Brevet FR2853356A1 — publié le 20041008

Moteur à combustion interne à essence et à allumage commandé comprenant un système d'injection à très haute pression L'invention se rapporte à un moteur à combustion interne 5 à essence et à allumage commandé comprenant un système d'injection à très haute pression. L'invention concerne plus particulièrement un moteur à combustion interne à essence et à allumage commandé comprenant au moins un cylindre, une culasse obturant le 10 cylindre, un piston monté coulissant dans le cylindre, une chambre de combustion définie dans le cylindre entre une face supérieure du piston et une face inférieure de la culasse, un moyen d'injection d'essence, un moyen d'allumage destiné à produire une inflammation du mélange air-essence dans la 15 chambre de combustion, des soupapes d'admission et d'échappement obturant sélectivement la chambre de combustion, une pompe d'injection destinée à fournir à l'injecteur de l'essence sous pression. Pour inhiber le phénomène de cliquetis dans un moteur à 20 essence, c'està-dire une auto-inflammation non désirée de la charge dans la chambre de combustion, il est connu de chasser de la chambre de combustion les produits de combustion résiduels de la combustion précédente. Dans le cas d'un moteur à essence à injection directe, cette opération 25 est réalisée par de l'air frais admis à circuler dans la chambre de combustion. Dans le cas d'un moteur à essence à injection indirecte, et notamment dans le cas d'un fonctionnement à puissance maximale, la durée d'injection de l'essence correspond 30 sensiblement à la durée totale du cycle moteur. De ce fait, il n'est pas possible de balayer les produits de combustion interne. Dans le cas d'un moteur à essence à injection directe, pour éviter le phénomène de cliquetis, notamment pour un moteur suralimenté, on est conduit à des réglages d'avance à l'allumage proches du point mort haut combustion (PMH combustion). C'est-à-dire que l'on est conduit à provoquer un allumage relativement tardif dans le cycle de combustion. De 5 ce fait, l'allumage intervient à un moment o la pression dans le cylindre est importante ce qui a des conséquences négatives sur le dimensionnement de la bobine d'allumage (encombrement, masse et coût). Un but de la présente invention est de pallier tout ou 10 partie des inconvénients de l'art antérieur relevés ci-dessus et de proposer un moteur à combustion interne à essence et allumage commandé rejetant une quantité réduite de particules polluantes. A cette fin, le moteur à combustion interne à essence et à 15 allumage commandé selon l'invention, par ailleurs conforme à la définition générique qu'en donne le préambule ci-dessus, est essentiellement caractérisé en ce que la pression de l'essence fournie à l'injecteur dépasse 250 bars et en ce que, au moins dans une plage de fonctionnement du moteur sujette 20 au phénomène de cliquetis, la quantité d'essence délivrée par la pompe à l'injecteur pour un cycle de combustion est fractionnée sous la forme d'une pluralité d'injections partielles et distinctes, et en ce qu'au moins une des injections partielles est délivrée avant l'inflammation de la charge dans la chambre 25 de combustion par le moyen d'allumage, et au moins une injection partielle est délivrée après cette inflammation. Par ailleurs, l'invention peut comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes: - la quantité d'essence injectée avant l'inflammation est 30 comprise entre 5 à 50% de la quantité totale d'essence injectée pour le cycle de combustion concerné, - la quantité d'essence délivrée par la pompe à l'injecteur pour un cycle de combustion comprend, avant l'inflammation de la charge, entre une et dix injections partielles distinctes, - la quantité d'essence délivrée par la pompe à l'injecteur pour un cycle de combustion comprend, après inflammation la charge, entre une et dix injections partielles distinctes, - lorsque le régime du moteur est compris entre 750 et 5 4500 tr./min environ, et de préférence entre 1000 et 4000 tr./min, la quantité d'essence délivrée par la pompe à l'injecteur pour un cycle de combustion est fractionnée la sous la forme d'une pluralité d'injections partielles et distinctes, - lorsque le moteur est dans une page de fonctionnement 10 dite à haut régime, comprise par exemple entre 4000 et 7000 tr./min, la quantité d'essence délivrée par la pompe à l'injecteur pour un cycle de combustion est délivrée sous la forme d'une injection unique ou fractionnée la sous la forme d'une pluralité d'injections partielles et distinctes, - la quantité d'essence délivrée par la pompe à l'injecteur est délivrée sous la forme d'une injection de coutre durée, c'est-à-dire d'une durée comprise entre 100 vilebrequin et 1000 vilebrequin environ, - le moteur a un cycle de combustion à quatre temps ou à 20 deux temps, - le moteur est un moteur à injection indirecte ou directe - la ou les injections partielles injectées avant l'inflammation sont délivrées par la pompe dans un intervalle de temps proche du Point Mort Haut combustion, - la pression de l'essence fournie à l'injecteur est comprise entre 250 et 2500 bars et, de préférence, entre 300 et 2000 bars, D'autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description ci-après, faite en référence aux 30 figures dans lesquelles: - la figure 1 représente une vue en coupe schématique et partielle d'un moteur à injection directe conforme à l'invention, lors d'un premier instant d'un cycle de combustion, - la figure 2 représente le moteur de la figure 1 lors d'un deuxième instant d'un cycle de combustion, - la figure 3 représente une vue en coupe schématique et partielle d'un moteur à injection indirecte de mise en oeuvre de l'invention. L'invention va à présent être décrite dans un mode de 10 réalisation préféré représenté aux figures 1 et 2. Le moteur selon l'invention représenté aux figures 1 et 2 comprend au moins un cylindre 1, une culasse 2 obturant le cylindre 1, un piston 3 monté coulissant dans le cylindre 1. Une chambre de combustion 4 est définie dans le cylindre 1 15 entre une face supérieure 30 du piston 3 et une face inférieure de la culasse 2. Le moteur comprend également un moyen d'injection 5 d'essence, tel qu'une buse ou un injecteur qui débouche dans la chambre de combustion 4. L'injecteur 5 est alimenté par une 20 pompe 8 d'injection destinée à fournir à l'injecteur 5 de l'essence sous pression Un moyen 6 d'allumage tel qu'une bougie plonge également dans la chambre de combustion 4 pour produire une inflammation du mélange air-essence dans la chambre de combustion 4 à un instant déterminé. C'est-à25 dire que le moteur à essence est à injection directe et à allumage commandé. Le moteur comporte également une ou plusieurs soupapes d'admission 7 et une ou plusieurs soupapes d'échappement 8 obturant sélectivement des passages entre la chambre de 30 combustion 4 et, respectivement, un conduit d'admission 9 et un conduit d'échappement 10. Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, la pression de l'essence fournie à l'injecteur 5 dépasse 250 bar, et, au moins dans une plage de fonctionnement du moteur sujette au phénomène de cliquetis, la quantité d'essence délivrée par la pompe 8 à l'injecteur 5 pour un cycle de combustion est fractionnée sous la forme d'une pluralité 5 d'injection partielles et distinctes dont au moins une Il des injections partielles est délivrée avant inflammation la charge et au moins une 13 des injections partielles est délivrée après cette inflammation (cf. figures 1 et 2). Par exemple, aux régimes moteur relativement faibles, 1o tels que ceux compris entre 750 et 4500 tr./min environ, et de préférence entre 1000 et 4000 tr./min la quantité d'essence délivrée par la pompe 8 à l'injecteur 5 pour un cycle de combustion est fractionnée sous la sous la forme d'une pluralité d'injection partielles et distinctes. La demanderesse a constaté qu'une telle injection selon l'invention permet de court-circuiter l'habituel déroulement de la phase de compression du pré-mélange air-essence dans la chambre de combustion, en amont du front de flamme. Le déroulement habituel de la phase de compression du pré20 mélange air-essence (pression température) était susceptible de provoquer auparavant une auto-inflammation spontanée du fait de son temps de résidence important dans la chambre de combustion. Par ailleurs, une telle répartition de l'injection selon 25 l'invention permet, avant l'allumage, une meilleure homogénéisation de la charge dans une partie de la chambre de combustion. Après l'allumage, la seconde salve d'injections partielles 13 à haute pression permet de réaliser rapidement la formation d'un mélange air-essence en amont du front de 30 flamme résultant de la combustion 12 du mélange air-essence préparé lors de la première salve d'injections partielles 11. De ce fait, les risques de cliquetis sont inhibés et un angle d'avance à l'allumage plus important que dans l'art antérieur peut être adopté selon l'invention. Ainsi, l'invention permet un 35 allumage à un moment du cycle ou la pression est moins importante que dans l'art antérieur, ce qui permet d'utiliser une bobine de bougie dimensionnée pour des pressions moins importantes, c'est-à-dire une bobine moins volumineuse et moins coûteuse que dans l'art antérieur. De façon particulièrement avantageuse dans le cas d'un moteur à essence à injection directe, la ou les injections partielles 11 injectée avant inflammation sont délivrée par la pompe 8 dans un intervalle de temps proche du Point Mort Haut combustion. Une telle injection réalise une stratification 10 de la charge à proximité de la bougie 6 qui améliore encore la combustion de l'essence et diminue les émissions de particules et fumées polluantes. Selon une caractéristique avantageuse, la ou les injections partielles 13 délivrée après inflammation sont 15 réalisées de façon à injecter l'essence dans le mélange en combustion 12 résultant de la ou des injections 11 effectuées avant l'allumage. De préférence, la quantité d'essence injectée avant inflammation est comprise entre 20 à 50% de la quantité totale 20 d'essence injectée pour le cycle de combustion concerné. La quantité d'essence injectée après inflammation est donc comprise entre 80 à 50% de la quantité totale d'essence injectée pour le cycle de combustion concerné. Une telle répartition de l'essence injectée confère au moteur des 25 performances élevées du fait d'une combustion améliorée, permettant un niveau réduit d'émission de particules ou fumées. Par exemple, la quantité d'essence délivrée par la pompe 8 à l'injecteur 5 pour un cycle de combustion comprend, avant 30 inflammation la charge, entre une et dix injections partielles distinctes, et de préférence une à cinq injections. De même, la quantité d'essence délivrée par la pompe 8 à l'injecteur 5 pour un cycle de combustion peut comprendre, après inflammation la charge, entre une et dix injections partielles distinctes et de 35 préférence une à cinq injections. La pression de l'essence fournie à l'injecteur 5 est comprise entre 250 et 2500 bars et, de préférence, entre 300 et 2000 bars. Cette injection à haute pression permet une meilleure atomisation du mélange air-essence et une meilleure 5 homogénéisation de la charge, notamment lorsque la pression de l'essence injectée atteint ou excède 500 bar. Cette meilleure atomisation de la charge augmente également le refroidissement de la charge air-carburant du fait de la chaleur latente de vaporisation du mélange au court de 1o l'atomisation. Ceci contribue à améliorer la combustion de la charge et permet d'éviter que les gaz d'échappement n'atteignent des températures trop élevées, susceptibles d'endommager des dispositifs tels que des turbines de turbocompresseur ou des dispositifs de traitement des gaz 15 d'échappement. Selon une autre caractéristique de l'invention, lorsque le moteur est dans une plage de fonctionnement dite à haut régime, comprise par exemple entre 4000 et 7000 tr./min, la quantité d'essence délivrée par la pompe 8 à l'injecteur 5 pour 20 un cycle de combustion est délivrée sous la forme d'une injection unique ou fractionnée sous la sous la forme d'une pluralité d'injection partielles et distinctes. L'injection complète à haut régime est avantageusement une injection de courte durée, c'est à dire d'une durée 25 comprise entre 10 et 100 degrés vilebrequin, et de préférence de l'ordre de 15 à 500 pour un régime moteur compris entre 4000 tr./min et 7000 tr./min environ.. Une telle injection à très haute pression à haut régime permet de générer une aérodynamique et une turbulence au 30 niveau du point d'étincelle et dans le reste de la chambre 4 de combustion, qui accélèrent la phase d'initiation de la charge. Cette accélération de la phase d'initiation diminue la durée de la phase de propagation de la flamme et donc augmente la vitesse de combustion de la charge. Cette vitesse de 35 combustion accrue induit directement une diminution de la pression et de la température des gaz d'échappement expulsés, notamment lors de l'ouverture de la soupape d'échappement. Cette diminution de température d'échappement permet de diminuer l'enrichissement et en conséquence la consommation du moteur. L'injection de l'essence à haute pression permet, de plus, de doter le moteur de conduits d'admission optimisés pour permettre un remplissage rapide du cylindre, au détriment de la génération d'aérodynamique qui sont traditionnellement 1o favorables à la vitesse de combustion. C'est-à- dire que l'invention permet l'utilisation de conduits mous plutôt que des conduits spécialement prévus pour générer des effets dits de tourbillons pour homogénéiser le mélange air-essence. En effet, l'aérodynamique au niveau du point d'allumage 15 nécessaire pour optimiser le rendement de la combustion est généré selon l'invention par l'entraînement de l'air du à l'injection de l'essence à haute pression. L'invention peut s'appliquer à un moteur à deux temps ou à quatre temps, et, comme représenté à la figure 3, à un 20 moteur à injection indirecte. Par soucis de concision, les éléments de la figure 3 identiques à ceux décrits ci-dessus sont désignés par les même références numériques et ne sont pas décrits à nouveau en détail. De plus, par soucis de simplification, les soupapes 25 d'admission et d'échappement ne sont pas représentées à la figure 3. Le moteur à injection indirecte de la figure 3 diffère de celui à injection directe par le fait que l'injecteur 5 est disposé dans la culasse de façon à injecteur l'essence dans le conduit 30 d'admission 9, en amont de la chambre 4 de combustion. Les injections à haute pression selon l'invention détaillées ci-dessus se révèlent particulièrement avantageuses également dans le cas d'un moteur essence à allumage commandé et injection indirecte. En effet, ces injections à haute pression créent des turbulences au niveau du point d'allumage et dans le reste de la chambre 4 de combustion qui accélèrent la phase de propagation de l'inflammation Ceci provoque une augmentation de la vitesse de combustion de la 5 charge et donc une diminution de la pression et de la température des gaz d'échappement expulsés lors de l'ouverture de la soupape correspondante. R E V E N D I C AT 10 N S 1. Moteur à combustion interne à essence et à allumage commandé comprenant au moins un cylindre (1), une culasse (2) obturant le cylindre (1), un piston (3) monté coulissant s dans le cylindre (1), une chambre de combustion (4) définie dans le cylindre (1) entre une face supérieure (30) du piston (3) et une face inférieure (20) de la culasse (2), un moyen d'injection (5) d'essence, un moyen (6) d'allumage destiné à produire une inflammation du mélange air-essence dans la 10 chambre de combustion, des soupapes d'admission (7) et d'échappement (8) obturant sélectivement la chambre de combustion (4), une pompe (8) d'injection destinée à fournir à l'injecteur (5) de l'essence sous pression, caractérisé en ce que la pression de l'essence fournie à l'injecteur (5) dépasse S5 250 bars et en ce que, au moins dans une plage de fonctionnement du moteur sujette au phénomène de cliquetis, la quantité d'essence délivrée par la pompe (8) à l'injecteur (5) pour un cycle de combustion est fractionnée sous la forme d'une pluralité d'injections partielles et distinctes, et en ce 20 qu'au moins une des injections partielles est délivrée avant l'inflammation de la charge dans la chambre de combustion (4) par le moyen d'allumage (6), et au moins une injection partielle est délivrée après cette inflammation. 2. Moteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la 25 quantité d'essence injectée avant l'inflammation est comprise entre 20 à 50% de la quantité totale d'essence injectée pour le cycle de combustion concerné. 3. Moteur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la quantité d'essence délivrée par la pompe (8) à l'injecteur (5) 30 pour un cycle de combustion comprend, avant l'inflammation de la charge, entre une et dix injections partielles distinctes. Il 4. Moteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la quantité d'essence délivrée par la pompe (8) à l'injecteur (5) pour un cycle de combustion comprend, après inflammation la charge, entre une et dix injections partielles distinctes. 5. Moteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que, lorsque le régime du moteur est compris entre 750 et 4500 tr./min environ, et de préférence entre 1000 et 4000 tr./min, la quantité d'essence délivrée par la pompe (8) io à l'injecteur (5) pour un cycle de combustion est fractionnée la sous la forme d'une pluralité d'injections partielles et distinctes. 6. Moteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que, lorsque le moteur est dans une page de 15 fonctionnement dite à haut régime, comprise par exemple entre 4000 et 7000 tr./min, la quantité d'essence délivrée par la pompe (8) à l'injecteur (5) pour un cycle de combustion est délivrée sous la forme d'une injection unique ou fractionnée la sous la forme d'une pluralité d'injections partielles et 20 distinctes. 7. Moteur selon la revendication 6, caractérisé en ce que la quantité d'essence délivrée par la pompe (8) à l'injecteur (5) est délivrée sous la forme d'une injection de coutre durée, c'est-à-dire d'une durée comprise entre dix et cent degrés 25 vilebrequin environ. 8. Moteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le moteur a un cycle de combustion à quatre temps ou à deux temps. 9. Moteur selon l'une quelconque des revendications 30 précédentes, caractérisé en ce que le moteur est un moteur à injection indirecte. 10. Moteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le moteur est un moteur à injection directe. 11. Moteur selon la revendication 10, caractérisé en ce que la ou les injections partielles injectées avant l'inflammation sont délivrées par la pompe (8) dans un intervalle de temps proche du Point Mort Haut combustion. 12. Moteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la pression de l'essence fournie à l'injecteur (5) est comprise entre 250 et 2500 bars et, de préférence, entre 300 et 2000 bars.