Brevet FR2813101A1 — publié le 20020222

L'invention concerne un procédé d'actionnement d'un moteur diesel. Une réglementation toujours plus stricte concernant les gaz d'échappement augmente les contraintes au niveau de l'actionnement des moteurs diesel, étant entendu que les mesures effectives prises pour réduire les émissions de substances nocives, en particulier de suie, de CO et de NOx ne doivent pas conduire à une diminution notable de la puissance du moteur ou à une augmentation de la consommation du carburant utilisé. On connaît des procédés d'actionnement des moteurs diesel dans lesquels l'injection du carburant dans un cylindre est segmentée en une préinjection et en une injection principale. La pré-injection d'une partie du carburant dans un intervalle de temps avant l'allumage au point mort supérieur peut permettre une meilleure homogénéisation du mélange carburant - air. L'allumage du mélange carburant - air a lieu lors de l'injection principale et il se produit au voisinage du point mort supérieur. Une meilleure homogénéisation d'au moins une partie du mélange provoque une diminution des substances nocives produites. L'injection principale effectuée après la pré-injection peut se prolonger jusqu'au temps moteur, mais à ce moment, la diminution de la pression dans le cylindre pendant le temps moteur peut avoir comme conséquence une diminution du rendement et donc une augmentation de la consommation du carburant. L'invention a pour objectif de fournir un procédé d'actionnement d'un moteur diesel permettant de diminuer les émissions de substances nocives. Cet objectif est atteint grâce au procédé d'actionnement d'un moteur diesel avec un cylindre, un piston guidé dans son mouvement oscillant dans le cylindre entre le point mort supérieur et le point mort inférieur et un injecteur avec une soupape d'injection pour injecter une quantité de carburant dans le cylindre, comprenant les étapes suivantes: a) une compression de l'air d'admission au cours du temps de compression défini par le mouvement du piston du point mort inférieur au point mort supérieur; et b) une injection d'une quantité de carburant pendant le mouvement du piston depuis le point mort supérieur vers le point mort inférieur définissant le temps moteur, o ladite injection commence, indépendamment du régime, après le point mort supérieur et o la soupape d'injection s'ouvre de manière brusque. Pour cela, on prévoit de faire l'injection, indépendamment du régime, suffisamment tard pour ne commencer qu'après l'allumage au point mort supérieur et pour que la soupape d'injection s'ouvre très rapidement et même très brusquement. Grâce à cette ouverture brusque de la soupape accompagnée d'un déroulement particulièrement rapide de l'injection, on obtient une homogénéisation particulièrement bonne du mélange carburant air et, par conséquent, une diminution de la formation des suies. Cet effet est amplifié par une gradient de fermeture de l'injecteur de la soupape d'injection élevé correspondant, produisant un arrêt brusque de l'injection. De manière avantageuse, ce déroulement "brusque " de l'injection par une ouverture augmentée de la soupape d'injection accompagnée d'une pression d'injection particulièrement élevée, améliore l'homogénéisation du mélange carburant - air. Comme le commencement de l'injection dans le cycle moteur se fait tard après le point mort supérieur, la répartition du carburant dans la chambre de combustion est améliorée par le retard à l'allumage augmenté qui est favorisé par la diminution de la pression dans le cylindre au cours de la phase d'expansion. Le mélange homogénéisé brûle avec une vitesse considérablement plus élevée et, de ce fait, ne produit pratiquement pas de suie. En plus, on peut dans ces conditions, avoir une diminution des émissions des oxydes d'azote et une diminution du bruit. De manière avantageuse, I'injection est faite en tant qu'injection principale, précédée par une pré-injection, effectuée au cours du temps de compression. L'ouverture de la soupape d'injection et également sa fermeture se font brusquement avec un gradient plus élevé dans l'injection principale que dans la pré-injection. Grâce à cette ouverture brusque et à cette fermeture brusque de la soupape d'injection lors de l'injection principale, on obtient les avantages susmentionnés, pendant que la mise en oeuvre de la pré- injection améliore également l'inflammabilité du mélange carburant - air. L'homogénéisation du mélange carburant - air peut encore être améliorée par le fractionnement de l'injection principale en plusieurs injections partielles. Pour ce qui concerne le recyclage des gaz d'échappement, celui-ci peut diminuer encore l'émission déjà faible des oxydes d'azote. L'homogénéisation décrite de la charge du cylindre ne conduit à aucune augmentation de formation de suie quand on augmente le recyclage des gaz d'échappement. Il peut s'avérer avantageux d'effectuer en plus une post-injection en plus de l'injection principale, ce qui augmente la température de combustion, mais également la teneur en HC dans les gaz d'échappement. Un recyclage combiné des gaz d'échappement permet d'améliorer la post- oxydation de la suie à l'intérieur du moteur. De manière avantageuse, avant la pré-injection, on effectue une injection d'homogénéisation, qui, de manière appropriée, est effectuée déjà pendant la phase d'aspiration. La quantité appropriée de carburant est injectée avec une pression basse dans le cylindre, ce qui favorise une bonne homogénéisation du mélange carburant - air. Concernant la pré- injection, elle permet une amélioration des conditions d'allumage au cours de la combustion principale. Globalement, le procédé de l'invention a pour résultat, consécutivement à l'homogénéisation améliorée du mélange carburant - air, une réduction des produits d'émissions nocifs sans perte de rendement et cela même si l'injection principale est retardée. Les dispositions suivantes sont de préférence adoptées: - à la fin de l'injection, la soupape d'injection se ferme brusquement; - le procédé comporte les étapes suivantes: a) une pré-injection d'une quantité de carburant durant le temps de compression, o la soupape d'injection de l'injecteur s'ouvre au commencement de la pré-injection avec un premier gradient d'ouverture et se ferme à la fin de la pré-injection avec un premier gradient de fermeture et b) une injection principale (H) constitutive de l'injection au cours de laquelle une majeure partie du carburant est injectée, o la soupape d'injection de l'injecteur s'ouvre brusquement au commencement de l'injection principale avec un second gradient d'ouverture et se ferme à la fin de l'injection principale avec un second gradient de fermeture et o le second gradient d'ouverture est plus élevé que le premier gradient d'ouverture - le second gradient de fermeture de l'injection principale est plus élevé que le premier gradient de fermeture de la pré-injection; - la soupape d'injection est ouverte lors de l'injection principale avec une hauteur d'ouverture plus importante que dans le cas de la pré- injection; - I'injection principale s'effectue avec une pression plus élevée et plus efficacement à l'ouverture de la soupape d'injection que la pré-injection; - l'injection et, en particulier, I'injection principale est fractionnée en plusieurs injections partielles; - une partie des gaz d'échappement formés sont recyclés par une conduite de recyclage des gaz d'échappement dans l'air d'admission; - après l'injection et, en particulier, après l'injection principale, on effectue une post-injection; - avant l'injection, on effectue une injection d'homogénéisation. Des exemples d'exécution de l'invention seront décrits dans la suite de manière plus détaillée, en se reportant aux dessins, dans lesquels: la fig. 1 est une représentation schématique d'un moteur diesel permettant de mettre en oeuvre le procédé de l'invention, la fig. 2 est un diagramme illustrant la succession dans le temps d'une pré-injection et d'une injection principale, et la fig. 3 est un diagramme illustrant la succession dans le temps d'une injection additionnelle d'homogénéisation, d'une post-injection additionnelle et d'une injection principale fractionnée en injections partielles. Sur le schéma de la fig. 1, on a représenté un moteur diesel avec un cylindre 1 et un carter 2 de vilebrequin. Dans le cylindre 1, il y a un piston 3 mobile longitudinalement relié par l'intermédiaire d'une bielle 6 à un vilebrequin 4 logé dans le carter 2. Le vilebrequin 4 peut tourner autour de l'axe 5 du vilebrequin. La distance de mouvement du piston 3 est limitée par un point mort supérieur OT et un point mort inférieur UT. Dans son mouvement depuis le point mort inférieur UT jusqu'au point mort supérieur OT, le piston 3 parcourt une distance indiquée par la flèche K pendant la compression et il parcourt le trajet dans la direction opposée indiquée par la flèche A pendant le temps moteur. Pendant le temps d'aspiration S (fig. 3) qui précède le temps de compression, l'air d'admission 12 est amené dans le cylindre 1 par une conduite d'admission 7 de l'air pour être comprimé dans l'étape suivante (temps de compression K). Le carburant 15 est injecté dans le cylindre 1 par la soupape d'injection 18 d'un injecteur 8. Le gaz d'échappement 13 produit par la combustion est évacué via une conduite 10 pour les gaz d'échappement et un catalyseur 1il disposé dans la conduite 10 pour les gaz d'échappement. On prévoit une conduite de recyclage 17 pour une partie des gaz d'échappement 13 vers l'air d'admission 12. A cette fin, la conduite 10 pour les gaz d'échappement et la conduite 7 pour l'air d'admission sont en communication par une conduite 16 de recyclage des gaz d'échappement. Dans la conduite 16 de recyclage des gaz d'échappement, il y a une soupape 14 pour les gaz d'échappement recyclés, permettant d'ajuster la quantité de gaz d'échappement 13 qui est recyclée. La fig. 2 est une représentation schématique du déroulement dans le temps du processus d'injection. Pendant le temps de compression K délimité par le point mort inférieur et par le point mort supérieur, il se produit une pré-injection V durant laquelle la soupape d'injection 18 de l'injecteur 8 (fig. 1) vient en position levée ouverte av. L'ouverture de la soupape d'injection 18 a pour effet d'initier la pré-injection V sur une durée to1. Le rapport de la hauteur de la position levée av de la soupape d'injection sur le temps d'ouverture to1 donne le premier gradient d'ouverture dao1. De manière similaire, la pré-injection V est terminée sur une durée ts1, ce qui donne un gradient de fermeture correspondant dasi obtenu par le quotient de la hauteur de la position levée av de la soupape d'injection sur le temps de fermeture Ts1. A la courbe de levée a de la soupape d'injection correspond une courbe du débit massique m du carburant 15 ainsi qu'une courbe de pression p du carburant. La quantité de carburant mv injectée durant la pré-injection V correspond à la surface sous la courbe du débit massique. Le temps moteur A suit le point mort supérieur OT. Après le point mort supérieur OT commence l'injection E d'une quantité m de carburant, qui peut être exécutée sans la pré-injection V, mais qui dans la forme d'exécution illustrée est une injection principale H qui suit une préinjection V. La hauteur de la position levée aH de la soupape d'injection durant l'injection principale H, ainsi que la pression du carburant p et le débit massique m du carburant 15 associés, sont plus élevés que pendant la pré-injection V. En particulier, dans l'injection principale H, la pression p plus élevée agit plus efficacement lors de l'ouverture de la soupape d'injection que dans la pré-injection V. La soupape d'injection18 est ouverte de manière brusque en un temps d'ouverture to2 court, avec un second gradient d'ouverture da02 donné par le quotient de la hauteur de la position levée de la soupape d'injection aH sur le temps d'ouverture to2. Le second gradient d'ouverture dao2 dans l'injection principale H a une valeur plus élevée que le premier gradient d'ouverture dao1 dans la pré-injection V. A la fin de l'injection principale H, la soupape d'injection18 est fermée en un second temps de fermeture tS2. Le second gradient de fermeture das2 a une valeur plus importante que le premier gradient de fermeture das1 de la pré-injection V. La quantité de carburant mH injectée durant l'injection principale H correspond à la surface sous la courbe représentée, dans la région de l'injection principale H. La fig. 3 est une illustration schématique d'une variante du procédé de la fig. 2, o une injection d'homogénéisation G précède la pré-injection V. Dans l'exemple illustré, I'injection d'homogénéisation G et la pré-injection V peuvent se situer dans les régions indiquées par les segments portés sur la figure. Elles peuvent se succéder immédiatement l'une l'autre. L'injection d'homogénéisation G a lieu pour l'essentiel durant le temps d'aspiration S précédant le temps de compression K. Après la pré- injection V se produit l'injection principale H, qui est fractionnée en injections partielles séparées Hn. Après l'injection principale H, il y a une post-injection N durant le temps moteur A. Les injections individuelles peuvent être espacées mutuellement dans le temps ou se succéder directement. Revendications 1. Procédé d'actionnement d'un moteur diesel avec un cylindre (1), un piston (3) guidé dans son mouvement oscillant dans le cylindre (1) entre le point mort supérieur (OT) et le point mort inférieur (UT) et un injecteur (8) avec une soupape d'injection (18) pour injecter (E) une quantité (m) de carburant dans le cylindre (1), comprenant les étapes suivantes: a) une compression de l'air d'admission (12) au cours du temps de compression (K) défini par le mouvement du piston (3) du point mort inférieur (UT) au point mort supérieur (OT); et b) une injection (E) d'une quantité (m) de carburant pendant le mouvement du piston (3) depuis le point mort supérieur (OT) vers le point mort inférieur (UT) définissant le temps moteur (A), o ladite injection (E) commence, indépendamment du régime, après le point mort supérieur (OT) et o la soupape d'injection (18) s'ouvre de manière brusque. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel à la fin de l'injection (E), la soupape d'injection (18) se ferme brusquement. 3. Procédé selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes: a) une pré-injection (V) d'une quantité (mv) de carburant (15) durant le temps de compression (K), o la soupape d'injection (18) de l'injecteur (8) s'ouvre au commencement de la pré-injection (V) avec un premier gradient d'ouverture (daol) et se ferme à la fin de la pré-injection (V) avec un premier gradient de fermeture (dasl) et b) une injection principale (H) constitutive de l'injection (E), au cours de laquelle une majeure partie (mH) du carburant (15) est injectée, o la soupape d'injection (18) de l'injecteur (8) s'ouvre brusquement au commencement de l'injection principale (H) avec un second gradient d'ouverture (dao2) et se ferme à la fin de l'injection principale (H) avec un second gradient de fermeture (das2) et o le second gradient d'ouverture (dao2) est plus élevé que le premier gradient d'ouverture (dao1). 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que le second gradient de fermeture (das2) de l'injection principale (H) est plus élevé que le premier gradient de fermeture (dasi) de la pré-injection (V). 5. Procédé selon la revendication 3 ou la revendication 4, caractérisé en ce que la soupape d'injection (18) est ouverte lors de l'injection principale (H) avec une hauteur d'ouverture (a) plus importante que dans le cas de la pré-injection (V). 6. Procédé selon l'une des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que I'injection principale (H) s'effectue avec une pression (p) plus élevée et plus efficacement à l'ouverture de la soupape d'injection que la pré- injection (V). 7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que I'injection (E) et, en particulier, I'injection principale (H) est fractionnée en plusieurs injections partielles (Hn). 8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'une partie des gaz d'échappement formés (13) sont recyclés par une conduite de recyclage (17) des gaz d'échappement dans l'air d'admission (12). 9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'après l'injection (E) et, en particulier, après l'injection principale (H), on effectue une post-injection (N). 10. Procédé selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'avant l'injection (E), on effectue une injection d'homogénéisation (G).