Brevet FR2833037A1 — publié le 20030606

La présente invention concerne un procédé de fonctionnement d'un moteur à combustion interne à injection directe de carburant. Par la demande de brevet allemand publié avant examen, DE 100 11 624 Al, on connaît un procédé de régulation d'injections multiples, en particulier pour un moteur diesel. Dans le procédé, on prédétermine d'abord pour une injection multiple une quantité de carburant à injecter, correspondant à la puissance souhaitée de la part du moteur. Ensuite, pour chaque processus d'injection individuel, on détermine une quantité partielle de la quantité de carburant prédéterminée et l'on sélectionne les paramètres d'injection à utiliser pour chaque processus d'injection individuel. Les paramètres d'injection tels que le moment de l'injection et la durée de l'injection sont ici modifiés de manière correspondante, sur la base des dégagements calorifiques recherchés. L'exécution des post-injections tardives de manière que le carburant post-injecté ne brûle pas, ou bien uniquement partiellement, dans la chambre de combustion du moteur à combustion interne, sert fréquemment à enrichir les gaz d'échappement avec des composants de carburant imbrûlés, ou bien avec d'autres composants oxydables, ou bien à produire, par une combustion tardive dans la chambre de combustion, des gaz d'échappement très chauds et chauffer de ce fait le dispositif d'épuration des gaz d'échappement pour le porter à la température de fonctionnement. Les composants imbrûlés du carburant peuvent être oxydés dans un catalyseur monté dans le système de gaz d'échappement. Du fait de la chaleur de réaction qui se dégage alors, les composants d'épuration des gaz d'échappement peuvent également être chauffés à la plage de température correspondant à leur efficacité. En outre, les dispositions citées peuvent servir au chauffage par exemple d'un filtre à particules, ou bien d'un catalyseur, à la température nécessaire pour les processus de régénération. Lorsque l'on a des post-injections de carburant, il se pose cependant le problème de minimiser l'émission provoquée de ce fait de substances nocives, telles que de la suie ou des hydrocarbures. Le but de l'injection est de ce fait de mettre à disposition un procédé de mise en oeuvre de l'injection de carburant amélioré du point de vue des émissions de substances nocives. Ce problème est résolu selon l'invention par un procédé de fonctionnement d'un moteur à combustion interne à injection directe de carburant, caractérisé par le fait que l'injection de carburant présente au moins deux injections, les au moins deux injections étant effectuées avec au moins deux pressions d'injection différentes. Selon l'invention, l'injection de carburant présente au moins deux injections qui sont effectuées avec au moins deux pressions d'injection différentes. Chaque injection peut elle-même de nouveau être formée de plusieurs processus d'injection individuels. Il est possible, avec l'exécution d'au moins deux injections, d'influer sur le déroulement temporel de la combustion dans la chambre de combustion du moteur à combustion interne. L'influence concerne, d'une part, le déroulement temporel de l'allure de couple, ou de l'allure de la pression dans le cylindre du moteur à combustion interne, d'autre part, les émissions ou la composition des gaz d'échappement, ainsi que la température de ces gaz d'échappement. Pour assurer l'influence citée, la quantité du carburant à injecter à chaque injection et le début des processus d'injection ainsi que, en plus, selon l'invention, la pression d'injection des injections, doivent être choisis de manière appropriée. L'allure du couple, la température des gaz d'échappement et la composition des gaz d'échappement dépendent, de manière partiellement compliquée, du nombre d'injections ou de processus d'injections individuelles effectuées lors d'une phase de travail, de son début spécifique, de la quantité de carburant chaque fois injectée, ainsi que de la pression d'injection. Avec les progrès accomplis dans le degré de développement des composants et des commandes utilisés pour effectuer l'injection de carburant, on peut utiliser de façon optimale les degrés de liberté en résultant. Selon le but que l'on s'est donné, il peut par conséquent être pertinent et avantageux d'avoir des conditions d'injection de carburant différentes pour les différents processus d'injection. Selon l'invention, la pression d'injection des injections respectives est choisie à une valeur différente et de cette manière en particulier, on influe sur la composition des gaz d'échappement et/ou sur les émissions de substances nocives. Lors d'essais poussés, il s'est avéré que, en liaison avec un moment d'injection approprié, avec la disposition selon l'invention, on peut influer avantageusement spécialement sur l'émission d'hydrocarbures et de particules de suie. Selon un mode de réalisation de l'invention, l'injection de carburant présente une injection principale et une post-injection. Le carburant injecté lors de l'injection principale est brûlé pratiquement complètement dans la chambre de combustion du moteur à combustion interne, ce pourquoi il sert principalement à produire le couple demandé. Lorsque l'on a un moteur à combustion interne fonctionnant en régime pauvre, tel que par exemple un moteur diesel, l'injection principale est de préférence effectuée avec une pression d'injection aussi élevée que possible et, de préférence, est formée d'un processus d'injection individuel mais peuvent également être présentés plusieurs processus d'injection individuels. Lorsque la pression d'injection augmente, on observe une amélioration de l'homogénéisation du mélange air/carburant dans la chambre de combustion, ceci du fait de la meilleure pulvérisation du carburant, faisant qu'on observe une limitation des émissions de suie. La post-injection sert principalement à enrichir les gaz d'échappement en composants oxydables. Dans ce but, on l'effectue si tardivement, que le carburant post-injecté ne peut être brûlé qu'en faible partie dans la chambre de combustion du moteur à combustion interne. Selon le cas d'application, par une commande du débit post-injecté et du moment de post-injection, on effectue un enrichissement plus ou moins fort. Pour, par exemple, effectuer la régénération d'un catalyseur accumulateur d'oxyde d'azote, dans le dispositif d'épuration des gaz d'échappement du moteur à combustion interne, la post-injection est réalisée de préférence de manière que des gaz d'échappement globalement réducteurs soient obtenus. Pour obtenir une augmentation de la température des gaz d'échappement, par une post-oxydation des composants oxydables des gaz d'échappement sur un catalyseur de gaz d'échappement, on ne procède, de préférence, qu'à un enrichissement, d'un degré faisant qu'on obtient globalement des gaz d'échappement qui sont encore oxydants. La post-injection peut alors elle-même être formée de plusieurs processus d'injection individuels. On peut de ce fait simultanément obtenir un chauffage des gaz d'échappement déjà dans la chambre de combustion du moteur à combustion interne et un enrichissement des gaz d'échappement avec un chauffage subséquent, du fait de la ré-oxydation catalytique. Selon un autre mode de réalisation de l'invention, l'injection de carburant présente une pré-injection, en plus de l'injection principale et de la post-injection. Cette pré-injection se déroule temporellement avant une injection principale et sert principalement à homogénéiser le processus de combustion ou l'allure, lui étant liée, de la pression régnant dans la chambre de combustion. Dans ce but, la pré-injection peut également être subdivisée en plusieurs processus d'injection individuels. Selon un autre mode de réalisation de l'invention, la post-injection est effectuée pour une pression d'injection qui est diminuée par rapport à celle de l'injection principale. Du fait de la diminution de pression d'injection, par rapport à celle de l'injection principale effectuée à haute pression d'injection, lors de l'exécution de la post-injection on évite que le carburant alors injecté atteigne les parois des cylindres et, de là, pénètre dans l'huile de lubrification du moteur à combustion interne. Dans le cas d'une pression de postinjection trop élevée, il y a en effet risque que le jet d'injection touche la paroi du cylindre et diminue la capacité lubrifiante du film d'huile de lubrification, ou bien arrive dans la réserve d'huile de lubrification et dilue cette huile de lubrification. Les deux effets diminuent l'effet lubrifiant de l'huile de lubrification, ce qui peut avoir comme conséquence des endommagements du moteur. Il a en outre été constaté que, dans le cas où l'on diminue la pression de post-injection, on peut obtenir une composition plus avantageuse des composants imbrûlés des gaz d'échappement. Selon la pression d'injection, alors par exemple, on craque ou l'on anoxyde les hydrocarbures à chaîne longue d'un carburant pour moteur diesel. Les composants produits sont plus aptes à réagir que les hydrocarbures à chaîne longue, ce qui agit avantageusement sur l'émission en hydrocarbure, et par exemple améliore l'allure de la régénération d'un catalyseur accumulateur d'oxyde d'azote. Selon un autre mode de réalisation de l'invention, la post-injection est effectuée avec une pression d'injection qui est diminuée par rapport à celle de l'injection principale et de la pré-injection. Par une pré-injection effectuée à haute pression par rapport à la post-injection, on obtient également une diminution de la formation des suies, tandis que, par la post-injection effectuée avec une pression relativement faible, on obtient une diminution des émissions d'hydrocarbure. Selon un autre mode de réalisation de l'invention, la post-injection est commencée à un moment correspondant à un angle de vilebrequin de 10 à 1800 après le point mort haut du piston dans la phase de compression. L'indication de l'angle de vilebrequin se réfère au cylindre dans lequel est effectuée la post-injection. Le début de la postinjection tombe ainsi dans la combustion en achèvement ou déjà achevée. Le carburant post-injecté est, pour la majeure partie, anoxydé avec dégagement de chaleur ou craqué thermiquement, sachant que n'est produit aucun couple ou bien seulement un faible couple. En particulier, du fait des différents processus d'injection individuels lors de la post-injection, on peut, à dessein, influer sur le dégagement de chaleur dans la chambre de combustion et sur le type et la quantité de composants oxydables à l'aide desquels on enrichit les gaz d'échappement. Selon un autre mode de réalisation de l'invention, la post-injection présente plusieurs processus d'injection individuels qui sont séparés temporellement les uns des autres. Ce mode de réalisation de l'invention offre des avantages particuliers, lorsque le dispositif d'épuration des gaz d'échappement présente un convertisseur catalytique qui peut oxyder les composants imbrûlés des gaz d'échappement et, en plus, peut chauffer les gaz d'échappement, dans le but de dégager de la chaleur dans la chambre de combustion, par une post-combustion exothermique. On obtient ainsi plus de marge de manoeuvre du point de vue du lieu du dégagement calorifique souhaité. Ainsi, dans le but de la régénération d'un filtre à particules à revêtement catalytique, on peut par exemple obtenir, en tant que constituant du dispositif d'épuration des gaz d'échappement, une partie de l'augmentation de température nécessaire à la régénération par le chauffage des gaz d'échappement dans la chambre de combustion, ceci au moyen d'un processus de post-injection relativement précoce, tandis qu'une autre partie de l'augmentation nécessaire de la température est obtenue par une génération exothermique dans le filtre à particules lui-même, par suite d'une post-oxydation de l'agent réducteur fourni par un processus de post-injection relativement tardif. Selon un autre mode de réalisation de l'invention, les différents processus d'injection individuels de post- injection de la post-injection sont effectués avec des pressions d'injection différentes. Particulièrement avantageusement du point de vue de la composition de l'agent de réduction émis par le moteur à combustion et du point de vue de l'immixtion de carburant dans l'huile de lubrification, ici la pression d'injection du processus d'injection individuel respectif peut donc être diminuée par rapport à la pression de l'injection principale, à un degré d'autant plus grand que ce processus de postinjection spécifique est effectué plus tardivement. On va expliciter plus en détail ci-après l'invention à l'aide d'un dessin et d'exemples afférents. La figure unique représente schématiquement l'allure temporelle de la pression d'injection. L'injection de carburant, caractérisée dans le diagramme de la figure par l'allure de la courbe de pression, comprend dans l'exemple représenté une injection principale et une post-injection, chacune formée d'un processus d'injection individuel. Par rapport à l'injection principale, la pression d'injection de la post-injection est nettement diminuée. L'injection principale est effectuée de préférence à la pression maximale, qui peut être réglée à l'aide de la technique dont on dispose et est, par exemple, supérieure à 1000 bars. Par contre, la pression de post-injection n'est que de quelques centaines de bars. Une limite inférieure approximative de la pression de post-injection peut être indiquée par la valeur d'environ 200 bars. Avec une pression aussi élevée que possible de l'injection principale, on diminue l'émission des suies du fait que le carburant, en particulier en cas d'utilisation de petites ouvertures d'injecteur, est pulvérisé plus finement et qu'on obtient ainsi une combustion plus propre. Grâce à la diminution de la pression d'injection lors de la post-injection, on évite par contre que le jet de carburant touche la paroi du cylindre et qu'il y ait de ce fait une dilution de l'huile de lubrification. En plus, on évite une émission d'hydrocarbure. La raison en réside dans la préparation avantageuse de carburant post-injecté, eu égard au but visé, qui est de produire des composants imbrûlés, mais susceptibles de réagir, des gaz d'échappement. Dans un exemple d'application de cela, le moteur à combustion interne est réalisé en moteur diesel qui présente un dispositif d'épuration des gaz d'échappement muni d'un catalyseur accumulateur d'oxyde d'azote. On peut avec celui-ci également lorsqu'on est majoritairement en régime pauvre du moteur à combustion interne, comme ceci est usuel pour un moteur diesel, épurer les gaz d'échappement pour les débarrasser des oxydes d'azote. Pour cela, le carbonate de baryum, placé par exemple dans le matériau catalyseur du catalyseur accumulateur d'oxyde d'azote, pour un fonctionnement pauvre du moteur à combustion interne, extrait l'oxyde d'azote (NOx) dans les gaz d'échappement qui s'oxydent, avec formation de nitrate de baryum solide. Du fait de l'épuisement, lié à cela, du matériau il est nécessaire, de temps à autre, de procéder à une régénération du catalyseur accumulateur de NOx. Ce que l'on appelle la régénération du nitrate est faite en enrichissant les gaz d'échappement à l'aide de composants d'hydrocarbure à effet réducteur, imbrûlés, en procédant à une post-injection tardive de carburant, de manière à avoir globalement des gaz d'échappement à effet réducteur. Dans ces conditions, le nitrate de baryum formé s'avère chimiquement instable et se décompose de nouveau avec reformation de carbonate de baryum et dégagement de NOx. Ce dernier est principalement réduit, pour donner de l'azote (N2) inoffensif, par les agents de réduction (H2, CO et HC), existants alors dans les gaz d'échappement, ceci se faisant sur le composant à métal noble appliqué sur le catalyseur accumulateur de NOx. La fourniture d'agent de réduction approprié est alors d'une importance particulière lorsqu'on a de faibles températures de gaz d'échappement. En particulier aux basses températures de gaz d'échappement, pour effectuer une régénération réussie des nitrates, la fourniture de composants réducteurs, aptes à réagir dans les gaz d'échappement, d'une part, est e importante pour obtenir une régénération rapide et aussi complète que possible des nitrates. D'autre part, ceci est important également pour éviter des émissions de substances nocives, par exemple du fait des hydrocarbures incomplètement convertis. Si par exemple, le carburant post-injecté n'est préparé qu'insuffisamment par un choix de conditions de post-injection désavantageuses, les composants réducteurs des gaz d'échappement sont essentiellement formés des molécules d'hydrocarbure à chaîne longue du carburant diesel, qui conviennent mal pour la régénération des nitrates et qui se font remarquer par des émissions de fumée blanche dans les gaz d'échappement. L'abaissement, selon l'invention, de la pression d'injection lors de la post-injection, par rapport à l'injection principale, s'est avéré particulièrement avantageux du point de vue d'une régénération efficace et sans émission des nitrates. Si la post-injection faite dans le but de la régénération des nitrates est subdivisée en plusieurs processus d'injection individuels, par le biais d'une diminution de la pression d'injection on peut simultanément également obtenir tant une augmentation de la température des gaz d'échappement (principalement due à une postinjection relativement précoce avec dégagement de chaleur dans la chambre de combustion du moteur à combustion interne), qu'également la fourniture d'agents de réduction aptes à réagir pour une régénération efficace et sans émission des nitrates (principalement par une postinjection relativement tardive). Le fait d'éviter les émissions, telles que par exemple les fumées blanches, suite à une post-injection de carburant, est important en particulier si on procède à une post-injection de quantité de carburant relativement importante, pour obtenir une forte augmentation de la température des gaz d'échappement. Ceci est nécessaire par exemple si le catalyseur accumulateur d'oxyde d'azote disposé, dans l'exemple cité dessus, dans le dispositif d'épuration des gaz d'échappement, est soumis à une régénération des sulfates. Cette régénération est toujours nécessaire si la capacité d'accumulation en oxyde d'azote du catalyseur accumulateur d'oxyde d'azote a été trop fortement dégradée, par intégration du soufre qui est contenu dans les gaz d'échappement lors de la combustion de carburant à teneur en soufre. L'élimination du soufre, intégré sous la forme de sulfate chimiquement stable, c'est-à-dire la régénération des sulfates demande cependant le réglage simultanée d'une haute température dans les gaz d'échappement ou dans le catalyseur, d'environ 650 C, et demande le réglage d'une composition, au moins par moments, réductrice des gaz d'échappement. Ceci peut être obtenu par la post-injection de quantités de carburant relativement grandes, avec un risque, accru de façon correspondante, d'une émission de substances nocives augmentée à un niveau inadmissible. L'abaissement selon l'invention de la pression d'injection lors de la post-injection, par rapport à l'injection principale, s'est avérée particulièrement avantageuse, également lors de l'exécution d'une régénération efficace et sans émission des sulfates. Dans un autre exemple de réalisation, le moteur à combustion interne est réalisé en moteur diesel, présentant un dispositif épurateur des gaz d'échappement, muni d'un filtre à particules. En particulier pour des moteurs diesel, outre l'élimination des oxydes d'azote, l'élimination des particules hors des gaz d'échappement est également importante. Dans ce but, on dispose différents types de filtre à particules dans le système d'épuration des gaz d'échappement. Ces filtres à particules demandent usuellement également de temps en temps d'être régénérés pour les débarrasser des particules accumulées qui, typiquement, se présentent sous forme de particules de suie. Egalement, le réglage d'une température augmentée, de par exemple plus de 5500C des gaz d'échappement ou du filtre à particules, est nécessaire pour régénérer le filtre à particules. Lorsque l'on a affaire à des gaz d'échappement oxydants, alors les dépôts de suie sont brûlés, faisant qu'on obtient une régénération du filtre à particules. Pour atteindre les températures élevées nécessaires, par exemple par une post-injection de carburant qui peut comprendre plusieurs processus de postinjection individuels, on chauffe les gaz d'échappement, d'une part, directement par un processus de génération exothermique, ceci dans la chambre de combustion, d'autre part, on enrichit les gaz d'échappement avec des composants imbrûlés. Cependant globalement encore, les gaz d'échappement oxydants sont réglés avec un excès d'oxygène. Les composants imbrûlés peuvent de ce fait être oxydés dans un catalyseur installé en aval du filtre à particules ou bien sur le filtre à particules lui-même avec dégagement de chaleur de réaction, ce qui provoque une augmentation supplémentaire de la température. Dans ce cas également, le fait d'éviter des émissions, tel que par exemple une fumée blanche, est particulièrement important du fait des quantités relativement grandes soumises à la post-injection. La diminution de la pression d'injection selon l'invention lors de la post-injection, par rapport à l'injection principale, s'est avérée particulièrement avantageuse également lors de l'exécution d'une régénération, efficace et sans émission, du filtre à particules. La subdivision de l'injection principale et de la préinjection en plusieurs processus d'injection partiels est également en plus avantageuse pour obtenir une allure de combustion régulière et pauvre en substances nocives, évidemment outre le fait de subdiviser la post-injection en plusieurs processus d'injection individuels. Les processus d'injection individuels d'une injection peuvent alors même être effectués de nouveau avec à des pressions différentes. Selon l'invention, cependant également dans ces cas, la post-injection est effectuée à une pression d'injection qui est diminuée par rapport à celle de l'injection principale. Il est évident que la post-injection, effectuée sous une pression d'injection qui est diminuée par rapport à celle de l'injection principale ou de la pré-injection, peut, en cas de besoin, être effectuée en sautant quelques cycles moteurs et non pas dans tous les cylindres d'un moteur à combustion interne à plusieurs cylindres. Bien plus, selon les besoins, on peut effectuer une alternance cyclique des cylindres dans lesquels on procède à la postinjection, ou bien, en plus ou simultanément, la fréquence des post-injections peut présenter une dépendance temporelle, couplée par exemple à une allure de température d'un composant d'épuration des gaz d'échappement. REVENDICATIONS 1. Procédé de fonctionnement d'un moteur à combustion interne à injection directe de carburant, caractérisé en ce que l'injection de carburant présente au moins deux injections, les au moins deux injections étant effectuées avec au moins deux pressions d'injection différentes. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'injection de carburant présente une injection principale et une post-injection. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'injection de carburant présente une pré-injection, une injection principale et une post-injection. 4. Procédé selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que la post-injection est effectuée à une pression d'injection diminuée par rapport à celle de l'injection principale. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que la post-injection est effectuée avec une pression d'injection diminuée par rapport à celle de l'injection principale et de la pré-injection. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que la postinjection est commencée à un moment correspondant à un angle de vilebrequin de 10 à 1800, après le point mort haut du piston dans la phase de compression. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la post-injection présente plusieurs processus d'injection individuels. 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que les processus d'injection individuels de la postinjection sont effectués avec des pressions d'injection différentes.