Brevet FR2841940A1 — publié le 20040109

Procédé de commande d'injecteur d'un moteur à allumage par compression à rampe commune. L'invention concerne un procédé de commande d'injecteur d'un moteur à allumage par compression, en particulier pour les moteurs à rampe commune sous haute pression permettant d'optimiser les contraintes d'émissions de bruit et de polluants. On connaît des injecteurs de carburant pour les moteurs, alimentés par une rampe commune sous une pression de source Ps très haute, par exemple jusqu'à 1600 bars. Dans ces injecteurs, une aiguille comporte une extrémité conique et coopère avec un siège pour obturer ou libérer le passage du carburant vers un gicleur. Dans un mode particulier de réalisation, tel que dévoilé par le document WO 00/55490, le mouvement de l'aiguille est commandé par une différence de pression axiale exercée par le carburant sur des surfaces de l'aiguille. Plus précisément, l'aiguille comporte une collerette du côté de l'extrémité conique, la collerette et une partie de l'extrémité conique de l'aiguille étant soumises à la pression du carburant avant le passage dans le gicleur. Par ailleurs, l'autre extrémité de l'aiguille est soumise à la pression du carburant régnant dans une dérivation en provenance d'un tube issu de la rampe commune pour l'amenée du carburant. La dérivation communique avec le tube par un orifice restreint. De plus, une vanne permet de relier sur commande la dérivation à une canalisation de retour du carburant. Ainsi, lorsque la vanne est ouverte, une fuite de carburant est établie entre le tube et la canalisation. Du fait de l'orifice restreint, la pression dans la dérivation chute à un niveau nettement inférieur à celle dans le tube. La force résultante de cette pression sur l'aiguille diminue donc et l'équilibre des forces sur la collerette et sur l'extrémité de l'aiguille est modifié de telle sorte que, après un délai de commutation après l'ouverture de la vanne, l'aiguille quitte le siège. Le passage du carburant est donc possible et l'injection a lieu. Lorsque la vanne se referme, la fuite est arrêtée et la pression dans la dérivation remonte et provoque le mouvement de l'aiguille contre le siège, ce qui termine l'injection de carburant. Dans un moteur à allumage par compression, de l'air d'admission est comprimé dans un cylindre avant que l'injecteur ne pulvérise du carburant dans le cylindre. Lors de la compression, l'air s'échauffe pour atteindre des conditions de température et de pression auxquelles le carburant injecté dans la chambre s'enflamme spontanément. Dès le début de l'injection, le carburant est pulvérisé sous forme de gouttelettes qui se vaporisent. Le carburant à l'état gazeux se mélange avec l'air en mouvement dans le cylindre. Dès qu'une fraction de volume comporte un mélange d'air et de carburant dans des proportions proche du rapport stoechiométrique, l'autoinflammation se produit dans ce volume et la combustion se propage à l'ensemble du carburant pulvérisé dans le cylindre. Ensuite, la combustion est concentrée autour du jet de carburant injecté jusqu'à la fin de la phase d'injection. La formation d'une fraction de volume o se produit l'auto-inflammation n'est pas immédiate et se produit pendant un délai avant l'autoinflammation, dit délai d'auto-inflammation. Ledit délai d'auto5 inflammation dépend essentiellement des conditions de pression et de température dans le cylindre, et du mouvement de l'air. L'autoinflammation est une source de bruit pour les moteurs Diesel. Le niveau sonore est d'autant plus important que la quantité de carburant injecté avant l'auto-inflammation est importante. Une solution pour réduire ce bruit est donc de diminuer le débit de carburant injecté, ou taux d'introduction, pendant le début de la phase d'injection. Il est possible de réduire le taux d'introduction de manière uniforme pendant toute la durée de l'injection. Cependant, comme la durée d'injection est limitée, la limitation du taux d'introduction revient à limiter la puissance du moteur. On connaît par le document US 4,333,436 un système d'injection de carburant dans lequel le taux d'introduction du carburant peut être contrôlé pendant la phase d'injection. Cependant, ce système ne s'applique pas aux systèmes d'injection à rampe commune. Par ailleurs, une autre contrainte pour les moteurs est de réduire les émissions polluantes. En particulier, pour les moteurs Diesel à rampe commune, il est souhaitable d'augmenter la pression de rampe pour l'alimentation des injecteurs en carburant, de telle sorte que le carburant est injecté en formant de très fines gouttelettes, ce qui réduit la masse totale des particules émises. Cette contrainte est donc contradictoire avec celle du niveau sonore. C'est donc un objectif de l'invention de proposer un procédé d'injection de carburant permettant d'obtenir, pour un moteur à allumage par compression à rampe commune, un faible niveau d'émission de polluants et un faible niveau sonore lors de l'auto-inflammation. Avec cet objectif en vue, l'invention a pour objet un procédé de commande d'un dispositif d'injection de carburant pour un moteur à allumage par compression, le dispositif comportant un injecteur de carburant, un tube pour alimenter l'injecteur en carburant, une aiguille mobile entre une position d'ouverture et une position de fermeture de l'injecteur, une vanne commandant une fuite de carburant pour faire chuter une pression de commande de l'aiguille en dessous d'un seuil de pression de commutation, le tube étant alimenté en carburant sous une pression de source, caractérisé en ce que: - en dehors des phases d'injection, on pilote de courtes ouvertures de la vanne à une fréquence d'excitation pour créer un phénomène oscillatoire de la pression dans le tube autour de la pression de source, la durée des ouvertures étant inférieure à un délai prédéterminé nécessaire pour que la pression de commande atteigne la pression de commutation, - on pilote le début de l'injection du carburant à un instant o la pression dans le tube est inférieure à la pression de source. L'ouverture de la vanne en dehors de la phase d'injection crée un débit de fuite à travers le tube et une chute de pression. Une onde est ainsi créée et se propage dans le carburant contenu dans le tube, selon la célérité caractéristique du carburant. L'onde est réfléchie au raccord du tube sur la rampe commune et revient vers l'injecteur. En excitant ces oscillations en phase avec la fréquence propre du carburant contenu dans une ligne hydraulique comprenant le tube, le phénomène oscillatoire est créé et amplifié jusqu'à une amplitude dont la limite est déterminée par la viscosité du fluide et les pertes d'énergie par amortissement du mouvement. L'injection est réalisée sur une période pendant laquelle la pression est inférieure à la pression de source, ce qui permet de réduire le taux d'introduction de carburant pendant le début de l'injection, donc pendant le délai d'autoinflammation. La quantité de carburant injecté avant l'auto-inflammation est réduit, et le bruit généré par le moteur est donc réduit. Par contre, lors de la poursuite de l'injection, la pression moyenne est proche de la pression de source, et donc le taux d'introduction moyen est préservé. La puissance maximale du moteur est donc conservée. De même, le taux d'émission de polluant est proche de celui déterminé par la pression de source. Grâce à l'invention, il est possible de réduire le niveau sonore à l'autoinflammation tout en conservant le même niveau d'émission de polluants et la même puissance du moteur. Selon un autre choix de paramètres du moteur, il est possible d'augmenter la pression de source pour diminuer le taux d'émission de polluants tout en conservant le même niveau sonore à l'auto-inflammation. La fréquence d'excitation est de préférence une fréquence sous-multiple de la fréquence de résonance du dispositif comprenant le tube. Avantageusement, la fréquence d'excitation est la fréquence de résonance. La mise en résonance est alors la plus rapide. De manière préférentielle, on pilote les petites ouvertures de la vanne à partir d'un instant précédant l'injection d'une durée prédéterminée comportant un nombre entier de périodes pleines. Ainsi, comme la première demi-période est une phase de chute de pression, la pression est également inférieure à la pression de source à l'instant de début de l'injection. Grâce à cette caractéristique, le début de l'injection a lieu à un instant choisi par rapport au phénomène oscillatoire. L'invention a aussi pour objet un dispositif d'injection de carburant pour un moteur à allumage par compression, le dispositif comportant une unité de commande d'injecteurs, au moins un injecteur de carburant, un tube pour alimenter l'injecteur en carburant, une aiguille mobile entre une position d'ouverture et une position de fermeture de l'injecteur, une vanne commandant une fuite de carburant pour faire chuter une pression de commande de l'aiguille en dessous d'un seuil de pression de commutation, le tube étant alimenté en carburant sous une pression de source, caractérisé en ce que l'unité de commande des injecteurs comporte des moyens pour mettre en oeuvre le procédé précédemment décrit. L'invention sera mieux comprise et d'autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, la description faisant référence aux dessins annexés parmi lesquels: - la figure 1 est un diagramme temporel des commandes de la vanne et l'injection selon l'invention; - la figure 2 est un diagramme temporel de la pression dans l'injecteur après l'établissement du phénomène oscillatoire; - la figure 3 est un diagramme temporel de la pression dans l'injecteur pendant l'injection selon l'art antérieur et selon l'invention; - la figure 4 est un diagramme temporel de la comparaison des pressions selon le diagramme de la figure 3; - la figure 5 est un diagramme temporel des débits pendant l'injection selon l'art antérieur et selon l'invention; - la figure 6 est la différence de quantité de carburant injecté entre les procédés selon l'art antérieur et l'invention. Le procédé de commande selon l'invention est mis en oeuvre sur un dispositif identique à celui de l'art antérieur, tel que dévoilé par exemple par le document WO 00/55490. Seul le fonctionnement est modifié. La description du dispositif n'est pas répétée ici. Selon le procédé de l'invention, de petites ouvertures de la vanne sont commandées à une fréquence qui est la fréquence de résonance du carburant contenu dans la ligne hydraulique qui s'étend depuis le raccordement du tube sur la rampe jusqu'à l'aiguille de l'injecteur. La fuite créée laisse s'échapper du carburant, qui retourne au réservoir par la canalisation de retour. La fréquence de résonance est déterminée essentiellement par les caractéristiques géométriques de la ligne hydraulique, en particulier sa longueur, et les caractéristiques du carburant, en particulier la célérité du son dans le carburant. La pression du carburant est en particulier un facteur influant la célérité. La durée des ouvertures est inférieure au délai de commutation, de telle sorte que l'ouverture de l'injecteur n'est pas commandée. A titre d'exemple, lorsque le moteur fonctionne à 4000 tr/min, pour un cylindre donné, une injection est réalisée à des intervalles de 30 ms. La fréquence de résonance est de l'ordre de 1000 Hz, et la durée d'ouverture est de 100 à 200 lls. Ces valeurs correspondent à une géométrie et des caractéristiques classiques d'un système d'injection. La figure 1 montre un diagramme dont une courbe 1 figure l'ouverture de l'injecteur, et une courbe 2 montre l'ouverture de la vanne. A chaque ouverture de la vanne, une onde de dépression est créée dans la ligne hydraulique. Cette onde oscille dans le tube et est amplifiée à chaque ouverture de la vanne. Après 8 à 10 ouvertures de la vanne, on constate que le maximum d'amplitude des oscillations est atteint. La phase d'établissement du phénomène oscillatoire dure de l'ordre de 8 à 10 ms. Le début des oscillations est synchronisé avec début de la phase d'injection pour que l'ouverture de l'aiguille soit effectuée lorsque la pression dans le tube est inférieure à la pression de source Ps. Sur la figure 2, la pression P dans l'injecteur en aval de l'aiguille est représentée en fonction d'une échelle de temps T qui s'étend d'une période avant le début théorique de l'injection Ti et jusqu'après la fin théorique de l'injection Tf selon le procédé de l'invention. La pression représentée par la courbe 10 est la pression qui règne dans l'injecteur en l'absence d'injection, après l'installation du phénomène oscillatoire. Un segment 11 s'étend de l'instant Ti à l'instant Tf pour symboliser la durée Di de l'injection. On remarque que le segment 11 s'étend sensiblement sur une période du phénomène oscillatoire de la pression P. Avec les valeurs numériques citées précédemment, cette durée est de l'ordre de 1 ms. Le graphique de la figure 3 permet de mettre en évidence les pressions P dans l'injecteur avec ou sans le phénomène oscillatoire. Un segment 21 s'étend de l'instant Ti à l'instant Tf pour symboliser la durée Di de l'injection. La courbe 22 montre la pression P présente classiquement sans le phénomène oscillatoire, tandis que la courbe 20 montre la pression avec la mise en oeuvre du procédé selon l'invention. La courbe 22 présente un palier 220 à la pression de source Ps, par exemple 1000 bars, jusqu'à un instant Tv o la vanne de commande s'ouvre. La pression P chute légèrement jusqu'à l'instant Ti o l'aiguille passe de la position de fermeture à la position d'ouverture et permet l'injection de carburant. Le délai de commutation est donc la différence Ti-Tv. L'injection selon le procédé de l'invention se poursuit jusqu'à un instant Tfa, non représenté, o l'aiguille passe de la position d'ouverture à la position de fermeture pour arrêter l'injection de carburant. Cet instant Tfa précède légèrement l'instant Tf pour que les quantités de carburant injecté soient identiques selon les procédés de l'art antérieur et de l'invention. Par comparaison, la courbe 20 présente une oscillation avant que l'aiguille ne passe en position d'ouverture à l'instant Ti. A cet instant, la pression P est en phase de décroissance et passe au-dessous de la pression de source Ps. La pression chute également pendant l'injection de carburant plus rapidement que dans le cas précédent. L'aiguille repasse en position de fermeture à l'instant Tf. L'auto-inflammation se produit à un instant Ta, de l'ordre de 0,5 ms après le début de l'injection. La comparaison entre les courbes 20 et 22 est mise en évidence sur le graphique de la figure 4, sur lequel on a représenté la courbe 30 représentant la différence DP entre la courbe 20 et la courbe 22. Un segment 31 s'étend de l'instant Ti à l'instant Tf pour symboliser la durée Di de l'injection. Des oscillations apparaissent jusqu'à l'instant Ti. Pendant la phase d'injection, représentée par le segment 31, la différence de pression DP présente également des oscillations sur une période, même si il ces oscillations sont plus faibles que celles présentes avant le début de l'injection Ti. Au début de l'injection, on constate que la différence de pression DP est négative, ce qui signifie que la pression en appliquant le procédé selon l'invention est plus basse que selon l'art antérieur. La conséquence de cette différence de pression sur le débit de carburant injecté est mise en évidence par le diagramme de la figure 5. Un segment 41 s'étend de l'instant Ti à l'instant Tf pour symboliser la durée Di de l'injection. Une courbe 40 représente le taux d'introduction D (ou débit) selon le procédé de l'art antérieur. Cette courbe a la forme d'une cloche entre les instants Ti et Tfa et dont la pente ascendante et la pente descendante sont déterminées par la vitesse de commutation de l'aiguille d'injecteur et le niveau de pression dans l'injecteur. Une courbe 42 représente le taux d'introduction (ou débit) dans le cas du procédé selon l'invention. Cette courbe 42 a également une forme en cloche entre les instants Ti et Tf, mais avec un débit moindre pendant la phase ascendante, au début de l'injection, d à la moindre pression dans l'injecteur. Une courbe 43 représente la différence du taux d'introduction selon l'invention et du taux d'introduction selon l'art antérieur. On constate que cette différence est négative au début de l'injection, pour redevenir positive jusqu'à la fin de l'injection. La conséquence de cette différence de débit est montrée sur la figure 6. Une courbe 50 représente la différence de quantité de carburant injecté DV entre les procédés selon l'invention et selon l'art antérieur. Un segment 51 s'étend de l'instant Ti à l'instant Tf pour symboliser la durée Di de l'injection. Au final, la différence de quantité de carburant injecté est sensiblement nulle. Par contre, comme le débit est moindre en début d'injection dans le cas du procédé selon l'invention, la quantité de carburant injecté avant l'instant d'auto-inflammation Ta est moindre. On obtient ainsi une réduction du bruit d'auto-inflammation, tout en conservant la même quantité de carburant injecté. REVENDICATIONS 1. Procédé de commande d'un dispositif d'injection de carburant, le dispositif comportant un injecteur de carburant, un tube pour alimenter l'injecteur en carburant, une aiguille mobile entre une position d'ouverture et une position de fermeture de l'injecteur, une vanne commandant une fuite de carburant pour faire chuter une pression de commande de l'aiguille en dessous d'un seuil de pression de commutation, le tube étant alimenté en carburant sous une pression de source (Ps), caractérisé en ce que: - en dehors des phases d'injection, on pilote de courtes ouvertures de la vanne à une fréquence d'excitation pour créer un phénomène oscillatoire de la pression dans le tube autour de la pression de source (Ps), la durée des ouvertures étant inférieure à un délai prédéterminé nécessaire pour que la pression de commande atteigne la pression de commutation, - on pilote le début de l'injection du carburant à un instant (Ti) o la pression dans le tube est inférieure à la pression de source (Ps). 2. Procédé de commande selon la revendication 1, caractérisé en ce que la fréquence d'excitation est une fréquence sous-multiple de la fréquence de résonance du dispositif comprenant le tube. 3. Procédé de commande selon la revendication 2, caractérisé en ce que la fréquence d'excitation est sensiblement la fréquence de résonance. 4. Procédé de commande selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on pilote les ouvertures de la vanne à partir d'un instant précédant l'injection d'une durée prédéterminée comportant un nombre entier de périodes pleines. 5. Dispositif d'injection de carburant pour un moteur à allumage par compression, le dispositif comportant une unité de commande d'injecteurs, au moins un injecteur de carburant, un tube pour alimenter l'injecteur en carburant, une aiguille mobile entre une position d'ouverture et une position de fermeture de l'injecteur, une vanne commandant une fuite de carburant pour faire chuter une pression de commande de l'aiguille en dessous d'un seuil de pression de commutation, le tube étant alimenté en carburant sous une pression de source (Ps), caractérisé en ce que l'unité de commande des injecteurs comporte des moyens pour mettre en oeuvre le procédé selon l'une des revendications 1 à 4 pour chaque injecteur.