Brevet FR2814776A1 — publié le 20020405

L'invention concerne un procédé de commande d'un moteur à combustion interne du type diesel o un injecteur injecte directement du carburant dans une chambre de combustion délimitée par un cylindre et brûle avec de l'air de combustion introduit séparément, o une unité de commande permet de contrôler au moins un paramètre influant sur la formation du mélange combustible/air en fonction du régime du moteur à combustion interne au moins dans certaines parties critiques du cycle du moteur à combustion interne pour que, au plus tard au moment de l'auto-allumage, un mélange sensiblement homogène soit constitué dans la chambre de combustion. On connaît des moteurs à explosion interne du type diesel, dans lesquels chaque cylindre comprend un injecteur pour injecter directement un combustible dans une chambre de combustion constitué dans un cylindre. Le combustible est brûlé avec de l'air de combustion amené séparément, la compression du mélange par les pistons assurant un auto-allumage. Les moteurs à combustion interne modernes du type diesel subissent une pression croissante visant à diminuer les émissions de substances nocives. Souvent, les valeurs limites légales pour les émissions ne peuvent être respectées qu'en utilisant des dispositifs coûteux pour traiter les gaz d'échappement, tels que des filtres à particules ou des catalyseurs / absorbeurs. Il est vrai qu'en influant sur le retard à l'allumage dans le cas des moteurs diesel, on peut réduire l'émission des gaz azotés, mais en même temps, l'émission des fumées noires n'est pas maîtrisée de manière satisfaisante. Il est vrai que l'émission des particules peut être diminuée, par exemple par une optimisation de l'injection du carburant telle qu'une augmentation de la pression d'injection, mais à ce moment la température de combustion est augmentée et ceci favorise la formation des oxydes d'azote. 2 2814776 EP 0 967 380 A2 divulgue un procédé pour la commande d'un moteur à combustion interne du type diesel, qui permet une réduction des composés nocifs et, en même temps, celle de la fumée noire, par la formation d'un mélange homogène de carburant et d'air de combustion. Ce pré-mélange est formé de manière à ce qu'au plus tard au point d'autoallumage, un mélange homogène soit constitué dans la chambre de combustion, c'est-à-dire que le mélange du combustible et de l'air de combustion soit sensiblement uniforme dans la chambre de combustion. Le carburant est injecté plus tôt durant la phase de compression du piston dans la chambre de combustion et le mélange s'allume à la fin de la phase de compression. Grâce à ce procédé de combustion on peut, comme dans le cas des moteurs à combustion interne avec un allumage externe, empêcher la formation de fumées noires, restreindre celle de gaz azotés et, en même temps diminuer la consommation en carburant. Pour garantir que le mélange injecté soit homogène, le procédé connu prévoit une pré- injection dans un intervalle de temps entre la phase d'admission et le point de temps médian de la phase de compression du piston et une injection principale subséquente. Une unité de commande module le processus d'injection fait en deux fois, en fonction du régime du moteur à combustion interne. On empêche la formation de fumées noires par le fait que l'injection principale se fait par portions dans un intervalle de temps entre la fin de la phase de compression et le commencement de la phase d'expansion. La combustion doit être stabilisée en contrôlant la température de l'air d'admission frais. La présente invention a pour objectif de proposer un procédé permettant d'atteindre une émission minimale de substances nocives, par la formation d'un mélange homogénéisé. Cet objectif est atteint selon l'invention grâce à un procédé du type précité, caractérisé en ce que l'air de combustion entre dans la chambre de combustion avec un flux turbulent progressant autour de l'axe longitudinal du cylindre de la chambre de combustion, lequel flux turbulent peut être ajusté par un organe de réglage, et en ce que l'unité de commande ajuste, de manière interdépendante, le processus d'injection du carburant et l'intensité du flux turbulent. Selon l'invention, on prévoit que l'air de combustion soit introduit dans la o chambre de combustion avec un flux turbulent ajustable, progressant autour de l'axe longitudinal du cylindre dans la chambre de combustion. Une unité de commande permet de contrôler le processus d'injection et la turbulence du flux d'air de combustion, de manière à ce que la proportion d'air soit sensiblement uniforme dans la totalité de la chambre de combustion à partir du commencement de l'inflammation. Une combustion diffusive est ainsi empêchée. L'homogénéité du mélange est assurée par l'unité de commande, en fonction du régime. L'organe de réglage contrôlé par l'unité de commande est, de préférence, un clapet de réglage, qui est installé sur une conduite d'admission de chaque cylindre. En restreignant le flux de l'air admis dans une conduite d'admission au moyen du clapet qui y est installé, on peut régler à volonté et de manière variable l'intensité du flux turbulent de l'air de combustion, qui arrive sous la forme de flux partiels par les deux conduites d'admission. L'homogénéisation du mélange carburant / air est assurée par le contrôle combiné du flux turbulent, du point d'injection et de la quantité injectée de carburant, assurée par l'unité de commande, la quantité injectée de carburant étant, de préférence, administrée en une opération d'injection principale et continue de l'injecteur. Une pré-injection ou injection pilote décalée dans le temps avant l'injection principale n'est pas envisagée dans le procédé selon la 4 2814776 présente invention, car la combinaison du contrôle de l'injection avec un contrôle de l'intensité de la turbulence permet déjà d'assurer un retard à l'allumage maximum pour la machine à combustion interne du type diesel. Il est particulièrement avantageux que le processus d'injection de carburant se fasse dans une fenêtre de temps entre environ 30 - 40 o KW avant le point mort haut de la commande à bielle et environ 10 - 20 o KW après le commencement du point mort haut. L'introduction du carburant nécessaire à la combustion se fait par une injection principale, le processus d'injection étant avantageusement assuré par un injecteur. Pour encore diminuer l'émission des substances toxiques, en particulier assurer une postcombustion des HC, du CO et des particules, on prévoit une postinjection décalée dans le temps, lors de laquelle on injecte une portion du mélange total, qui est inférieure à la portion injectée au cours de l'injection principale. Dans un perfectionnement préféré de l'invention, on ajuste le rapport entre la teneur en oxygène de l'air de combustion et la quantité de carburant par un recyclage des gaz d'échappement dans une proportion ajustable. Un rapport prédéterminé d'air dans le mélange carburant / air dans la chambre de combustion est assuré par un recyclage ajustable des gaz d'échappement dans la conduite d'admission. A ce moment et de manière avantageuse, on fixe en fonction du régime du moteur à combustion interne une proportion d'air prédéterminée. Les valeurs nécessaires à la commande de l'intensité de la turbulence et à l'injection peuvent être déterminées au préalable et enregistrées dans des registres de valeurs d'une mémoire, pour une utilisation faite en fonction des besoins. La proportion d'air est ajustée au moins dans certaines plages de fonctionnement du cycle du moteur à combustion, à des valeurs permettant d'assurer une proportion quasi stoechiométrique de l'air. De cette manière, on assure une émission particulièrement faible des oxydes d'azote. 2814776 Le choix du taux de recyclage optimal, c'est-à-dire de la portion recyclée et de la portion d'air frais mélangé aux gaz d'échappement est fixé par l'unité de commande par le positionnement de la soupape se trouvant sur la conduite de recyclage des gaz d'échappement entre la conduite d'évacuation des gaz et la conduite d'admission du moteur à combustion interne. En sélectionnant correctement le point d'injection, I'intensité de la turbulence de l'air de combustion et la proportion d'air à des valeurs prédéterminées, I'unité de commande permet de fixer le centre de gravité de la combustion à une valeur optimale. Egalement, I'unité de commande assure un profil de combustion et un gradient de pression dans la chambre de combustion à différents régimes par l'ajustement de la proportion d'air, de l'intensité de la turbulence de l'air de combustion et des caractéristiques de l'injection. Plus spécifiquement, I'unité de commande contrôle le déroulement de la combustion et le gradient de pression dans la chambre de combustion en fonction du régime, en ajustant la proportion d'air et l'intensité de la turbulence. Avec le procédé selon l'invention, on obtient dans la phase d'allumage une homogénéisation pratiquement complète, et la quantité d'air au- dessus de la proportion stoechiométrique de l'air de combustion (air frais / gaz d'échappement) par rapport au carburant injecté est ajustable. Ce mélange subit un allumage dans les zones qui présentent une proportion d'air proche de la stoechiométrie. En fixant les paramètres ajustables selon l'invention, en l'occurrence la quantité de carburant injecté, le point d'injection du carburant, le rapport air frais / gaz d'échappement et l'intensité de la turbulence de l'air, on fixe le retard à l'allumage de manière optimale pour le régime. De cette manière, on peut agir sur l'homogénéisation du mélange et la position / taille des zones capables d'initier un auto-allumage avec une composition sensiblement 6 2814776 stoechiométrique. Le prémélange du carburant avec l'air de combustion assurant un mélange complet avant l'inflammation permet une combustion complète et sans suie. Dans le cas de moteurs à combustion interne de type diesel, tout comme dans le cas de moteurs o l'explosion est produite par un élément externe, on peut obtenir une proportion d'air proche de la stoechiométrie, ce qui permet de concilier une réduction de l'émission des particules avec celle d'une émission réduite des oxydes d'azote. Un exemple de mise en oeuvre de l'invention est décrit ci-après de manière détaillée à l'aide de dessins. Dans ces dessins: la fig. 1 est une vue en coupe d'un moteur à combustion interne du type diesel, la fig. 2 est une représentation graphique de l'intensité de la turbulence du flux en fonction de la variation de l'angle de réglage du clapet de réglage. la fig. 3 est une représentation graphique du positionnement de l'injection dans le temps. Le moteur à combustion interne du type diesel 1 qui est représenté comprend plusieurs cylindres 2 avec chacun une chambre de combustion 4 dans laquelle se trouve un piston 3 capable de se déplacer longitudinalement. Un injecteur 5 injecte le carburant directement dans la chambre de combustion 4, et ce carburant brûle grâce à l'air de combustion arrivant par la conduite d'admission 6. Après la combustion, les gaz brûlés sont évacués par la conduite d'échappement 7. L'ouverture et la fermeture des conduites d'admission 6 et de la conduite d'échappement 7 sont assurées par les soupapes d'échange des gaz 15, 7 2814776 ', 16 qui sont actionnées de la manière conventionnelle par une commande de soupapes 23 (non représentée en détail). L'injecteur 5 et les têtes des soupapes d'échange des gaz 15, 15', 16 sont essentiellement dans un même plan qui est perpendiculaire à l'axe 19 du cylindre qui se trouve au niveau du côté interne de la tête du cylindre ou qui le jouxte. La conduite d'échappement 7 et la conduite d'admission 6 sont en communication grâce à une conduite 8 de recyclage des gaz d'échappement, dont la section de passage peut être libérée grâce à une soupape ajustable 9 pour les gaz d'échappement recyclés. Dans la conduite des gaz d'échappement recyclés 8, il y a un refroidisseur 10 des gaz d'échappement permettant de refroidir des gaz d'échappement recyclés avant leur mélange avec l'air frais. L'injecteur 5 fait partie d'un système d'injection (non représenté) du type dit " common rail ", dans lequel les injecteurs de tous les cylindres sont alimentés à partir d'une conduite d'alimentation haute pression commune. L'injecteur 5 projette le carburant suivant un faisceau 13 constitué d'une pluralité de jets individuels, suivant une géométrie très précise. Le faisceau de jets de carburant injecté dans l'air de combustion se transforme dans la chambre de combustion en un nuage de carburant constitué de fines gouttelettes de carburant. Pour améliorer le mélange, le corps 20 du piston 3 comporte un évidement 21 qui constitue une partie de la chambre de combustion 4. L'évidement 21 a la forme d'un tore avec un fond qui entoure une surface d'impact surélevée centrale 22. L'injecteur 5 est contrôlé par une unité de commande 17 qui détermine, en fonction du régime du moteur à combustion interne, le paramètre " injection " en particulier l'instant d'injection et le taux d'injection (quantité injectée). Pour définir le régime du cycle moteur du moteur à combustion 8 2814776 interne, on fournit à l'unité de commande deux paramètres mesurés en continu, en l'occurrence L1 et L2, qui sont respectivement la quantité injectée (ou son équivalent électronique) et la vitesse de rotation du moteur à combustion interne. Comme autre grandeur d'entrée, I'unité de commande 17 reçoit le signal d'un dispositif de mesure du débit 12 dans la conduite d'admission 6. De cette manière on obtient le débit massique de l'air de combustion entrant dans la chambre de combustion 4. L'invention permet de fournir un mélange homogène combustible / air à la chambre de combustion, o l'homogénéisation du mélange est essentiellement terminée au moment de l'auto-allumage du mélange. Ceci est possible grâce au fait que l'air de combustion arrive dans la chambre de combustion 4 sous la forme d'un flux turbulent 14, progressant autour de l'axe longitudinal 19 du cylindre. Le flux turbulent de l'air de combustion est produit par la conformation de la conduite d'admission 6 et / ou la forme et la position des soupapes d'admission 15 et il est ajustable grâce à un organe de réglage qui est installé sur le canal d'entrée 6 et qui agit sur le flux de l'air de combustion. Dans le cas présent, I'organe de réglage est un clapet de réglage 11 qui est placé dans la conduite d'admission 6 de manière à pouvoir tourner autour d'un axe médian. On peut également utiliser d'autres éléments pour ajuster le flux d'air permettant d'apporter une impulsion ajustable à la turbulence de l'air de combustion, conformément à l'invention. Chaque cylindre 2 comprend deux conduites d'admission 6, 6' séparées, dont une seule 6 comporte un clapet de réglage 11, qui provoque, selon sa position, une diminution variable du débit d'air dans la conduite d'admission 6. L'unité de commande 17 est associée à une mémoire 18 dans laquelle sont entrées les valeurs de consigne présélectionnées nécessaires pour la commande de la soupape 9 des gaz de recyclage, du clapet de réglage 11 et des paramètres " injection " de l'injecteur 5. L'unité de commande 17 contrôle l'intensité de la turbulence de l'air de combustion et le paramètre,, injection " et donc l'homogénéisation optimale du mélange carburant / air dans la chambre de combustion 4, en fonction du régime. A chaque régime, on optimise le débit de recyclage des gaz d'échappement au moyen d'une soupape de commande 9 du recyclage des gaz d'échappement, grâce à quoi le gaz d'échappement est mélangé avec de l'air frais dans une certaine proportion, de manière à avoir un rapport carburant / combustible souhaité dans la chambre de combustion 4. L'alimentation en gaz d'échappement recyclé refroidi ainsi que la commande du mouvement de l'air dans la chambre de combustion io (turbulence du flux 14) et la quantité de carburant injectée sont ajustées à chaque régime du moteur à combustion interne à leurs valeurs optimales, pour que la proportion d'air soit proche de la proportion d'air stoechiométrique. Grâce à l'homogénéisation du mélange, on peut atteindre des niveaux bas d'oxydes d'azote et d'émissions particulaires. La fig. 2 est une représentation graphique de la variation de l'intensité du flux turbulent Dr en fonction de l'angle d'ouverture ac du clapet de réglage 1il dans la conduite d'admission 6. Lorsque le clapet de réglage est complètement ouvert (position 1), I'influence du clapet de réglage 1 1 sur le flux d'air de combustion est faible et le flux de l'air de combustion va entrer dans la chambre de combustion avec une turbulence réduite. Avec l'augmentation de l'angle oc, la turbulence Dr varie pour un régime donné suivant une courbe de commande sensiblement linéaire. Avec la fermeture du clapet 1 1 (position Ill), on obtient la turbulence Dr maximum. Ce procédé selon l'invention permet une commande de moteurs à combustion interne du type diesel fonctionnant avec une proportion d'air proche de proportion stoechiométrique, ce qui permet de diminuer à un minimum l'émission des particules et des oxydes d'azote. Le moteur à combustion interne du type diesel va fonctionner au moins dans une certaine région avec un mélange homogène, étant entendu qu'il est 2814776 possible de passer à une combustion hétérogène conventionnelle du moteur diesel. Grâce au fait que l'unité de commande 17 pourvue de la mémoire 18 contrôle le centre de gravité de la conversion par combustion dans la chambre de combustion par l'ajustement, en fonction du régime, du moment de l'injection, de la proportion d'air et de sa turbulence, on peut réduire les émissions nocives. Les fenêtres de temps préférées pour l'injection sont représentées schématiquement sur la fig. 3. La majeure partie du carburant administré par cycle de fonctionnement est introduite lors d'une injection principale HE dans la chambre de combustion, le commencement de l'injection se produisant entre environ 30 et 40 KW (degrés vilebrequin) avant le point mort supérieur (PMHA) du mouvement du piston et environ 10 - 20 KW (degrés vilebrequin) après le point mort supérieur (PMHA), mais avant que l'auto-allumage ne se termine. Pour assurer une postcombustion des gaz d'échappement non brûlés, comme par exemple les hydrocarbures, I'oxyde de carbone et les particules, on peut effectuer une post injection NE décalée dans le temps après l'injection principale, au cours de laquelle on administre une quantité moindre que dans l'injection principale HE. La postinjection commence entre 0 KW et environ 30 à 40 KW après la fin de l'injection principale et elle initie une postcombustion. il 2814776 Revendications 1. Procédé pour la commande d'un moteur à combustion de type diesel, o un injecteur (5) injecte directement du carburant dans une chambre de combustion (4) délimitée par un cylindre (2) et brûle avec de l'air de combustion introduit séparément, o une unité de commande (17) permet de contrôler au moins un paramètre influant sur la formation du mélange combustible/air en fonction du régime du moteur à combustion interne (1) au moins dans certaines parties critiques du cycle du moteur à combustion interne (1) pour que, au plus tard au moment de l'auto- allumage, un mélange sensiblement homogène soit constitué dans la chambre de combustion (4), caractérisé en ce que l'air de combustion entre dans la chambre de combustion avec un flux turbulent (14) progressant autour de l'axe longitudinal (19) du cylindre (2) de la chambre de combustion, lequel flux turbulent peut être ajusté par un organe de réglage, et en ce que l'unité de commande (17) ajuste, de manière interdépendante, le processus d'injection du carburant et l'intensité du flux turbulent (14). 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'introduction du combustible devant brûler se fait lors de la phase de travail de chaque cylindre (2) par une injection principale (HE). 3. Procédé selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que l'unité de commande (17) détermine le point d'injection du carburant et la quantité injectée de celui-ci. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que le carburant à injecter est injecté sensiblement en une opération d'injection continue de l'injecteur (5). 12 2814776 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'injection du carburant se fait dans une fenêtre de temps entre environ 40 KW (degrés vilebrequin) avant le point mort haut et environ 20 KW (degrés vilebrequin) après le point mort haut. 6. Procédé selon l'une des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que l'injection du carburant est suivie par une post-injection décalée dans le temps, lors de laquelle une portion plus petite de la dose à injecter est injectée, que lors de l'injection principale. 7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'intensité de la turbulence du flux turbulent (14) est ajustée par un clapet de réglage (11) dans au moins une conduite d'admission (6) de chaque cylindre (2). 8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'un rapport prédéterminé d'air dans le mélange carburant / air dans la chambre de combustion (4) est assuré par un recyclage ajustable des gaz d'échappement dans la conduite d'admission (6). 9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que la proportion d'air est fixée pour chaque régime. 10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'au moins dans certaines plages de fonctionnement du moteur à combustion interne, la proportion d'air est fixée pour être proche de la proportion stoechiométrique. 11. Procédé selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que l'unité de commande fixe le point de conversion principal dans la combustion en fixant le point d'injection, I'intensité de la turbulence (Dr) du 13 2814776 flux (14) et la proportion d'air à une valeur prédéterminée en fonction du régime. 12. Procédé selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que l'unité de commande (17) contrôle le déroulement de la combustion et le gradient de pression dans la chambre de combustion (4) en fonction du régime, en ajustant la proportion d'air et l'intensité de la turbulence (Dr).