Brevet FR2704025A1 — publié le 19941021

La présente invention est relative à un dispositif d'injection de carburant pour moteur à combustion interne alimenté par un mélange air/carburant réglé sous la commande d'un calculateur et, plus particulièrement, à un tel dispositif comprenant au moins un injecteur de carburant et des moyens de prise d'air, à une pression supérieure à celle régnant en aval d'un papillon des gaz placé dans la tubulure d'admission du moteur, et d'injection de cet air dans une chambre d'atomisation du carburant sortant de l'injecteur. Pour le remplissage des cylindres d'un moteur à combustion interne avec un mélange air/carburant, on a proposé des injecteurs de carburant à jets "tendus" arrosant chacun une soupape d'admission d'un cylindre du moteur. En régime de fonctionnement normal du moteur, la soupape est chaude et le carburant se vaporise alors aussitôt à son contact, ce qui permet de remplir le cylindre avec un mélange air/carburant très homogène, favorable à une bonne combustion de ce mélange. Cependant, lors d'un fonctionnement à froid du moteur, depuis le démarrage jusqu'à la température de fonctionnement normale, le jet tendu de carburant ne se vaporise pas au contact de la soupape, la température de celle-ci ne permettant pas une telle vaporisation. Le carburant mouille les parois du cylindre en noyant le moteur qui ne peut démarrer faute de la présence d'un mélange air/carburant adéquat autour d'une bougie d'allumage de ce mélange. On a alors proposé des injecteurs équipés de moyens permettant d'atomiser le carburant à la sortie de l'injecteur, sans recourir à une soupape chaude. Comme représenté schématiquement en coupe axiale à la figure 1 du dessin annexé, ces moyens consistent couramment en une injection d'air sous pression (suivant la flèche F) dans une chambre 1 placée à la sortie de l'injecteur 2, cette chambre comprenant un organe tel que 3 engendrant de fortes turbulences dans cette chambre, propres à atomiser le carburant liquide qui sort de l'injecteur. Il se forme alors un jet conique 4 de carburant atomisé et mélangé à de l'air, d'angle au sommet 300/400 environ, au lieu du jet "tendu" 5 de 100/15" de carburant non atomisé que l'on trouve normalement à la sortie de l'injecteur, en l'absence d'une telle chambre.On connaît du document No. 912351 publié par la "Society of Automotive Engineers" des Etats-Unis d'Amérique, un dispositif d'injection d'un mélange air/carburant de ce type. A la figure 6 de ce document, on a représenté un injecteur de carburant alimenté en air auxiliaire d'atomisation par un conduit contournant le papillon des gaz, la prise d'air se situant immédiatement en amont de ce papillon. Un tel dispositif présente néanmoins divers inconvénients. D'une part il fonctionne en permanence, c'est-à-dire y compris quand le moteur est chaud. Or, quand c'est le cas, on peut préférer conserver le procédé de vaporisation de l'essence par arrosage d'une soupape avec un jet tendu de carburant, qui permet de contrôler plus précisément la quantité de carburant injecté, en l'absence des perturbations qu'entraînent autrement l'utilisation d'un courant d'air d'atomisation. D'autre part, du fait de la position du point de prise d'air auxiliaire, en amont immédiat du papillon, la dépression qui fait circuler l'air auxiliaire est faible ainsi donc que le débit de cet air dont le pouvoir d'atomisation est alors réduit. La présente invention a pour but de réaliser un dispositif d'injection de carburant pour moteur à combustion interne qui ne présente pas ces inconvénients et qui, par conséquent, permette de choisir le procédé de constitution du mélange air/carburant le mieux adapté à chaque régime de fonctionnement du moteur (fonctionnement à froid ou régime normal) tout en assurant une atomisation efficace du carburant quand celle-ci est utilisée. On atteint ce but de l'invention, ainsi que d'autres qui apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, avec un dispositif d'injection de carburant pour moteur à combustion interne alimenté par un mélange air/carburant réglé sous la commande d'un calculateur, comprenant au moins un injecteur de carburant et des moyens de prise d'air, à une pression supérieure à celle régnant en aval d'un papillon des gaz placé dans la tubulure d'admission du moteur, et d'injection de cet air dans une chambre d'atomisation du carburant sortant de l'injecteur, ce dispositif étant remarquable en ce que lesdits moyens comprennent en outre une vanne commandée par le calculateur pour alimenter sélectivement ladite chambre d'atomisation avec de l'air. Suivant un mode de réalisation préféré du dispositif selon l'invention, le calculateur commande sélectivement (a) la fermeture de la vanne pour établir un jet tendu de carburant non atomisé à la sortie de l'injecteur, en régime de fonctionnement normal du moteur et (b) l'ouverture de la vanne pour établir un jet de carburant atomisé et sensiblement conique à la sortie de l'injecteur, en phase de fonctionnement à froid du moteur. Ainsi il apparaît que la présente invention permet de mettre en oeuvre, dans différentes phases de fonctionnement du moteur, les moyens de constitution du mélange air/carburant qui sont les mieux adaptés à chacune de ces phases. Avantageusement, les moyens de prise d'air sont connectés à la sortie d'une source d'air sous pression telle qu'une soufflante ajoutant de l'air aux gaz d'échappement du moteur. D'autres caractéristiques et avantages du dispositif suivant la présente invention apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre et à l'examen du dessin annexé dans lequel - la figure 1 est une vue schématique en coupe axiale d'un injecteur de carburant utilisé dans la présente invention, vue déjà décrite dans le préambule de la présente description, et - les figures 2, 3 et 4 représentent trois modes de réalisation du dispositif suivant la présente invention. On se réfère au dessin annexé, dans lequel des références numériques identiques repèrent des éléments ou organes identiques ou similaires et, en particulier, à la figure 2 qui représente schématiquement un premier mode de réalisation du dispositif suivant la présente invention. Un injecteur de carburant 2 commandé par un calculateur 6 alimente un cylindre d'un moteur à combustion interne 7 comprenant une tubulure d'admission 8 équipée classiquement d'un filtre à air 9 et d'un papillon 10 de réglage du débit d'air admis. Du côté de sa sortie, le moteur est équipé d'une tubulure d'échappement 11 conduisant à un pot d'échappement 12, par exemple catalytique et alors associé à une sonde à oxygène 13 fournissant au calculateur 6 un signal pris en compte dans le calcul du temps d'ouverture de l'injecteur 2 qu'il commande, comme cela est classique.On retrouve toutes ces dispositions dans les modes de réalisation des figures 3 et 4 qui seront décrites en détail plus loin. Sur la figure 2, il apparaît que l'injecteur 2 est raccordé, comme celui de la figure 1, à un conduit 14 d'amenée d'air d'atomisation équipé, suivant la présente invention, d'une vanne 15 tout ou rien", une électrovanne par exemple, commandée par le calculateur 6. Suivant une autre caractéristique de la présente invention, la prise d'air de ce conduit 14 est directement raccordée à la sortie du filtre à air 9. Il est entendu que l'injecteur 2 est luimême équipé d'une chambre d'atomisation telle que celle représentée en 1 à la figure 1, ou d'une chambre de tout autre type connu capable d'assurer cette atomisation. Le calculateur 6 peut ainsi ouvrir ou fermer l'électrovanne 15. Au démarrage à froid du moteur, suivant l'invention, le calculateur ouvre cette électrovanne de manière que le moteur aspire alors de l'air, non seulement à travers la tubulure 8 mais aussi à travers le conduit 14 pour que cet air atomise le carburant sortant de l'injecteur. Le jet conique 4 de mélange air/carburant ainsi constitué est alors aspiré par le cylindre du moteur associé à cet injecteur, pendant une phase d'admission. On peut ainsi ajuster la composition et l'homogénéité du mélange pour qu'il s'allume facilement sous l'action d'une étincelle émise par une bougie d'allumage (non représentée). En régime de fonctionnement normal, les soupapes étant suffisamment chaudes pour vaporiser les jets de carburant arrivant sur elle, le calculateur ferme l'électrovanne 15. Il n'y a plus alors d'atomisation du carburant dans la chambre 1 à la sortie de l'injecteur 2 et c'est un jet "tendu" 5 (voir figure 1) qui tombe sur la soupape d'admission associée, où il se vaporise immédiatement en constituant un mélange air/carburant qui est aspiré par un cylindre du moteur où il s'allume facilement du fait de son homogénéité. On a ainsi conservé l'avantage de précision du réglage du mélange air/carburant qu'offre cette procédure de vaporisation. Ainsi, par une commande appropriée de la vanne 15, le dispositif suivant l'invention permet de choisir le procédé de constitution du mélange air/carburant qui s'adapte le mieux à chacune des phases de fonctionnement du moteur évoquées ci-dessus. Par ailleurs, grâce à la position du point de prise d'air 16 du conduit 14 du dispositif suivant l'invention, à la sortie du filtre à air 9, et donc très en amont du papillon 10, on renforce le débit d'air dans le conduit 14, la dépression nécessaire n'étant pas réduite par les pertes de charge que l'on observe dans la tubulure d'admission 8 entre le filtre à air et le papillon. Ainsi, lorsque l'électrovanne 15 est ouverte, l'atomisation du carburant en sortie de l'injecteur est réalisée plus efficacement que dans le dispositif de la technique antérieure décrit dans le document de la 1r5ociety of Automotive Engineers" cité en préambule de la présente description. Cependant, avec le mode de réalisation du dispositif suivant l'invention représenté à la figure 2, on observe que si, en phase de démarrage le conducteur appuie fortement sur la pédale d'accélérateur, il y a tout de même réduction de cette dépression du fait de l'ouverture du papillon, cette réduction étant défavorable à une bonne atomisation du carburant. De même, on observe qu'au tout début d'une phase de démarrage, même en l'absence d'une action du conducteur sur la pédale d'accélérateur, l'aspiration développée par le moteur est faible et donc la dépression disponible est susceptible de ne pas permettre une atomisation suffisante du carburant. Suivant l'invention, on pallie cet inconvénient à l'aide de l'un ou l'autre des dispositifs représentés aux figures 3 et 4. A la figure 3, il apparaît que le dispositif représenté comprend en outre une soufflante 17 connectée à la prise d'air 16 du filtre 9 pour injecter de l'air, à travers une électrovanne 18 commandée par le calculateur 6 et un clapet anti-retour 19, dans la tubulure d'échappement du moteur, immédiatement en aval des soupapes d'échappement de celui-ci. Comme il est bien connu de l'homme de métier, une injection forcée d'air dans les gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne, en amont d'un pot catalytique tel que le pot 12, améliore le taux d'oxydation des hydrocarbures et de l'oxyde de carbone dans ce pot, tout en accélérant la mise à température de celui-ci grâce aux réactions d'oxydation exothermiques ainsi favorisées. Suivant la présente invention, on tire parti de la présence de la soufflante 17 pour injecter de l'air dans les injecteurs 2, avec un débit suffisant pour éviter les inconvénients mentionnés ci-dessus. Pour ce faire, on installe le conduit 14 et l'électrovanne 15 associée entre la sortie de la soufflante 17 et l'injecteur 2. Le calculateur 6 commande sélectivement alors, en fonction de programmes chargés en mémoire, l'actionnement de l'injecteur 2, de la soufflante 17, et des électrovannes 15 et 18 pour assurer l'injection d'air dans la tubulure d'échappement et/ou dans les injecteurs de carburant. On a représenté à la figure 4 une variante du dispositif de la figure 3. Celle-ci permet d'assurer l'alimentation de la tubulure d'échappement avec l'un ou l'autre de deux débits d'air de valeurs différentes, convenant chacun à une phase de fonctionnement particulière du moteur, ceci à l'aide de deux électrovannes seulement, ce qui rend la solution particulièrement économique. Le débit d'air injecté dans les gaz d'échappement est en effet fonction de la quantité de gaz d'échappement évacués par la tubulure l1 vers le pot catalytique 12. On peut distinguer essentiellement deux situations. En régime de fonctionnement normal, il faut fournir un fort débit d'air avec un excès d'air de l'ordre de 10 à 30 k soit, typiquement, de 50 à 60 kg d'air par heure. En phase de ralenti ou sous faible charge, un débit de 20 kg d'air par heure seulement convient.Plutôt que d'utiliser une coûteuse électrovanne de modulation, avec commande par un moteur linéaire à courant continu par exemple, pour régler le débit d'air injecté dans la tubulure d'échappement, on propose d'employer deux électrovannes 15' et 18' "tout ou rien" simples et peu coûteuses, montées sur deux conduits 20,21 respectivement, montés en parallèle sur la sortie de la soufflante 17 pour passer chacun un des deux débits d'air mentionnés ci-dessus. Le calculateur ouvre une électrovanne et ferme l'autre suivant le débit d'air à injecter dans la tubulure d'échappement. Suivant l'invention, on branche alors le conduit 14 d'alimentation en air de l'injecteur 2, entre la sortie de l'électrovanne 15' et cet injecteur. C'est en effet quand l'électrovanne 15' est ouverte (phase de démarrage du moteur) que l'on a besoin d'atomiser le carburant à la sortie de l'injecteur, comme on l'a vu plus haut. En dehors des phases de démarrage, l'électrovanne 15' est coupée et ainsi également l'alimentation en air de l'injecteur qui produit alors un jet tendu, comme il est préférable en fonctionnement normal. Il apparaît maintenant que l'invention permet bien d'atteindre les objectifs annoncés, à savoir adapter le fonctionnement de l'injecteur à diverses phases de fonctionnement du moteur de manière à bénéficier sélectivement des avantages du jet tendu ou du jet conique atomisé, tout ceci en assurant l'alimentation des injecteurs avec un débit d'air suffisant. Bien entendu l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits et représentés qui n'ont été donnés qu'à titre d'exemple. Ainsi, l'électrovanne 15 ou 15' "tout ou rien" pourrait être remplacée par une électrovanne à commande proportionnelle pour permettre un réglage fin de la quantité d'air fournie à l'injecteur, tenant compte de la quantité d'air aspirée en parallèle par le moteur à travers le papillon, ceci pour améliorer le contrôle du régime de ralenti, par exemple. REVEND I CAT IONS 1. Dispositif d'injection de carburant pour moteur à combustion interne alimenté par un mélange air/carburant réglé sous la commande d'un calculateur, comprenant au moins un injecteur (2) de carburant et des moyens (14,16) de prise d'air, à une pression supérieure à celle régnant en aval d'un papillon des gaz (10) placé dans la tubulure d'admission (8) du moteur, et d'injection de cet air dans une chambre d'atomisation (1) du carburant sortant de l'injecteur, caractérisé en ce que lesdits moyens comprennent en outre une vanne (15;15') commandée par le calculateur (6) pour alimenter sélectivement ladite chambre d'atomisation (1) avec de l'air. 2. Dispositif conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que le calculateur (6) commande sélectivement (a) la fermeture de la vanne (15su5') pour établir un jet tendu (5) de carburant non atomisé, à la sortie de l'injecteur en régime de fonctionnement normal du moteur, et (b) l'ouverture de la vanne (15;15') pour établir un jet de carburant atomisé (4) sensiblement conique à la sortie de l'injecteur, en phase de fonctionnement à froid du moteur. 3. Dispositif conforme à l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le calculateur (6) commande l'ouverture de la vanne (15;15') de manière à régler le débit d'air injecté dans la chambre d'atomisation (1) à une valeur prédéterminée. 4. Dispositif conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les moyens de prise et d'injection d'air (14,15,16) comprennent une prise d'air filtré (16) à la sortie d'un filtre à air (9) placé à l'entrée de la tubulure d'admission (8) du moteur. 5. Dispositif conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les moyens de prise d'air sont connectés à la sortie d'une soufflante (17) d'injection d'air dans les gaz d'échappement du moteur. 6. Dispositif conforme à la revendication 5, caractérisé en ce que le débit d'air de la soufflante (17) dans le gaz d'échappement du moteur est commandé par le calculateur (6) agissant sur au moins deux vannes (15',18') placées dans deux branches (20,21) parallèles de la sortie de la soufflante (17), les vannes assurant des réglages du débit d'air autour de premier et deuxième niveaux distincts correspondant respectivement à une phase de fonctionnement du moteur au ralenti ou sous faible charge et à une phase de fonctionnement normal. 7. Dispositif conforme à la revendication 6, caractérisé en ce qu'un conduit d'air (14) des moyens d'injection d'air dans la chambre d'atomisation (1), est branché entre à la sortie de la vanne (15') de réglage du débit d'air autour dudit premier niveau et ladite chambre d'atomisation.