Moteur thermique et procédé de pilotage de la conductivité thermique des parois de la chambre de combustion

Abstract

 Le domaine général de l'invention est celui des motorisations thermiques. Le dispositif comprend au moins un élément mécanique et une unité de commande, l'élément mécanique comportant une paroi faisant partie de la chambre de combustion caractérisé en ce que la paroi de l'élément mécanique est constituée d'un matériau dont la conductivité thermique est pilotée de manière cyclique en phase avec les phases des cycles du moteur par application d'un champ électrique, le champ électrique étant piloté par l'unité de commande du moteur.
L'invention propose un moteur thermique dont le rendement et la fiabilité peuvent être améliorés par optimisation des échanges thermiques se déroulant pendant les cycles de fonctionnement.

Description

[0001] Le domaine de l'invention est celui des véhicules terrestres, marins ou aériens comprenant un moteur thermique à haut rendement. L'optimisation du rendement du moteur thermique est un problème important compte tenu du coût montant de l'énergie et des problèmes de pollution. La consommation du véhicule devient alors aujourd'hui un critère d'achat de premier rang auprès des consommateurs et finalement une problématique majeure pour les constructeurs automobiles.

[0002] Le rendement du moteur thermique est en partie lié aux échanges thermiques entre le mélange gazeux en combustion et les parois de la chambre de combustion. Le mélange gazeux est un mélange carburé et peut être de tout type de carburant : essence, diesel, gaz, biocarburant par exemple. Dans un cycle moteur les échanges thermiques varient tout au long de ce cycle, que ce soit en intensité ou en direction, le sens d'échange restant toujours conforme à la physique, c'est-à-dire des corps chauds vers les corps froids. Par exemple, lors des phases d'admission et de compression, l'échange s'effectue dans le sens du cylindre vers les gaz et, lors des phases de combustion et d'échappement, dans le sens des gaz vers les parois de la chambre de combustion. Deux types de comportement de la chambre de combustion peuvent être désirés par le motoriste. Lors de la phase d'admission et de compression, le but peut être d'obtenir des échanges thermiques les plus forts possibles avec le liquide caloporteur, pour assurer une élévation minimale de la charge en air et en mélange carburé. Lors de la phase de combustion et d'échappement, le but est d'obtenir le moins d'échanges thermiques avec l'extérieur de la chambre de combustion afin de conserver le maximum d'énergie dégagée lors de la combustion pour la convertir en travail. Ces échanges thermiques avec les parois constituent une perte d'énergie qui pourrait être utilisée pour générer du travail moteur.

[0003] Le brevet dont le numéro de publication est JP11236636 décrit un matériau qui pourrait être utilisé dans un moteur automobile et dont la conductivité thermique change en corrélation avec le changement de température. Le brevet propose un concept de moteur utilisant un matériau à conductivité variable en fonction de la température pouvant servir à protéger les pièces sensibles à une température élevée. Dans ce dernier concept d'invention, la variation de conductivité n'est pas pilotable et le dispositif subit donc toujours les échanges thermiques. Dans certains cas, ces variations sont préjudiciables au rendement.

[0004] Plus précisément, la présente invention a pour objet un moteur thermique comprenant plusieurs chambres de combustion, délimitées chacune par les parois d'une pluralité d'éléments, caractérisé en ce que, au moins l'une des dites parois, est constituée par un matériau, dont la conductivité thermique Cp varie, par application d'un champ électrique piloté par une unité de commande du moteur.

[0005] La conductivité thermique C_p peut varier de manière cyclique en phase avec les phases des cycles du moteur. Le principe peut s'appliquer localement à un seul de ces éléments ou à ceux d'une partie spécifique de la chambre de combustion ou même à l'ensemble des éléments constituant la chambre de combustion. Le principe de base est lié au fait physique que, généralement la conductivité thermique va de pair avec la conductivité électrique. Par exemple, les métaux bons conducteurs d'électricité sont aussi de bons conducteurs thermiques. Le type de matériau à conductivité variable utilisé pour la présente invention est de type de ceux décrits dans les demandes de brevet W02005124790 et W08807224. Le procédé de l'invention peut utiliser tout type de matériau dont les caractéristiques de tenue thermomécaniques sont compatibles avec les contraintes propres aux chambres de combustion, mais dont la conductivité thermique est pilotable.

[0006] Le premier brevet décrit un matériau pour lequel la conductivité thermique peut varier par l'application d'un champ électrique. Ce champ électrique extérieur a pour effet d'orienter les dipolaires électriques ou d'exciter le mode de vibration des photons de façon à favoriser la conductivité thermique, ou à l'inverse de limiter les échanges thermiques. II s'agit dans le brevet en question d'un matériau composite contenant une résine d'éléments réagissant aux champs extérieur.

[0007] Le deuxième brevet décrit un matériau dont la conductivité électrique varie par exposition à la lumière ou à la chaleur. Cette action implique un changement de structure au sein du matériau modifiant ses propriétés de conductivité.

[0008] Dans un mode de mise en oeuvre, le moteur thermique comprend plusieurs chambres de combustion, délimitées chacune par les parois d'une pluralité d'éléments, caractérisé en ce que, au moins l'une des dites parois, est constituée par un matériau, dont la conductivité thermique C_p varie, par application d'un champ électrique piloté par une unité de commande du moteur, ce champ électrique étant distinct d'une paroi à l'autre. Par exemple, il est possible d'autoriser un échange thermique maximal au niveau des parois du cylindre et à la fois de limiter les échanges au niveau des soupapes d'admission pour optimiser la préparation du mélange lors de l'injection sur ces soupapes chaudes.

[0009] La présente invention concerne également le procédé de pilotage de la conductivité thermique des parois de la chambre de combustion dudit dispositif. A titre d'exemple non limitatif, il peut s'agir d'un moteur à explosion à quatre temps dont le cycle est divisé en quatre phases : l'admission d'air par l'ouverture de la soupape d'admission et la descente du piston, la compression de l'air par remontée du piston et la fermeture de la soupape, la combustion du mélange gazeux qui repousse le piston et libère une partie de l'énergie, et l'échappement des gaz brulés par l'ouverture de la soupape d'échappement et la remontée du piston. Le procédé de pilotage consiste donc à faire varier de manière cyclique en phase avec ces quatre phases du moteur la conductivité thermique des parois de la chambre de combustion. Plusieurs types de stratégie peuvent être ainsi appliqués en fonction des effets recherchés.

[0010] Une première stratégie de pilotage peut être, dans le cas où on cherche à optimiser le rendement et limiter la transmission d'énergie aux gaz caloporteurs, de limiter les échanges thermiques lors de la phase de combustion et, dans le cas où on cherche à garder un maximum d'enthalpie pour faire fonctionner le système de suralimentation, de limiter les échanges thermiques lors de la phase d'échappement. Pour rappel, la suralimentation consiste à introduire de l'air dans le cylindre à une pression supérieure à la pression atmosphérique afin d'optimiser le rendement du moteur. Dans le cas où on cherche à diminuer le réchauffage des gaz frais et limiter le risque de cliquetis, on pilote la conductivité thermique des parois de la chambre de combustion de manière à favoriser les échanges thermiques lors des phases d'admission et de compression. Pour rappel, le cliquetis est un phénomène de micro-explosions indésirables pouvant apparaître et endommager le moteur lors de la combustion. II s'agit d'un comportement que les motoristes cherchent à éviter. Les raisons de leur apparition peuvent être une température trop élevée du mélange gazeux lors de l'admission ou bien la présence de points chauds à l'intérieur de la chambre de combustion Cette stratégie n'est pas limitative à un type de moteur particulier et est applicable aux moteurs à allumage commandé ainsi que pour les moteurs diesels, dont le mélange gazeux s'enflamme spontanément.

[0011] Une deuxième stratégie de pilotage est cette fois de limiter les échanges lors des phases de compression et de combustion et au contraire de les favoriser lors des phases d'admission et d'échappement. Limiter les échanges, lors de la phase de compression en réduisant les pertes thermodynamiques liées à la diminution de température des gaz, permet d'obtenir la température la plus élevée en fin de compression ce qui est avantageux pour les combustions de type auto-inflammation des mélanges carburés essence ou diesel et, lors de la phase de combustion permet d'augmenter le rendement. A l'opposé favoriser les échanges lors de la phase d'admission permet d'optimiser le remplissage en air le plus frais possible et, de ne pas conserver de l'enthalpie lors de l'échappement.

[0012] Une troisième stratégie de pilotage de la conductivité thermique similaire à la précédente consiste dans la phase de combustion alors que la conductivité thermique est minimale à autoriser des échanges thermiques maximum à un moment spécifique, moment qui dépend du moteur et du déroulement de la combustion. Le but de la manoeuvre étant de limiter les risques d'apparition de phénomène de cliquetis dû à une température de chambre de combustion trop élevée.

[0013] Cette invention permet de ne plus subir totalement les transferts thermiques se déroulant dans un cycle moteur. Avantageusement, le pilotage de la conductivité thermique des parois de la chambre de combustion optimise le rendement du moteur en évitant les transferts thermiques lors des phases où l'énergie de combustion doit être transformée en travail. Pour l'utilisateur cela se traduit par un gain en consommation du véhicule. Un autre atout important pour le motoriste est la possibilité de gagner sur la limite cliquetis en pilotant les montées de température. La limite cliquetis est généralement un facteur limitant pour les concepteurs de moteur. En effet, pour un moteur donné, le taux de compression ne peut être augmenté indéfiniment. L'invention permet aussi d'améliorer le contrôle de la combustion et ainsi d'allonger la durée de vie du moteur en évitant l'apparition de ce phénomène. En pilotant la conductivité thermique au maximum pour les composants sensibles, on les protège des trop fortes températures lorsque le moteur est chaud et à l'inverse, en limitant la conductivité thermique on optimise la montée en température du moteur et du catalyseur lorsque le moteur est encore froid.

[0014] L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre donnée à titre non limitatif et grâce aux figures annexées parmi lesquelles :

La figure 1 représente un premier procédé de pilotage de la conductivité thermique des parois de la chambre de combustion du moteur.

La figure 2 représente un second procédé de pilotage de la conductivité thermique des parois de la chambre de combustion du moteur.

La figure 3 représente un troisième procédé de pilotage de la conductivité thermique des parois de la chambre de combustion du moteur.

[0015] Les figures 1, 2, 3 et 4 représentent l'évolution de la position du piston P_p et celle de la conductivité thermique des parois de la chambre de combustion C_p d'un moteur thermique à quatre temps. A titre d'exemple non limitatif, l'ensemble des parois des éléments formant la chambre de combustion est constitué d'un matériau dont la conductivité thermique est pilotée par l'unité de commande par application d'un champ électrique. Ce matériau est du type de ceux décrits dans les brevets de la description de l'invention. Les fenêtres graphiques des figures 1, 2, 3 et 4 décrivent sur un cycle du moteur le déplacement du piston P_p et le pilotage de la conductivité thermique des parois au cours des quatre phases du cycle moteur. Les quatre phases du moteur, l'admission, la compression, la combustion et l'échappement, sont délimitées sur les graphiques par les droites verticales en pointillées. La phase t0 à t1 représente la phase d'admission. A t0 le piston est en position haute et évolue par un mouvement descendant jusqu'à t1 où il atteint sa position basse. Durant cette phase les soupapes d'admission sont en position ouverte permettant à l'air de rentrer. La phase t1 à t2 représente la phase de compression. A t1, le piston est en position basse et évolue par un mouvement ascendant jusqu'à t2 où il atteint sa position haute. Durant cette phase le mélange gazeux est comprimé. La phase t2 à t3 représente la phase de combustion. A t2 le piston est en position haute et évolue par un mouvement descendant jusqu'à t3 où il atteint sa position basse. Le mélange gazeux est enflammé, soit de type commandé, soit de type auto-enflammé selon le moteur. Le piston est alors repoussé vers le bas. II s'agit de la phase où l'énergie thermique est transformée en énergie de travail. La phase t3 à t4 est la phase d'échappement. A t3 le piston est en position basse et évolue par un mouvement ascendant vers sa position haute. Le mélange gazeux brulé est évacué par l'ouverture des soupapes vers le conduit d'échappement. L'évolution temporelle de la position du piston Pp est une courbe sinusoïdale. Le pilotage de la conductivité thermique des parois des éléments constituant la chambre de combustion du moteur Cp est tel que la conductivité thermique des parois des éléments constituant la chambre de combustion du moteur comporte des valeurs constantes hautes et des valeurs constantes basses, de façon que la variation temporelle de la conductivité thermique soit une succession de créneaux.

[0016] La figure 1 décrit un premier procédé de pilotage de la conductivité thermique des parois de la chambre de combustion du moteur. La conductivité thermique des parois des éléments constituant la chambre de combustion C_p est pilotée sur une période de cycle du moteur de façon à ce que :

• Durant la phase d'admission, la conductivité thermique est égale à la valeur haute.

• Durant la phase de compression, la conductivité thermique est égale à la valeur haute.

• Durant la phase de combustion, la conductivité thermique est égale à la valeur basse.

• Durant la phase d'échappement, la conductivité thermique est égale à la valeur basse.

[0017] Ce procédé de pilotage permet de limiter l'élévation en température de la charge entrante dans le moteur lors de l'admission et de la compression, ce qui diminue le risque de cliquetis. Lors de la détente et l'échappement la conductivité thermique est minimale afin d'augmenter le rendement de la transformation d'énergie thermique en énergie de travail.

[0018] La figure 2 décrit un deuxième procédé de pilotage de la conductivité thermique des parois de la chambre de combustion du moteur. La conductivité thermique des parois des éléments constituant la chambre de combustion est pilotée sur une période de cycle du moteur de la manière suivante :

• Durant la phase d'admission, la conductivité thermique est égale à la valeur haute.

• Durant la phase de compression, la conductivité thermique est égale à la valeur basse.

• Durant la phase de combustion, la conductivité thermique est égale à la valeur basse.

• Durant la phase d'échappement, la conductivité thermique est égale à la valeur haute.

[0019] Le procédé de pilotage de la figure 2 est avantageux pour les moteurs à combustion de type auto-enflammé. Lors de la phase de compression, la conductivité thermique est minimale pour obtenir la compression la plus isentropique possible. Lors des phases d'admission et d'échappement, le pilotage de la conductivité thermique permet d'optimiser le remplissage en air frais et de dégager des gaz à une température moins nocive par exemple pour le collecteur ou le catalyseur.

[0020] La figure 3 décrit un troisième procédé de pilotage de la conductivité thermique des parois de la chambre de combustion du moteur. La conductivité thermique des parois des éléments constituant la chambre de combustion est pilotée sur une période de cycle du moteur de la manière suivante :

• Durant la phase d'admission, la conductivité thermique est égale à la valeur haute.

• Durant la phase de compression, la conductivité thermique est égale à la valeur basse.

• Durant la première moitié de temps de la phase de combustion, la conductivité thermique est égale à la valeur basse.

• Durant la deuxième moitié de temps de la phase de combustion, la conductivité thermique est égale à la valeur haute.

• Durant la phase d'échappement, la conductivité thermique est égale à la valeur haute.

[0021] Le procédé de la figure 3 de pilotage de la conductivité thermique des parois de la chambre de combustion est géré de manière à ce qu'à un moment donné de la phase de combustion, la conductivité thermique, égale à la valeur basse avant ce moment, devient haute afin de limiter l'apparition de phénomènes de cliquetis. L'invention offre la possibilité d'ajuster la montée en température de la chambre de combustion en fonction des caractéristiques du moteur. II est alors possible de se rapprocher des limites cliquetis en agissant sur les capacités du moteur à limiter ou favoriser les échanges thermiques avec l'extérieur.

[0022] La figure 4 décrit un quatrième procédé de pilotage de la conductivité thermique des parois de la chambre de combustion du moteur. La conductivité thermique des parois des éléments constituant la chambre de combustion est pilotée sur une période de cycle du moteur de la manière suivante :

• Durant la phase d'admission, la conductivité thermique est égale à la valeur haute.

• Durant la phase de compression, la conductivité thermique est égale à la valeur basse.

• Durant environ la première moitié de temps de la phase de combustion, la conductivité thermique est égale à la valeur basse.

• Durant environ la deuxième moitié de temps de la phase de combustion, la conductivité thermique est égale à la valeur haute.

• Durant environ les deux tiers de la phase d'échappement, la conductivité thermique est égale à la valeur haute.

• Durant environ le dernier tiers de la phase d'échappement, la conductivité thermique est égale à la valeur basse.

[0023] II est possible d'appliquer le matériau à conductivité thermique variable sur une partie des éléments de la chambre de combustion ou à l'ensemble de la chambre de combustion. Ainsi il est envisageable d'agir sur la conductivité thermique spécifiquement à des endroits précis de la chambre de combustion. Plus généralement, l'invention peut s'appliquer à tout type de moteur thermique, moteur essence, diesel ou biocarburant par exemple. Le pilotage de la conductivité est alors configurable en fonction de l'effet recherché.

Revendications

1. Moteur thermique comprenant plusieurs chambres de combustion, délimitées chacune par les parois d'une pluralité d'éléments, caractérisé en ce que, au moins l'une des dites parois, est constituée par un matériau, dont la conductivité thermique Cp varie, par application d'un champ électrique piloté par une unité de commande du moteur.

2. Moteur thermique selon la revendication 1, caractérisé en ce que les parois de plusieurs éléments, sont constituées par un matériau, dont la conductivité thermique Cp varie, par application d'un champ électrique piloté par une unité de commande du moteur, ce champ électrique étant distinct d'une paroi à l'autre.

3. Moteur thermique selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la conductivité thermique C_p d'une paroi varie entre une valeur constante haute et une valeur constante basse, de façon que la variation temporelle de la conductivité thermique de la paroi soit une succession de créneaux.

4. Moteur thermique selon la revendication 3, caractérisé en ce que le moteur est un moteur à explosion à quatre temps comprenant une phase d'admission, une phase de compression, une phase de combustion et une phase d'échappement.

5. Procédé de pilotage de la conductivité thermique du moteur selon la revendication 4, caractérisé en ce que la conductivité thermique C_p d'au moins une paroi est pilotée sur une période de cycle du moteur de façon que :

- Durant la phase d'admission, la conductivité thermique est égale à la valeur haute.

- Durant la phase de compression, la conductivité thermique est égale à la valeur haute.

- Durant la phase de combustion, la conductivité thermique est égale à la valeur basse.

- Durant la phase d'échappement, la conductivité thermique est égale à la valeur basse.

6. Procédé de pilotage de la conductivité thermique du dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que la conductivité thermique C_p d'au moins une paroi est pilotée sur une période de cycle du moteur de façon que :

- Durant la phase d'admission, la conductivité thermique est égale à la valeur haute.

- Durant la phase de compression, la conductivité thermique est égale à la valeur basse.

- Durant la phase de combustion, la conductivité thermique est égale à la valeur basse.

- Durant la phase d'échappement, la conductivité thermique est égale à la valeur haute.

7. Procédé de pilotage de la conductivité thermique du dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que la conductivité thermique C_p d'au moins une paroi est pilotée sur une période de cycle du moteur de façon que :

- Durant la phase d'admission, la conductivité thermique est égale à la valeur haute.

- Durant la phase de compression, la conductivité thermique est égale à la valeur basse.

- Durant environ la première moitié de temps de la phase de combustion, la conductivité thermique est égale à la valeur basse.

- Durant environ la deuxième moitié de temps de la phase de combustion, la conductivité thermique est égale à la valeur haute.

- Durant la phase d'échappement, la conductivité thermique est égale à la valeur haute.

8. Procédé de pilotage de la conductivité thermique du dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que la conductivité thermique C_p d'au moins une paroi est pilotée sur une période de cycle du moteur de façon que :

- Durant la phase d'admission, la conductivité thermique est égale à la valeur haute.

- Durant la phase de compression, la conductivité thermique est égale à la valeur basse.

- Durant environ la première moitié de temps de la phase de combustion, la conductivité thermique est égale à la valeur basse.

- Durant environ la deuxième moitié de temps de la phase de combustion, la conductivité thermique est égale à la valeur haute.

- Durant environ les deux tiers de la phase d'échappement, la conductivité thermique est égale à la valeur haute.

- Durant environ le dernier tiers de la phase d'échappement, la conductivité thermique est égale à la valeur basse.

Dessins