Brevet FR2835880A1 — publié le 20030815

L'invention concerne en général les moteurs et les stratégies d'injection de carburant permettant d'optimiser le fonctionnement de ces moteurs. Plus précisément, l'invention concerne un moteur, notamment de véhicule automobile, comprenant au moins une chambre de combustion délimitée par une culasse, un piston et un cylindre, et un dispositif d'injection de carburant dans la chambre de combustion, le piston se déplaçant alternativement à l'intérieur du cylindre en faisant varier le volume de la chambre de combustion, la chambre de combustion comprenant des soupapes d'échappement des gaz de combustion et des soupapes d'admission d'air frais, les mouvements du piston dans le cylindre définissant au moins une phase d'échappement pendant laquelle le volume de la chambre de combustion diminue et les soupapes d'échappement et d'admission sont respectivement ouvertes et fermées, le piston se trouvant en fin de phase d'échappement à un point mort haut admission, et une phase d'admission d'air frais pendant laquelle le volume de la chambre de combustion augmente et les soupapes d'échappement et d'admission sont respectivement fermées et ouvertes. Des moteurs de ce type sont connus de l'art antérieur, en particulier par le brevet européen EP1048833, qui révèle un moteur dont dont l'injection s'effectue en quasi totalité lorsque les soupapes d'échappement et d'admission sont ouvertes simultanément pendant une période s'étendant sur la fin de la phase d'échappement et le début de la phase d'admission. Cette période est suffisament longue pour permettre d'injecter la quasi totalité du carburant, ce qui favorise le réchauffement du carburant par les gaz de combustion et donc la vaporisation du carburant et son homogénéisation avec l'air. Pendant la fin de la phase d'échappement, le carburant est réchauffé par les gaz de combustion chauds résiduels se trouvant encore dans la chambre de combustion, et pendant le début de la phase d'admission par les gaz de combustion réaspirés du fait du déplacement du piston. Sans cet allongement, seule une partie du carburant pourrait être injectée avant la fermeture des soupapes d'échappement, le restant du carburant étant injecté à une autre période. L'allongement de la période de croisement permet donc, par aspiration des gaz brûlés via les soupapes d'échappement, un meilleur réchauffement du carburant par une quantité de gaz brûlés plus importante et une réaspiration du carburant qui aurait pu s'échapper par l'échappement. Cette stratégie d'injection de carburant permet de diminuer la formation de suies et de NOx car le mélange air carburant est plus homogène. On sait en effet que des richesses locales élevées en carburant au moment de l'inflammation du mélange conduisent à la formation de suies et de NOx. Ce moteur présente néanmoins des défauts. En effet, la densité des gaz dans la chambre de combustion est faible au moment de l'injection, et, en conséquence, il y a un risque d'impact important du carburant liquide injecté sur les parois de la chambre de combustion générant des conditions défavorables au mélange et à l'homogénéisation du carburant avec l'air. Dans certains arrangements de la position des injecteurs dans la chambre de combustion, il existe des risques d'impact du carburant liquide sur les parois du cylindre pouvant entrainer des problèmes mécaniques et une usure prématurée du cylindre. Dans ce contexte, la présente invention vise à pallier les difficultés mentionnées ci-dessus. A cette fin, l'invention, par ailleurs conforme à la définition générique qu'en donne le préambule cidessus, est essentiellement caractérisée en ce que les soupapes d'échappement sont refermées à un instant proche du PMHA, avant l'ouverture des soupapes d'admission, le carburant étant injecté pendant la période où les soupapes d'échappement et d'admission sont fermées simultanément. Cette caractéristique fait que la pression et la température sont plus importante dans le cylindre au moment de l'injection du carburant du fait de la recompression des gaz brûlés présents dans le cylindre au moment de la fermeture des soupapes d'échappement. Ces conditions plus chaudes et plus denses dans la chambre de combustion au moment de l'injection réduisent la pénétration du carburant sous forme liquide et par là même le risque d'impact sur les parois de la chambre de combustion, favorisant ainsi la formation du mélange. Dans un mode de réalisation possible de l'invention, le carburant est injecté dans un intervalle compris entre moins soixante-dix degrés vilebrequin et plus soixante-dix degrés vilebrequin par rapport au point mort haut admission. De préférence, les soupapes d'admission peuvent être ouvertes au moins soixante-dix degrés vilebrequin après le point mort haut admission, c'est-à-dire après la fin de l'intervalle d'injection. Avantageusement, les soupapes d'échappement peuvent être fermées au moins soixante-dix degrés vilebrequin avant le point mort haut admission, c'est-à-dire avant le début de l'intervalle d'injection. Par exemple, le carburant peut être injecté dans la chambre de combustion en plusieurs charges successives. De préférence, une partie du carburant peut être injectée dans le chambre de combustion pendant pendant la période où les soupapes d'échappement et d'admission sont fermées simultanément, le reste étant injecté dans la chambre de combustion en dehors de cette dite période. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront clairement de la description qui en est donnée ci-dessous, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux figures annexées, parmi lesquelles : - la figure 1 est une représentation schématique du moteur de l'invention, et - la figure 2 est une représentation graphique de la position des soupapes pendant les quatre phases de fonctionnement du cylindre du moteur de la figure 1, l'abscisse étant graduée en degrés vilebrequin et divisée en quatre zones X, E, A et C correspondant respectivement aux phases d'expansion, d'échappement, d'admission et de compression, l'ordonnée représentant le pourcentage d'ouverture des soupapes d'échappement (courbe 1) et d'admission (courbe 2) entre 0 et la valeur maximum, la seringue marquant le point d'injection du carburant. L'invention concerne un moteur, notamment de véhicule automobile, comprenant de manière connue au moins une chambre de combustion 20 délimitée par une culasse 25, un cylindre 10, et un piston 30, et un dispositif d'injection 40 de carburant dans la chambre de combustion 20, le piston 30 se déplaçant alternativement à l'intérieur du cylindre 10 en faisant varier le volume de la chambre de combustion 20. Le moteur comprend typiquement quatre cylindres mais l'invention peut s'appliquer à des moteurs à plus ou à moins de quatre cylindres. La culasse 25 comprend des soupapes d'échappement des gaz de combustion 21 et des soupapes d'admission 22 d'air frais. Le piston 30 peut indifférement comprendre un bol ou ne pas en comprendre. Les mouvements du piston 30 dans le cylindre 10 définissent quatre phases successives. Pendant une première phase d'admission A, l'air frais venant de l'extérieur du moteur pénètre dans la chambre de combustion 20 à travers les soupapes d'admission 22 ouvertes. Les soupapes d'échappement 21 sont fermées. Le piston 30 se déplace dans un premier sens entraînant l'augmentation du volume de la chambre de combustion 20, créant un appel d'air vers cette chambre lorsque les soupapes d'admission sont ouvertes. Pendant une seconde phase de compression C, le piston 30 fait mouvement dans un second sens inverse du premier, et les soupapes d'admission 22 et d'échappement 21 sont fermées. Le volume de la chambre de combustion 20 diminue et la pression et la température dans celle-ci augmentent. La phase de compression C se termine par la combustion du carburant, qui a été injecté préalablement dans la chambre de combustion 20 par le dispositif d'injection 40, comme on le verra plus loin. Le carburant se consume avec l'oxygène de l'air, cette opération produisant des gaz de combustion. Une troisième phase d'expansion X suit la phase de compression C pendant laquelle le piston 30 repart dans le premier sens sous l'effet de l'augmentation de la pression dans la chambre de combustion 20 résultant de la combustion du carburant. Le volume de la chambre de combustion 20 augmente donc, pendant que les soupapes d'admission 22 et d'échappement 21 restent fermées. Enfin, pendant une quatrième phase d'échappement E, les soupapes d'échappement 21 sont ouvertes pendant que le piston 30 se déplace dans le second sens. Les gaz de combustion sont alors chassés de la chambre de combustion 20, dont le volume diminue, par les soupapes d'échappement 21. Le piston 30 se trouve en fin de phase d'échappement E à un point mort haut admission PMHA. Le dispositif d'injection 40 injecte le carburant typiquement directement dans la chambre de combustion 20. Selon l'invention, les soupapes d'échappement 21 sont refermées à un instant proche du point mort haut admission PMHA, avant l'ouverture des soupapes d'admission 22, la totalité ou une partie du carburant étant injecté pendant la période où les soupapes d'échappement 21 et d'admission 22 sont fermées simultanément. Le carburant est injecté dans un intervalle de temps compris entre moins soixante-dix degrés vilebrequin et plus soixante-dix degrés vilebrequin par rapport au point mort haut admission PMHA. Les soupapes d'échappement 21 sont fermées au moins soixante-dix degrés vilebrequin avant le point mort haut admission PMHA, typiquement soixante-dix degrés vilebrequin avant le point mort haut admission PMHA comme le montre la figure 2. Les soupapes d'admission 22 sont ouvertes au moins soixante-dix degrés vilebrequin après le point mort haut admission PMHA, typiquement soixante-dix degrés vilebrequin après celui-ci. Comme les soupapes d'échappement 21 sont fermées tôt, la quantité de gaz de combustion résiduel dans la chambre de combustion 20 est relativement importante, et la pression et la température dans la chambre de combustion 20 au moment de l'injection du carburant sont importantes également. Le carburant injecté est donc rapidement vaporisé, limitant la quantité de liquide impactant les parois de la chambre de combustion. Cet aspect est particulièrement important car on sait que l'impact du carburant liquide sur ces parois entraîne des dépots de carburant liquide qui rendent le mélange avec l'air non homogène, entraînant la formation de NOx et de suies, et des problèmes mécaniques avec certains arrangement de l'injecteur dans la chambre de combustion (gommage de segments). Par ailleurs, le mélange entre le carburant et l'air frais introduit pendant la phase d'admission est favorisé du fait que le carburant est vaporisé. L'ouverture des soupapes d'admission 22 est retardée après le point mort haut admission PMHA de façon à ce que le piston 30 se soit suffisamment déplacé pour faire baisser la pression dans la chambre de combustion 20 et que les gaz de combustion résiduels mélangés au carburant ne soient pas refoulés à travers les soupapes d'admission 22. L'injection du carburant ne doit pas non plus être faite trop tard car les gaz de combustion seraient alors à une pression et une température plus basses, du fait du déplacement du piston 30 et de l'augmentation du volume de la chambre de combustion 20. L'intervalle de moins soixante-dix degrés vilebrequin à plus soixante-dix degrés vilebrequin par rapport au point mort haut admission PMHA est un optimum pour l'injection du carburant. Le carburant peut être injecté dans la chambre de combustion 20 en une fois, pendant la période où les soupapes d'échappement et d'admission 21 et 22 sont fermées simultanément. Le carburant peut également être injecté en plusieurs charges, une charge étant injectée pendant la période où les soupapes d'échappement et d'admission 21 et 22 sont fermées simultanément, la ou les autres étant injectées à d'autres moments. On conçoit donc bien que l'invention permet d'obtenir un mélange très homogène carburant/air, sans présenter les défauts des moteurs antérieurs. L'invention s'applique à des moteurs diesels, mais également à d'autres types de moteurs, par exemple à essence. REVENDICATIONS 1. Moteur, notamment de véhicule automobile, comprenant au moins une chambre de combustion (20) délimitée par une culasse (25), un cylindre (10), et un piston (30), et un dispositif d'injection (40) de carburant dans la chambre de combustion (20), le piston (30) se déplaçant alternativement à l'intérieur du cylindre (10) en faisant varier le volume de la chambre de combustion (20), la chambre de combustion (20) comprenant des soupapes d'échappement (21) des gaz de combustion et des soupapes d'admission (22) d'air frais, les mouvements du piston (30) dans le cylindre (10) définissant au moins une phase d'échappement (E) pendant laquelle le volume de la chambre de combustion (20) diminue et les soupapes d'échappement et d'admission (21, 22) sont respectivement ouvertes et fermées, le piston (30) se trouvant en fin de phase d'échappement (E) à un point mort haut admission (PMHA), et une phase d'admission d'air frais (A) pendant laquelle le volume de la chambre de combustion (20) augmente et les soupapes d'échappement et d'admission (21,22) sont respectivement fermées et ouvertes, caractérisé en ce que les soupapes d'échappement (21) sont refermées à un instant proche du point mort haut admission (PMHA), avant l'ouverture des soupapes d'admission (22), la totalité ou une partie du carburant étant injectée pendant la période où les soupapes d'échappement et d'admission (21,22) sont fermées simultanément. 2. Moteur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le carburant est injecté dans un intervalle compris entre moins soixante-dix degrés vilebrequin et plus soixante-dix degrés vilebrequin par rapport au point mort haut admission (PMHA). 3. Moteur suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les soupapes d'admission (22) sont ouvertes au moins soixante-dix degrés vilebrequin après le point mort haut admission (PMHA). 4. Moteur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les soupapes d'échappement (22) sont fermées au moins soixante-dix degrés vilebrequin avant le point mort haut admission (PMHA). 5. Moteur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le carburant est injecté dans le chambre de combustion (20) en plusieurs charges successives. 6. Moteur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que une partie du carburant est injectée dans le chambre de combustion (20) pendant pendant la période où les soupapes d'échappement et d'admission (21,22) sont fermées simultanément, le reste étant injecté dans la chambre de combustion (20) en dehors de cette dite période.