Brevet FR2835881A1 — 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, un dispositif d'injection de carburant dans la chambre de combustion, et des moyens de contrôle du dispositif d'injection, 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, 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, et une phase de compression pendant laquelle le volume de la chambre de combustion diminue et les soupapes d'admission et d'échappement sont fermées, la phase de compression se terminant par la combustion du carburant, les moyens de contrôle commandant l'injection d'une première quantité de carburant sensiblement au point mort haut admission, et l'injection d'une seconde quantité de carburant à la fin de la phase de compression. Des moteurs de ce type sont connus de l'art antérieur, en particulier par le brevet européen EP0767303, qui révèle un moteur dans lequel les première et seconde quantités de carburant représentent chacune 50% de la quantité totale de carburant à injecter. La première quantité est injectée au début de la phase d'admission et forme avec l'air frais un mélange dit appauvri. Ce mélange appauvri est homogénéisé et comprimé pendant la phase de compression et se consume quand la pression dépasse un seuil, quand la pression dépasse un seuil, avant l'injection de la seconde quantité de carburant. Les gaz chauds résultant de la combustion de la première quantité de carburant réchauffent la seconde quantité de carburant avec que celle-ci ne se consume à son tour. Cette stratégie d'injection de carburant permet de diminuer la formation de suies et de NOx car le mélange air carburant est plus homogène pendant la combustion que si tout le carburant était injecté en fin de phase de compression. On sait en effet que des richesses locales élevées en carburant au moment de l'auto inflammation du mélange conduisent à la formation de suies et de Nox. La première quantité de carburant, injectée en phase admission, forme avec l'air un mélange bien homogène pendant la phase de compression. Par ailleurs, les gaz à haute température résultant de la combustion de la première quantité de carburant réchauffent la seconde quantité de carburant au moment de son injection, permettant ainsi une meilleure dispersion de ce carburant dans la chambre. Ce phénomène permet de limiter la quantité de suies et de NOx formés par la combustion de la seconde quantité de carburant. Ce moteur présente néanmoins des défauts. D'abord parce que les deux quantités de carburant subissent des combustions successives, ce qui est moins favorable que des combustions simultanées. En effet, la première combustion se déroulant avant le point mort haut combustion, produit un travail négatif qui diminue le rendement énergétique du moteur. Par ailleurs, il est difficile d'optimiser à la fois les conditions de combustion de la première quantité de carburant et de la deuxième quantité de carburant, des conditions optimum de combustion pour la première quantité de carburant ne conduisant pas forcément, après combustion, à des conditions optimum pour la seconde quantité. Le rendement énergétique du moteur est alors moins bon. La présente invention vise à pallier les problèmes ci-dessus. A cette fin, le moteur de l'invention, par ailleurs conforme à la définition générique qu'en donne le préambule ci-dessus, est essentiellement caractérisé en ce que la première quantité de carburant est inférieure à la seconde quantité, et en ce que la première quantité n'est pas suffisante pour provoquer une combustion du carburant avant injection de la seconde quantité. Dans un mode de réalisation possible de l'invention, la première quantité de carburant est injectée dans un intervalle compris entre moins vingt degrés vilebrequin et plus vingt degrés vilebrequin par rapport au point mort haut admission. Avantageusement, les soupapes d'échappement peuvent être en position ouverte au moment de l'injection de la première quantité de carburant. De préférence, les soupapes d'échappement peuvent être fermées après le point mort haut admission pour permettre la réaspiration d'une partie des gaz de combustion. Par exemple, la première quantité de carburant peut être injectée dans la chambre de combustion en plusieurs charges successives. Avantageusement, la seconde quantité de carburant peut être injectée dans la chambre de combustion en plusieurs charges successives. De préférence, la première quantité de carburant peut représenter au plus 20 % de la somme des première et deuxième quantités. 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, - la figure 2 est une représentation graphique de la position des soupapes pendant les quatre phases de fonctionnement du cylindre pour un premier mode de réalisation de l'invention, 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, les petite et grande seringues marquant respectivement les points d'injection des première et seconde quantité de 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, un dispositif d'injection 40 de carburant dans la chambre de combustion 20, et des moyens de contrôle 50 du dispositif d'injection 40. Le piston 30 se déplace 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 21 des gaz de combustion du carburant et des soupapes d'admission 22 d'air frais. Le piston 30 peut indifféremment comprendre ou ne pas comprendre un bol. 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. 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 22 sont ouvertes. Les soupapes d'échappement 21 sont fermées 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. Les soupapes d'admission 22 sont fermées. Le piston 30 se trouve en fin de phase d'échappement E à un point mort haut admission PMHA. Les moyens de contrôle 50 commandent l'injection d'une première quantité 61 de carburant sensiblement au point mort haut admission PMHA, et l'injection d'une deuxième quantité 62 de carburant à la fin de la phase de compression C. Le dispositif d'injection 40 injecte le carburant typiquement directement dans la chambre de combustion 20. Selon l'invention, la première quantité 61 de carburant est inférieure à la seconde quantité 62, et cette première quantité 61 n'est pas suffisante pour provoquer une combustion du carburant avant injection de la seconde quantité 62. Cette première quantité 61 représente au plus 20 % de la quantité totale de carburant injectée. La première quantité de carburant 61 est injectée dans un intervalle de temps compris entre moins vingt degrés vilebrequin et plus vingt degrés vilebrequin par rapport au point mort haut admission PMHA. Cette première quantité de carburant 61 est injectée dans la chambre de combustion 20 alors que des gaz de combustion chauds s'y trouvent encore. La première quantité 61 se réchauffe donc au contact de ces gaz et va donc se disperser et se vaporiser partiellement au contact des gaz de combustion résiduels. Comme le montre la figure 2, les soupapes d'échappement 21 sont en position ouverte au moment de l'injection de la première quantité de carburant. Les soupapes d'échappement 21 se ferment après le point mort haut admission PMHA, typiquement trente degrés vilebrequin après le point mort haut admission PMHA. Les soupapes d'admission 22 s'ouvrent typiquement quinze degrés vilebrequin avant le point mort haut admission PMHA. Du carburant, vaporisé au contact des gaz de combustion, peut donc s'échapper de la chambre de combustion 20 à travers les soupapes d'échappement 21 et d'admission 22. Quand le piston 30 quitte le PMHA pour commencer son mouvement dans le premier sens, en début de phase d'admission A, ces vapeurs de carburant sont réaspirées dans la chambre de combustion 20. Comme on peut le voir sur la figure 2, les soupapes d'échappement et d'admission 21 et 22 sont ouvertes simultanément pendant un intervalle de temps, ce qui permet de satisfaire les besoins en air du moteur dans des conditions de pleine charge. Si la première quantité de carburant 61 était injectée avant moins vingt degrés vilebrequin par rapport au point mort haut admission PMHA, une quantité importante de vapeur de carburant pourrait être entraînée à travers les soupapes d'échappement 21. A l'inverse, si la première quantité de carburant 61 était injectée après plus vingt degrés vilebrequin par rapport au point mort haut admission PMHA, la quantité de gaz de combustion chaud résiduels dans la chambre de combustion serait trop faible, l'échauffement de la première quantité 61 de carburant ne serait pas suffisant et le carburant injecté risquerait d'impacter les parois du cylindre. C'est le cas en particulier des pistons à bol, le carburant n'étant pas injecté dans le bol si l'injection est trop retardée. L'intervalle de moins vingt degrés vilebrequin à plus vingt degrés vilebrequin par rapport au point mort haut admission PMHA est donc un optimum pour l'injection de la première quantité de carburant 61. Dans ce mode de réalisation, il est donc impératif que les soupapes d'échappement 21 se ferment après le point mort haut admission PMHA pour autoriser la réaspiration des vapeurs de carburant dans la chambre de combustion 20. Le carburant est injecté au moment où le piston est proche du point mort haut admission. De ce fait, le carburant injecté n'impacte pas les parois du cylindre. Dans le cas d'un piston à bol, le carburant injecté reste confiné dans le bol du piston. Cet aspect est particulièrement important car on sait que l'impact du carburant liquide sur les parois du cylindre entraîne des problèmes mécaniques, comme par exemple le gommage des 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. Le mélange d'air et de carburant est très homogène, favorisant ainsi la combustion et réduisant la quantité de suies et de NOx formés. Dans le mode de réalisation de l'invention décrit ici, la première quantité 61 de carburant peut être injectée dans le chambre de combustion 20 en une fois ou en plusieurs charges successives. De même, la seconde quantité 62 de carburant peut être injectée dans le chambre de combustion 20 en une fois ou en plusieurs charges successives. On conçoit donc bien que l'invention permet d'obtenir un mélange très homogène carburant/air, sans présenter les défauts des moteurs antérieurs. La première quantité de carburant a le temps de s'homogénéiser avec l'air puisqu'elle est injectée sensiblement au PMHA, mais elle ne s'auto enflamme pas du fait de sa faible richesse. L'injection préalable de la première quantité de carburant est particulièrement avantageuse dans des conditions de fonctionnement où la vitesse d'injection du carburant dans la chambre de combustion est le facteur limitant les performances du moteur, comme par exemple en fonctionnement du moteur à pleine charge. On sait en effet que dans ce cas les conditions stoechiométriques optimum ne peuvent pas être atteintes si le carburant est effet que dans ce cas les conditions stoechiométriques optimum ne peuvent pas être atteintes si le carburant est injecté seulement en fin de phase de compression, la quantité de combustible injectée étant trop faible par rapport à l'air. L'utilisation de l'air présent dans la chambre de combustion et les performances du moteur lui-même sont donc optimisée à tous régimes, ainsi que. Enfin, il faut souligner que la présente invention s'applique à un moteur Diesel, mais peut tout aussi bien s'appliquer à d'autres types de moteurs, comme des moteurs à essence à injection directe. 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), un dispositif d'injection (40) de carburant dans la chambre de combustion (20), et des moyens de contrôle (50) du dispositif d'injection (40), 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), 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, et une phase de compression (C) pendant laquelle le volume de la chambre de combustion (20) diminue et les soupapes d'admission et d'échappement (22, 21) sont fermées, la phase de compression (C) se terminant par la combustion du carburant, les moyens de contrôle (50) commandant l'injection d'une première quantité (61) de carburant sensiblement au point mort haut admission (PMHA), et l'injection d'une deuxième quantité (62) de carburant à la fin de la phase de compression (C), caractérisé en ce que la première quantité (61) de carburant est inférieure à la seconde quantité (62), et en ce que la première quantité (61) n'est pas suffisante pour provoquer une combustion du carburant avant injection de la seconde quantité (62). 2. Moteur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la première quantité (61) de carburant est injectée dans un intervalle compris entre moins vingt degrés vilebrequin et plus vingt 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'échappement (21) sont en position ouverte au moment de l'injection de la première quantité (61) de carburant. 4. Moteur suivant la revendication 3, caractérisé en ce que les soupapes d'échappement (21) sont fermées après le point mort haut admission (PMHA) pour permettre la réaspiration d'une partie des gaz de combustion. 5. Moteur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la première quantité (61) de carburant est injectée dans la chambre de combustion (20) en plusieurs charges successives. 6. Moteur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la seconde quantité (62) de carburant est injectée dans la chambre de combustion (20) en plusieurs charges successives. 7. Moteur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la première quantité (61) de carburant représente au plus 20 % de la somme des première et seconde quantités (61,62).