrigation en carburant de gaz recyclés pendant la compression avec sa zone riche en carburant Z1 et sa zone pauvre Z2.

La figure 5 montre la situation au début la combustion où les gaz carburés Z occupent la totalité du bol de combustion 12 situé dans le piston . C'est à ce moment que l'autoallumage du mélange carburé peut éventuellement se produire.

La figure 6 montre la combustion par diffusion au voisinage du point mort haut consécutive au transfert de la charge carburante composée essentiellement d'air frais G2, localisée dans l'espace annulaire entre le piston et la culasse dans la chambre de combustion pleine de gaz brûlés carburés Z.

La figure 7 montre la situation en fin de détente où la zone Z1 transformée après combustion et détente peut contenir des imbrûlés et les gaz refroidis par les parois alors que la zone transformée Z2 qui contient un excès d'oxygène est la plus chaude.

La zone transformée Z2 sera évacuée la première pendant la détente des gaz vers la turbine via la soupape Et.

La figure 8 montre la course d'échappement où la zone transformée Z1 est refoulée par le piston via la soupape Er vers le circuit de recyclage en déplaçant les gaz refroidis présents dans le réfrigérant vers la chambre de stratification 1 pour prendre leur place jusqu'au cycle suivant.

La figure 9 montre une coupe perpendiculaire à l'axe du cylindre de la zone réactionnelle de la figure 6 où les produits de combustion sont évacués vers le centre par la centrifugation des gaz carburés plus lourds.

Une méthode plus simple consiste à alimenter en gaz la chambre de stratification par des orifices d'admission ouverts pendant la vidange du cylindre. Ceci implique de placer le réfrigérant dans la charnbre de stratification.

La charge de gaz effectue un aller-retour dans le réfrigérant pendant les transferts.

L'inconvénient de la méthode est le faible temps de séjour des gaz dans le réfrigérant (pendant la phase fermée du cycle le réfrigérant est plein

d'air) ainsi que le refroidissement hétérogène de la charge (les gaz voisins de l'arrivée d'air sont beaucoup plus refroidis que les gaz voisins des soupapes.

L'avantage de la méthode est un dosage précis de la masse recyclée.

Dans un cycle à 4 temps la séquence de transvasement est la suivante : Pendant la vidange du cylindre, les gaz brûlés sont évacués partiellement vers la turbine via les orifices d'échappement et partiellement vers le réfrigérant rempli d'air frais via les orifices d'admission.

Après l'évacuation des gaz, le cylindre réaspire successivement, via les orifices d'admission, les gaz brûlés du cycle précédent stockés et refroidis dans le réfrigérant d'admission et la charge fraîche qui remplace les gaz aiguillés vers la turbine.

Les orifices d'admission et d'échappement sont ouverts pendant la course de refoulement.

Pendant la course d'aspiration les orifices d'admission sont ouverts et les orifices d'échappement sont fermés.

Si les soupapes d'admission n'interfèrent pas avec le piston, il n'est pas nécessaire de les fermer au point mort haut croisement.

Le pourcentage de gaz recyclés peut tre réglé par le déphasage entre l'ouverture des orifices d'admission et celle des orifices d'échappement en fin de détente au moyen d'un déphaseur angulaire d'arbre à cames.

Dans un cycle à 2 temps la séquence de transvasement est la suivante : Les gaz brûlés refroidis recyclés doivent précéder l'air frais pour balayer les gaz brûlés destinés à la turbine. La séquence de transvasement comporte alors les phases successives suivantes : Transfert de la fraction à recycler des gaz brûlés vers le réfrigérant de gaz via les orifices d'admission.

Retour dans le cylindre, via les orifices d'admission, des gaz précédents refroidis par le réfrigérant pour balayer une partie des gaz

chauds vers la turbine via les orifices d'échappement.

Introduction stratifiée de la charge fraîche via le réfrigérant et les orifices d'admission pour terminer le balayage des gaz chauds vers la turbine via les orifices d'échappement.

Pour accomplir cette séquence complexe dans la courte période allouée au balayage, (120 degrés vilebrequin environ pour un moteur à trois cylindres) l'invention prévoit d'utiliser l'énergie potentielle disponible dans les gaz brûlés en fin de détente qui est généralement perdue dans la bouffée d'échappement.

Pour ce faire la chambre de stratification comporte le réfrigérant et communique avec le collecteur d'alimentation en air via un clapet anti retour.

Pour décrire les séquences de transvasement nous supposons que : la pression d'air de balayage délivré par le compresseur est 3 bars la pression des gaz à l'entrée turbine est 2,5 bars la pression des gaz brûlés en fin de détente est 10 bars En fin de détente, les orifices d'admission sont ouverts pour faire communiquer le cylindre rempli de gaz chauds à 10 bars et la chambre de stratification remplie d'air frais à 3 bars isolée du conduit d'arrivée d'air par son clapet anti retour.

Les gaz à 10 bars qui se détendent et se refroidissent compriment cet air jusqu'à 5 bars environ pour occuper la cavité fermée de volume égal à la somme du cylindre et de la chambre de stratification.

Le volume du réfrigérant est fixé par ces conditions de pression et la température des gaz refroidis au moment de l'ouverture des orifices d'échappement.

Les orifices d'échappement sont ensuite ouverts pour faire communiquer le volume global à 5 bars avec la turbine à 2,5 bars. Les gaz refroidis à 5 bars balayent les gaz chauds présents dans le cylindre jusqu'à 3 bars où le clapet anti-retour s'ouvre pour laisser passer une nouvelle charge

fraîche qui propulse dans le cylindre la charge fraîche stockée dans la cavité pour terminer le balayage des gaz chauds jusqu'à 2,5 bars.

Si le réfrigérant est du type tubulaire il est possible de profiter de la dépression consécutive à la mise en vitesse des gaz pour aspirer la charge fraîche via le clapet anti retour quand la turbocompression n'est pas amorcée.

Les écoulements sont très rapides compte tenu des fortes chutes de pression entre cavités.

Le réfrigérant est parcouru de façon alternée par l'air frais et les gaz recyclés animés par les fortes turbulences associés aux écoulements rapides qui accélèrent les transferts thermiques.

La vitesse tangentielle induite dans le cylindre pendant le balayage sera utilisée en phase fermée pour homogénéiser la charge carburée après l'injection et accélérer la diffusion pendant la combustion.

Pendant la phase fermée du cycle un va et vient acoustique peut tre entretenu dans le réfrigérant pour accélérer le refroidissement de la charge fraîche en attente.

Génération du mélange entre les gaz recyclé et la vapeur du carburant.

Pour laisser le maximum de temps à la formation du mélange, le carburant sera distribué dans la charge de gaz brûlés le plus tôt possible, de préférence après la fermeture des orifices d'échappement.

Pour les carburants liquides, la température d'ébullition détermine le moment et la méthode optimaux pour obtenir un mélange aussi homogène que possible en fin de compression.

Le pulvérisateur assurera une distribution du brouillard aussi homogène que possible dans la charge recyclée.

La turbulence des gaz recyclés achèvera la répartition de la vapeur de carburant au cours de la course de compression et tout particulièrement pendant leur transfert centripète dans le bol de combustion dont le diarnètre est, par exemple, de l'ordre de 50 à 60% de celui du cylindre et où les frottements internes sont très intenses.

On évitera les impacts de carburant liquide sur les parois de la chambre de travail.

L'essence, très volatile, ou les combustibles gazeux pourront tre injectés dans les orifices d'admission simultanément à l'introduction des gaz recyclés dont la température dépasse toujours 450°K.

Le gazole, plus difficile à vaporiser sera pulvérisé plus ou moins tard pendant la course de compression selon la température des gaz recyclés.

Au delà de la température des gaz recyclés génératrice d'un autoallumage précoce de la charge carburée, l'injection interviendra immédiatement avant le transfert de l'air frais dans le bol de combustion et la qualité du mélange carburé reposera largement sur l'injecteur.

Diffusion de la charge comburante dans la charge carburée au voisinage du point mort haut.

La vitesse de combustion est fonction de l'intensité de la diffusion entre les produits qui pénètrent dans la zone réactionnelle, elle-mme fonction du niveau de turbulence. Le mécanisme le plus efficace est de communiquer aux gaz recyclés et à l'air frais un moment cinétique de rotation autour de l'axe du cylindre qui génère une forte turbulence dans leur transfert centripète vers le bol de combustion.

II est aussi très important d'évacuer rapidement les produits en cours de combustion en dehors de la zone réactionnelle. Ceci se fait naturellement quand cette dernière est localisée à la périphérie du bol de combustion. En effet les gaz brûlés chauds sont chassés vers l'axe du bol alors que les produits frais plus denses sont centrifugés vers la périphérie comme le montrent les figures 6 et 9.

Une configuration optimale est possible en stratification radiale avec un demi bol de combustion dans le piston et un demi bol de combustion dans la culasse. Le disque d'air frais pénétrant dans le plan équatorial de la zone réactionnelle développe deux zones de mélange avec la charge carburée

situées dans les hémisphères supérieur et inférieur de la chambre de combustion.

Les figures 10 et 11 montrent deux régimes aérodynamiques possibles selon les vitesses tangentielles respectives de l'air frais et des gaz brûlés et les géométries des chambres.

La géométrie préférée pour conserver la stratification dans le cylindre et l'énergie cinétique de la charge comporte une symétrie de révolution autour de l'axe du cylindre pour recevoir des écoulements rotatifs de révolution autour de cet axe.

Dans un cycle à 4 temps, l'architecture classique d'une culasse plane à 4 soupapes associée à un bol de combustion situé au centre du piston permet d'approcher une aérodynamique interne à symétrie de révolution entre la fin du remplissage et la fin de l'évacuation du cylindre.

Les conduits d'admission doivent générer des jets tangentiels au cylindre très couchés sur le plan de la culasse afin de former une stratification axiale de la masse gazeuse en rotation.

A la fin du remplissage, les gaz recyclés sont concentrés contre le piston et l'air frais contre la culasse.

Dans un cycle à 2 temps une architecture à soupapes coaxiales au cylindre est la mieux adaptée au présent procédé.

Elle permet de localiser la chambre de combustion pour moitié dans le piston et pour moitié dans la culasse.

La chambre de travail est alimentée et vidée par une soupape d'admission et une soupape d'échappement concentriques au cylindre et situées dans la culasse ; Les ouvertures et fermetures peuvent avantageusement tre déphasées par rapport à l'arbre moteur pendant le fonctionnement afin de moduler la durée angulaire de balayage en fonction des paramètres de fonctionnement. Une fois fermée, la chambre de travail présente une symétrie de révolution autour de l'axe du cylindre.

L'orifice d'échappement étant situé au centre, la masse évacuée vers la turbine occupe la partie centrale et chaude du cylindre, alors que la masse recyclée occupe la zone pariétale refroidie du cylindre.

Dans certains cas, il peut tre avantageux de prévoir une proéminence circulaire au centre de la culasse ou du piston qui pénètre dans la chambre de combustion située dans le vis à vis pour accroître et contrôler la vitesse de chasse générée par le mouvement du piston pendant le transfert de la dernière charge.

Pour limiter la formation du mélange, l'air frais est introduit dans le cylindre après les gaz brûlés recyclés sous forme d'une nappe tangentielle au cylindre pour former un tore oxygéné en rotation contre la paroi du cylindre.

La partie centrale du cylindre fermée par le piston dont une cavité centrale constitue une demi chambre de combustion est occupée par des gaz brûlés sensiblement peu oxygénés.

Pendant la compression la charge inerte occupe la partie centrale du cylindre alors que la charge fraîche se maintient contre sa paroi.

Dès que la compression a suffisamment chauffé les gaz brûlés, le carburant est pulvérisé dans ces derniers pour former un mélange de vapeur de carburant et de gaz brûlés qui s'homogénéise en pénétrant dans les demi bols de combustion.

Vers la fin de la compression, les gaz brûlés carburés occupent tout le bol de combustion et l'air frais occupe l'espace annulaire limité par le cylindre, par la face du piston, par le ciel de culasse et par la surface extérieure de la proéminence de la culasse.

A la fin de sa course de compression le piston transfère la charge oxygénée dans le bol plein de gaz carburé pour déclencher l'autoallumage par diffusion totale des deux charges.

La combustion se poursuit pendant le transfert inverse des gaz brûlés du bol vers le cylindre au début de la course de détente en utilisant au

passage l'oxygène restant dans le jeu entre la face annulaire du piston et le ciel de culasse.

Pour une mise en oeuvre de l'invention sur un moteur à circuit de recyclage commun à tous les cylindres on se réfère à la figure 12, où le dosage des gaz recyclés est assuré par des ajutages 2 identiques pour tous les cylindres.

Cette méthode ne permet cependant pas une stratification totale car, en fin de remplissage, la charge fraîche est introduite avec le débit de gaz de l'ajutage du cylindre concerné. Ceci correspond à une perte de l'ordre de 25% de la masse de gaz brûlés qui sera carburée.