Procédé d'initiation de Ia combustion dans un moteur à combustion interne, et moteurfaisantapplication

L'invention concerne un procédé d'initiation de la combustion dans un moteur à combustion interne, ainsi qu'un moteur faisant application.

ARRIERE-PLAN DE L'INVENTION

On connaît diverses méthodes pour initier la combustion dans un moteur à combustion interne. Certains procédés classiques consistent à initier localement la combustion du mélange soit en y générant une étincelle

(allumage commandé) , soit en enrichissant localement le mélange pour provoquer l'auto-inflammation du mélange. La combustion du reste du mélange est alors obtenue soit par propagation du front de flamme, soit par diffusion de flamme .

Récemment, des efforts de développement se sont portés sur la combustion par auto-inflammation homogène, également connue sous l'acronyme anglo-saxon HCCI, qui semble prometteuse tant en matière de rendement énergétique qu'en matière de préservation de l'environnement.

Cependant, l'auto-inflammation homogène, si elle peut aujourd'hui être réalisée dans une plage étroite de fonctionnement du moteur, s'avère difficile à réaliser dans une plage étendue de fonctionnement. En effet, L'auto-inflammation homogène nécessite une gestion très délicate du démarrage et de la progression de la combustion. Les recherches se portent donc actuellement sur une gestion très fine des conditions thermodynamiques du mé- lange (adaptation du carburant, température d'admission, gestion complexe de la recirculation des gaz d'échappement), voire sur l'introduction de technologies complexes comme le taux de compression ou la distribution variables. L'invention vise à proposer un procédé de combustion par auto-inflammation facilement adaptable et pouvant être utilisé dans une plage étendue de fonctionnement du moteur.

On connaît par ailleurs des documents FR 2 078 819, EP 0 953 744, US 4 282 845, et DE 39 03 474 des moteurs comportant : une chambre principale à volume variable dans laquelle un mélange inflammable est introduit ;

- une chambre auxiliaire débouchant directement dans la chambre principale ; et

- des moyens commandés de mise en communication de la chambre principale et la chambre auxiliaire. OBJET DE L' INVENTION

L'invention a pour objet un nouveau procédé d'initiation de la combustion dans un tel moteur, simple à mettre en œuvre, et permettant d'obtenir une autoinflammation homogène dans une plage étendue de fonction- nement du moteur.

BREVE DESCRIPTION DE L'INVENTION

En vue de la réalisation de ce but, on propose un procédé d'initiation de la combustion dans un moteur à combustion interne comportant : - une chambre principale à volume variable dans laquelle un mélange inflammable est introduit ;

- une chambre auxiliaire débouchant dans la chambre principale ; et

- des moyens commandés pour mettre en communication ou isoler la chambre principale et la chambre auxiliaire.

Selon l'invention, le procédé comporte l'étape de mettre en communication la chambre auxiliaire et la chambre principale pendant une période englobant le point mort haut entre la ^' phase de compression et la phase de dé- tente.

Ainsi, la mise en communication de la chambre auxiliaire avec la chambre principale permet de relâcher dans la chambre principale des gaz brûlés très chauds qui y avaient été stockés lors d'un cycle précédent, ces gaz étant suffisamment chauds pour provoquer un échauffement du mélange qui atteint en une pluralité de sites sa température d'auto-inflammation. Le mélange s' auto-enflamme ainsi de manière homogène. Puis lorsque le mélange est

enflammé, aux alentours du point mort haut, le mélange brûle et génère des gaz brûlés qui atteignent une forte pression et une température importante. On referme alors la chambre auxiliaire peu après le point mort haut pour emprisonner dans celle-ci une quantité de gaz brûlés très chauds qui serviront à initier l'inflammation du mélange lors du cycle suivant.

Les gaz brûlés ainsi stockés sont en outre susceptibles de contenir encore des espèces réactives qui contribuent également à initier la combustion du mélange dans la chambre principale.

Cette combustion peut être très simplement contrôlée en régulant la quantité et le moment d'introduction des gaz chauds dans la chambre principale, par une commande adéquate des moyens de mise en communication. Le procédé peut donc être mis en œuvre dans une plage étendue de fonctionnement du moteur.

Il convient de remarquer dans le procédé de l'invention, la chambre auxiliaire est mise en communica- tion avec la chambre principale, au moment même de la combustion. Les gaz brûlés stockés dans la chambre auxiliaire sont donc extrêmement chauds, et restent à pression très élevée, et en tout cas toujours plus élevée que celle de la chambre principale. Ce procédé diffère donc essentiellement des procédés connus pour ce type de moteurs dans lesquels la soupape de contrôle est ouverte bien après la combustion. Par exemple, dans le document FR 2 078 819, la chambre auxiliaire est mise en communication avec la chambre principale pendant un intervalle englobant le point mort bas entre la phase de détente et la phase d'échappement. Les gaz brûlés sont alors sensiblement refroidis et sont à une pression faible, de l'ordre de 1 à 2 bars au dessus de la pression atmosphérique. Les gaz brûlés ainsi stockés ne peuvent contribuer à l'auto-inflammation du mélange lorsqu'ils sont réintroduits dans la chambre principale. Dans le document EP 0 953 74, la chambre auxiliaire est mise en communication avec la chambre principale aux environs du point

mort bas entre l'admission et la compression pour injecter les gaz brûlés qui sont stockés dans la chambre auxiliaire, les gaz brûlés ayant été préalablement stockés par une mise en communication de la chambre auxiliaire avec la chambre principale lors de la phase de détente, donc après le point mort haut entre la compression et la détente. Les gaz brûlés sont donc stockés alors qu'ils ont déjà subi un refroidissement important dû à la détente, et ils sont réinjectés lors de l'admission, donc à un moment où ils ne peuvent initier l'auto-inflammation du mélange car celui-ci n'est pas encore compressé.

Dans le document US 4 282 845, la chambre auxiliaire est mise en communication avec la chambre principale une première fois lors de la compression, et une se- conde fois lors de la détente, en excluant précisément la phase de combustion aux alentours du point mort haut entre ces deux phases . De même dans le document DE 39 03 474, la chambre auxiliaire est mise en communication deux fois avec la chambre principale, pendant la détente et pendant la compression, de part et d'autre du point mort haut entre ces deux phases.

Au contraire de tous ces documents, le procédé de l'invention consiste à mettre en communication la chambre auxiliaire et la chambre principale précisément pendant une période englobant le point mort haut entre la compression et la détente.

Par ailleurs, dans les procédés connus de recirculation, les gaz brûlés sont expulsés lors du cycle de détente et leur température est donc descendue à une va- leur telle que les gaz expulsés ne sont plus réactifs ni assez chauds pour provoquer à eux seuls une autoinflammation du mélange dans la chambre principale. Ils servent au contraire à diluer le mélange et abaisser sa température en vue de diminuer la production d'oxydes d'azote.

BREVE DESCRIPTION DES DESSINS

L' invention sera mieux comprise à la lumière de la description qui suit en référence aux figures des des-

sins annexés parmi lesquelles :

- la figure 1 est une vue en coupe partielle d'un moteur à pistons au niveau d'une chambre principale;

- la figure 2 est un diagramme montrant, en fonc- tion de l'angle de vilebrequin, les évolutions de la température dans les différentes chambres du moteur illustré à la figure 1 ;

- la figure 3 est un diagramme montrant, en fonction de l'angle de vilebrequin, les évolutions de la pression dans les différentes chambres du moteur illustré à la figure 1.

DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION Le procédé de l'invention est de préférence mis en œuvre grâce à un moteur tel qu'illustré à la figure 1. Ce moteur comporte, de façon classique, un bloc moteur 1 dans lequel sont ménagés des cylindres 2 (un seul est visible ici) , fermés en partie supérieure par une culasse 3. Dans chaque cylindre 2, un piston 4 coulisse à étanchéité. Une chambre principale 5 de volume variable est ainsi définie dans chaque cylindre 2 entre la culasse 3 et le piston 4.

Une soupape d'échappement 7 est montée coulissante sur la culasse 3 pour être mobile entre une position fermée isolant la chambre principale 5 d'un conduit d'échappement 8 et une position ouverte mettant en communication la chambre principale et le conduit d'échappement 8. De même, et bien que cela ne soit pas visible sur la figure 1, Une soupape d'admission est montée coulissante sur la culasse 3 pour être mobile entre une position fermée isolant la chambre principale 5 d'un conduit d'admission et une position ouverte mettant en communication la chambre principale 5 et le conduit d'admission. Tout ceci est bien connu et ne forme pas l'objet de l'invention. La culasse 3 définit une chambre auxiliaire 10 s 'étendant à proximité immédiate de la chambre principale 5 pour déboucher dans cette dernière. La chambre auxiliaire est ici revêtue intérieurement d'un isolant ther-

mique 12. Une soupape de contrôle 11 est montée coulissante sur la culasse 3 pour être mobile entre une position fermée isolant la chambre principale 5 de la chambre auxiliaire 10 et une position ouverte mettant en communi- cation la chambre principale 5 avec la chambre auxiliaire 10. La soupape de contrôle 11 est ici actionnée par un actionneur électromécanique 14. Une bougie de préchauffage 13 est montée sur la culasse 3 pour saillir dans la chambre auxiliaire 10. L' actionneur 14 de la soupape de contrôle 11 et la bougie de préchauffage 13 sont commandés par un calculateur 15.

La mise en œuvre du procédé de l'invention est maintenant détaillée en relation avec les figures 2 et 3. Sur ces figures, les courbes en traits pleins épais re- présentent respectivement la température et la pression dans la chambre principale 5 ; les courbes en traits pointillés épais représentent respectivement la température et la pression dans la chambre auxiliaire 10.

Le cycle thermique utilisé est un cycle à quatre temps, à savoir admission, compression, détente, échappement. Les angles de vilebrequin en abscisse sont comptés de façon classique, l'angle de 360 degrés correspondant au point mort haut entre la phase de compression et la phase de détente. Le cycle commence par une phase d'admission lors de laquelle on admet dans la chambre principale 5 un mélange d'air et de carburant. Puis lors de la phase de compression, la pression et la température dans la chambre principale 5 augmentent progressivement, comme illus- tré par le début des courbes en traits pleins.

Ainsi que cela sera détaillé plus loin, des gaz chauds provenant d'une combustion précédente sont enfermés dans la chambre auxiliaire 10 par la soupape de contrôle 11 qui est maintenue fermée. Sur le début des courbes en traits pointillés, on constate que la pression et la température des gaz chauds enfermés dans la chambre auxiliaire 10 diminuent progressivement du fait des échanges de chaleur entre les gaz brûlés et la culasse.

Cependant, l'isolant thermique 12 recouvrant la paroi de la chambre auxiliaire 10 limite ces échanges de chaleur, et donc la diminution de la pression et de la température des gaz chauds enfermés dans la chambre auxiliaire. Vers 350 degrés de vilebrequin, c'est-à-dire en fin de compression, la soupape de contrôle 11 est ouverte. Les gaz chauds contenus dans la chambre auxiliaire 10, qui sont à une pression plus importante que la pression régnant dans la chambre principale 5, s'échappent de la chambre auxiliaire 10 pour se répandre dans la chambre principale .

Ce brassage provoque l' échauffement du mélange dans la chambre principale 5, comme cela est visible sur la courbe en traits pleins, puisque les gaz chauds sont à une température plus importante que celle du mélange. Vers 355 degrés de vilebrequin, le mélange est suffisamment réchauffé pour atteindre sa température d' autoinflammation. Le mélange entre alors en combustion par auto-inflammation. La multiplicité des sites d'auto- inflammation générée par le brassage des gaz chauds avec le mélange assure une auto-inflammation homogène. L'auto- inflammation se traduit sur les courbes par la brusque montée de la température et de la pression, de concert dans la chambre principale 5 et dans la chambre auxi- liaire 10.

Puis le piston 4 passe le point mort haut et commence à redescendre. La soupape de contrôle 11 est refermée vers 370 degrés de vilebrequin. Une partie des gaz brûlés générés ^' par l'auto-inflammation du mélange est ainsi enfermée dans la chambre auxiliaire 10 et formera les gaz chauds qui serviront à initier l'auto- inflammation du mélange au cycle suivant. Cette partie des gaz brûlés qui est enfermée dans la chambre auxiliaire 10 est à une pression et à une température élevée. L'autre partie des gaz brûlés, restée dans la chambre principale 5, subit une détente, sa température et sa pression chutant bien plus vite que celles de la partie des gaz brûlés restée enfermée dans la chambre auxiliaire

10.

Au démarrage du moteur, lors des premiers cycles, l'auto-inflammation ne peut pas survenir puisque les gaz enfermés dans la chambre auxiliaire 10 ne sont pas assez chauds. Sur les figures 2 et 3, on a illustré en traits interrompus les évolutions de la pression et de la température dans la chambre principale 5 quand aucune autoinflammation ne survient. Pour provoquer l'inflammation du mélange, on utilise la bougie de préchauffage 13. Lorsque le moteur a atteint un régime thermique de fonctionnement permettant de provoquer l'auto-inflammation du mélange par contact avec des gaz chauds relâchés de la chambre auxiliaire, la bougie de préchauffage est arrêtée . Puis, lors d'un fonctionnement en régime thermique établi, les conditions de réglage du moteur (en particulier le taux de compression) et les caractéristiques du mélange réactif (pression d'admission, température et composition) sont avantageusement choisies de sorte qu'aucune combustion non contrôlée ne puisse avoir lieu si les gaz de la chambre auxiliaire ne sont pas introduits dans la chambre principale.

Les gaz chauds introduits dans la chambre principale contribuent donc à échauffer le mélange, qui atteint ainsi sa température d'auto-inflammation, mais ils contribuent également à diluer le mélange, permettant ainsi de contrôler la vitesse de combustion du mélange en introduisant des hétérogénéités locales qui évitent une combustion en masse. En outre, la dilution du mélange permet de diminuer la richesse de celui-ci, ce qui évite la génération d'oxydes d'azote lors de la combustion du mélange.

On remarquera que, selon un aspect particulier de l'invention, la soupape de contrôle présente la particu- larité d'être inversée par rapport aux autres soupapes. En effet, ainsi que cela est parfaitement visible à la figure 1, le siège 16 de la soupape de contrôle 11 est tourné vers l'intérieur de la chambre auxiliaire 10. Ici,

la soupape de contrôle 11 se ferme contre son siège en descendant, alors que les autres soupapes se ferment contre leur siège en remontant. Le procédé de l'invention conduit à ce que, lorsque la chambre auxiliaire 10 est fermée, la pression la chambre auxiliaire 10 soit toujours supérieure à la pression régnant dans la chambre principale 5. Le montage inversé de la soupape de contrôle 11 permet donc que la soupape de contrôle 11 soit confirmée en position fermée contre son siège 16 par la pression régnant dans la chambre auxiliaire 10 qui est supérieure à la pression régnant dans la chambre principale 5.

L'invention n'est pas limitée à ce qui vient d'être décrit, mais bien au contraire englobe toute va- riante entrant dans le cadre défini par les revendications.

En particulier, bien que l'on ait indiqué que le mélange était réalisé préalablement à l'admission, on pourra réaliser ce mélange directement dans la chambre en injectant le carburant dans la chambre principale lors de la phase de compression.

Les angles de vilebrequin auxquels ont lieu l'ouverture et la fermeture de la soupape de contrôle sont ici donnés à titre indicatif. On aura bien sûr inté- rêt à les faire varier pour tenir compte notamment du régime de rotation du moteur et du délai d' inflammation du mélange. On fera de préférence en sorte que le pic de pression intervienne alors que le piston est sensiblement au point mort ^" haut, de préférence quelques degrés après ledit point mort haut, en jouant par exemple sur le moment et/ou la durée de l'ouverture de la soupape de contrôle. La période pendant laquelle la chambre auxiliaire sera en communication avec la chambre principale s'étendra de préférence dans une plage de sensiblement plus ou moins 30 degrés autour du point mort haut entre la compression et la détente.

Enfin, bien que l'on ait mis en œuvre le procédé de l'invention avec un moteur donc la culasse forme la

chambre auxiliaire et porte une soupape de contrôle à siège inversé, on pourra mettre en œuvre l'invention avec d'autres types de moteurs, comme des moteurs 2 temps. Par exemple, la chambre dans laquelle les gaz chauds sont stockés peut être déportée, les gaz chauds étant réintroduits dans la chambre principale au moyen par exemple d'un injecteur.