Brevet FR2895025A1 — publié le 20070622

Procede d'injection de carburant dans une chambre de combustion d'un moteur L'invention a pour objet un procede d'injection de carburant dans une chambre de combustion de moteur, dans lequel on realise une post-injection en phase de detente du moteur, en vue de la regeneration des systemes de depollution. Depuis quelques annees, on s'efforce de reduire la pollution produite par Ies moteurs a combustion interne, en particulier d'automobiles, et I'on utilise a cet effet des systemes de post-traitement comme des filtres a particules denommes FAP etlou des pieges a oxydes d'azote denommes "NOx trap" qui sont maintenant integres dans la ligne d'echappement. De tels systemes de post-traitement ont besoin d'etre regeneres afin d'eliminer les particules qui s'accumulent dans les filtres ou sont adsorbes par les pieges a NOx. Cette elimination s'effectue par une montee en temperature et on a developpe, a cet effet, des strategies de "multi-injection" qui sont devenues de plus en plus complexes. De telles strategies introduisent une ou plusieurs injections en phase de detente, communement denommees "post-injection". Pour atteindre les temperatures necessaires, ces traitements necessitent ('injection d'un debit relativement important de carburant pendant la phase de post-injection et I'on a constate qu'il pouvait en resulter une dilution, avec le carburant, du film d'huile qui recouvre la partie du cylindre pour assurer sa lubrification. Cette dilution de I'huile entraIne une diminution rapide de son pouvoir lubrifiant qui risque de provoquer une usure du moteur pouvant aller jusqu'a sa casse. Pour diminuer ce risque et conserver des taux de dilution susceptibles d'assurer la fiabilite du moteur, on a ete amene a limiter le phasage et le debit de post-injection. Cependant, ces contraintes sur la post-injection degradent les prestations sortie-moteur en phase de regeneration et se traduisent, le plus souvent, par une surconsommation non negligeable. D'ailleurs, des resultats d'essais recents ont mis en evidence I'interet, en emission "sortie-moteur" d'augmenter le phasage et le debit de post-injection. L'invention a pour objet de repondre a ces objectifs en diminuant le risque de dilution du film d'huile avec le carburant ou du moins, en maintenant le taux de dilution a un niveau acceptable pour la fiabilite du moteur. L'invention concerne donc un procede d'injection de carburant dans une chambre de combustion de moteur dans lequel on realise une post-injection en phase de detente de la chambre, cette injection etant realisee, de fawn connue, au moyen d'un injecteur centre sur un axe et comportant des moyens de formation d'une nappe de carburant en forme de tronc de cone de revolution centre sur (edit axe et dont les generatrices sont inclinees d'un angle de nappe par rapport a ('axe de I'injecteur. Conformement a ('invention, ('angle de nappe de I'injecteur etant determine en fonction des objectifs de performance du moteur, cet angle est reduit dans la phase de post-injection afin d'eviter une dilution du film lubrifiant recouvrant la paroi de la chambre de combustion. Dans un mode de realisation preferentiel, pendant la phase de post-injection, un debit de carburant est injecte par une seconde nappe debouchant au-dessus de la premiere nappe et avec un angle au sommet inferieur a celui de la premiere nappe, de fagon que les deux nappes se croisent a une certaine distance de I'injecteur en produisant une nappe unique ayant un angle au sommet reduit par rapport a celui de Ia premiere nappe, la collision entre les jets reduisant leur penetration et la dui-6e de la post-injection etant diminuee par I'augmentation du debit injecte a chaque instant par les deux nappes. De preference, I'angle au sommet de la nappe superieure ne depasse pas 60 . Dans un premier mode de realisation, le debit injecte par la nappe inferieure est plus eleve que le debit de la nappe superieure afin de favoriser la pulverisation du carburant. Dans un autre mode de realisation, le debit injecte par la nappe inferieure est moins eleve que le debit de la nappe superieure afin de reduire I'angle de nappe global. Pour la mise en oeuvre de ('invention, it est particulierement avantageux d'utiliser un injecteur de type connu comprenant un conduit tubulaire d'injection centre sur un axe, alimente en carburant sous pression et muni, a une extremite debouchant dans la chambre de combustion, d'une buse d'injection comportant deux rangees superposees d'orifices, respectivement inferieure et superieure, et un ensemble de deux aiguilles enfilees ('une dans I'autre et montees coulissantes axialement dans le conduit tubulaire pour la commande de I'ouverture et de la fermeture des deux rangees d'orifices, respectivement une aiguille interne de commande de la rangee inferieure et une aiguille externe tubulaire de commande de la rangee superieure, les orifices etant inclines d'un certain angle par rapport a I'axe du conduit pour la formation, par chaque rangee, dune nappe tronconique d'injection ayant un angle de nappe correspondant a I'inclinaison des orifices et ('angle d'inclinaison de la nappe inferieure etant superieur a ('angle d'inclinaison de la nappe superieure. Conformement a I'invention, la difference entre I'angle d'inclinaison de la nappe inferieure et celui de la nappe superieure est determinee de fawn que les deux nappes se croisent a une faible distance de la sortie des orifices, du meme ordre que la distance entre les deux rangees. De fawn particulierement avantageuse, la difference entre I'angle d'inclinaison de la nappe inferieure et celui de la nappe superieure est d'au moins 20 et, de preference, de I'ordre de 40 a 50 . Dans un mode de realisation preferentiel, I'angle d'inclinaison de la nappe superieure ne depasse pas 60 . Selon une autre caracteristique particulierement avantageuse, les orifices des deux rangees sont centres deux a deux dans des plans passant par ('axe du conduit et repartis en stoile autour de celui-ci. Dans un premier mode de realisation, les orifices des deux rangees ont des diametres egaux de fawn que les debits injectes par les deux nappes soient du meme ordre. Dans un autre mode de realisation, les orifices de la rangee superieure ont une section plus faible que ceux de la rangee inferieure de fagon a favoriser la pulverisation du carburant. Dans un autre mode de realisation, les orifices de la rangee superieure ont une section plus grande que ceux de la rangee inferieure de fagon a reduire la penetration des jets. Par ailleurs, selon une autre caracteristique de I'invention, en phase d'injection principale, seule la rangee inferieure d'orifice est ouverte par levee de I'aiguille interne, la rangee superieure etant ouverte seulement en phase de postcombustion par levee de I'aiguille externe tubulaire. D'autres caracteristiques avantageuses de I'invention apparaltront dans la description qui va suivre d'un mode de realisation particulier, donne a titre d'exemple et represents sur les dessins annexes. La figure 1 est une vue partielle, en coupe axiale, d'une tete d'injection selon I'invention, en phase d'injection principale. La figure 2 est une vue en coupe axiale de la tete d'injection, en phase de post-injection. La figure 3 est une vue de dessous de la tete d'injection. La figure 4 est un diagramme representant le phasage de la levee des deux aiguilles tors de la regeneration. Comme indique plus haut, pour la mise en oeuvre de I'invention, it est apparu qu'iI etait particulierement avantageux d'utiliser un injecteur de type connu comportant deux rangees d'orifices superposees. Un injecteur de ce type est decrit, par exemple, dans le document EP-A-1 059 437 et comporte, d'une fagon generale, un conduit tubulaire dont I'extremite debouchant dans la chambre de combustion forme une buse d'injection munie de deux rangee d'orifices qui peuvent titre ouverts ou fermes selectivement par un organe de commande comportant deux aiguilles enfilees rune dans I'autre, respectivement une aiguitle interne et une aiguitle externe tubulaire. La paroi fermant I'extremite du conduit et constituant to buse d'injection presente une forme en pointe avec une face interne conique sur laquelle viennent s'appliquer des faces coniques conjuguees menagees aux extremites, respectivement, de I'aiguille interne et de I'aiguille externe. En position de fermeture, I'aiguille interne est decalee vers le bas par rapport a I'aiguille externe tubulaire et leurs extremites sont appliquees sur la face interne conique de la paroi de fermeture du conduit de fawn a menager deux chambres fermees, respectivement une chambre axiale dans laquelle debouchent les orifices de la rangee inferieure et une chambre annulaire dans laquelle debouchent les orifices de to rangee superieure. La disposition decrite dans le document EP-A-1 059 437, permet de faire varier le debit de carburant en ouvrant, soit uniquement les orifices de la rangee superieure, soit les deux rangees d'orifices. A cet effet, I'aiguille interne qui est enfilee axialement a I'extremite de I'aiguille externe, prend appui sur celle-ci avec un jeu qui permet d'ouvrir successivement les deux rangees d'orifices. Tout d'abord, seule I'aiguille externe est soulevee de fawn a admettre dans la chambre annulaire superieure le carburant sous pression alimente par I'espace menage entre I'aiguille externe et le conduit tubulaire, la chambre axiale restant fermee par I'aiguille interne. Dans ce cas, le fluide est injecte uniquement par les orifices superieurs. Si lion poursuit le soulevement de I'aiguille externe, celle-ci prend alors appui sur I'aiguille interne pour la soulever egalement, le carburant etant alors admis dans Ia chambre axiale pour titre injecte par les orifices de la rangee inferieure. On peut ainsi faire varier le debit injecte en ouvrant, soit seulement la rangee superieure d'orifice, soft les deux rangees. Par ailleurs, les orifices des deux rangees sont orientes de fawn a converger a une certaine distance de la buse, de I'ordre de deux fois la distance entre les deux rangees, afin de former une nappe unique. Pour la mise en oeuvre du procede selon I'invention, on utilise egalement un injecteur de ce type a deux rangees superposees d'orifices, mais dans un but completement different, et I'injecteur doit, donc, titre adapte en consequence. La figure 1 et la figure 2 montrent en coupe axiale, un injecteur pour la mise en oeuvre de ('invention, respectivement en position d'injection principale et en position de post-injection. L'injecteur est du type connu decrit, precedemment et comporte donc, d'une fawn generale, un conduit tubulaire 1 centre sur un axe 10 et dans Iequel sont montees coulissantes deux aiguilles enfilees rune dans I'autre, respectivement une aiguille centrale 2 et une aiguille externe tubulaire 3. Cet injecteur debouche dans la chambre de combustion A d'un cylindre et est ferme, a son extremite, par une paroi 11 formant une pointe ayant une face interne 12 conique et constituant la buse d'injection. Deux rangees d'orifices d'injection repartis autour de ('axe de la fawn indiquee sur la figure 3, sont menagees dans la pointe 11 de I'injecteur, respectivement une rangee inferieure 40 d'orifices 4 et une rangee superieure 50 d'orifices 5. L'aiguille interne 2 et I'aiguille externe 3 sont munies, a leurs extremites, de faces tronconiques 21, 31 ayant un profil conjugue a celui de la face interne 12 de la pointe 11, de fawn a pouvoir venir s'appliquer sur celle-ci, en position basse, pour obturer Ies deux rangees d'orifices 40, 50. De fawn connue, a chaque tour du vilebrequin correspondant a un mouvement de va-et-vient du piston dans le cylindre, on realise ('injection principale au point mort haut, c'est-a-dire en position de compression maximale dans la chambre de combustion, puis une post-injection dans la phase de detente. Dans I'injecteur selon ('invention, ('injection principale est realisee par les orifices de la rangee inferieure 40 qui sont obtures par I'aiguille interne 2. Comme le montre la figure 1, pour I'injection principale, seule I'aiguille interne 2 est levee de fawn a ouvrir les orifices 4 en menageant, entre la pointe 21 de I'aiguille 2 et le fond de la pointe conique 12, une chambre axiale 13 dans laquelle est admis le carburant sous pression, celui-ci pouvant, de fawn connue, passer par des canaux 22 menages le long de la face later-ale de I'aiguille centrale 2 ou bien, simplement, par un jeu menage entre ('aiguille centrale 2 et I'aiguille externe 3. Dans cette position, I'aiguille externe 3 reste appliquee contre la face 12 de la pointe II, en fermant les orifices de la rangee superieure 50. Le carburant est ainsi injecte dans la chambre de combustion par les orifices 4 qui sont inclines d'un angle a/2 par rapport a ('axe 10 de I'injecteur, de fagon a 5 former une nappe tronconique 6 s'ouvrant, a son sommet, sur un angle de nappe a inferieur a 180 , par exemple de I'ordre de 160 . Sur la figure 4, on a represents le phasage de la levee des aiguilles tors de la regeneration. La ligne superieure en trait plein C, montre la levee de I'aiguille centrale 2 en fonction de la position du vilebrequin et, par consequent du cylindre, 10 indique en abscisse. On voit que, de fagon classique, cette aiguille centrale 2 est levee pour ('injection principale pour une rotation d'environ 15 du vilebrequin autour du point mort haut PMH. L'aiguille centrale est ensuite abaissee et, dans la phase de detente, est relevee pour la post-injection, le vilebrequin ayant tourne d'environ 30 apres le 15 point mort haut, PMH. La ligne inferieure C2 en trait interrompu montre la levee de I'aiguille externe 3 qui reste abaissee pendant I'injection principale en fermant les orifices superieurs 5 et qui est levee en meme temps que I'aiguille interne 2 dans la phase de post-injection, pour prendre la position representee sur la figure 2. 20 Dans ce cas, les deux aiguilles sont levees en degageant un espace conique 14 dans lequel est admis le carburant sous pression, non seulement par les canaux lateraux 22 mais egalement par un espace annulaire 32 menage entre I'aiguille externe 3 et le conduit tubulaire 1. Le carburant est alors injecte sous pression par les orifices superieurs 5 qui 25 sont inclines par rapport a I'axe 10 de I'injecteur d'un angle 8/2 tres inferieur a I'angle a/2 d'inclinaison des orifices inferieurs et pouvant titre, par exemple, d'environ 15 . II se forme ainsi, a la sortie des orifices 5, une seconde nappe 61 ayant, au sommet, un angle de nappe 13 d'environ 30 . La difference a-8 etant tits importante, de I'ordre de 120 , les deux nappes 30 se rejoignent dans une zone annulaire 60 en faisant entre elles un angle d'environ 60 . La distance e entre cette zone de collision 60 et la face externe 15 de la pointe 11 de I'injecteur, est, ainsi du meme ordre que la distance entre les sorties 41, 51 des orifices 4 et 5. En outre, de fagon particulierement avantageuse, les orifices inferieurs 4 et 35 superieurs 5, qui sont repartis en deux rangees circulaires 40, 50 autour de ('axe, sont centres deux a deux dans des plans passant par I'axe 10 de I'injecteur, de la fawn representee sur la figure 3. De la sorte, chaque jet injecte par un orifice inferieur 4 est presque immediatement casse, a une faible distance de I'injecteur, par un jet superieur injecte par un orifice correspondant 5 et ('ensemble forme une nappe resultante ayant un angle au sommet y correspondant sensiblement a la moyenne (a+13)12 des angles au sommet a, (3 des deux nappes 6, 61, si les sections SI, S2 des orifices 4, 5 sont egales. Si I'on compare ('injection principale representee sur la figure 1 a la post- injection representee sur la figure 2, it apparalt que cette reduction de ('angle au sommet de la nappe resultante 62 permet d'eviter un impact direct du jet de carburant sur la paroi de la chambre de combustion et, par consequent, diminue le risque de dilution du lubrifiant qui recouvre cette paroi. D'autre part, grace a la multiplication par deux de la section debitante, 15 la duree de la post-injection peut etre reduite et correspond, par exemple, a une rotation du vilebrequin de moins de 10 , comme le montre la figure 4. Mais !'invention ne se limite evidemment pas au seul mode de realisation qui vient d'etre decrit a titre d'exemple et qui pourrait etre modifie sans s'ecarter du cadre de protection de I'invention, notamment par I'emploi de moyens equivalents. 20 Par exemple, on pourrait utiliser d'autres moyens de commande de I'ouverture des deux rangees d'orifices pour realiser, en phase de post-injection, une seconde nappe entrant en collision avec la premiere nappe pour en reduire ('angle au sommet. D'autre part, les orifices, respectivement inferieurs 4 et superieurs 5 des deux 25 rangees n'ont pas necessairement des sections egales. Si I'on veut favoriser la pulverisation du carburant, on donnera aux orifices superieurs 5 une section S2 un peu inferieure a la section SI des orifices 4 de la rangee inferieure et qui servent pour ('injection principale. En revanche, si I'on souhaite reduire encore plus ('angle au sommet y de la 30 nappe resultante, on donnera aux orifices superieurs 5 une section S2 superieure a la section S1 des orifices inferieurs 4, I'angle au sommet y etant alors inferieur a la moyenne (a+13)12 des angles des deux nappes 6, 61. De plus, comme indique plus haut, la collision entre les jets 6, 61 permet de reduire leur penetration et cette reduction de la penetration est d'autant plus forte que 35 la difference (a-13) entre les deux angles de nappe est importante. REVENDICATIONS 1. Procede d'injection de carburant dans une chambre de combustion A d'un moteur, au moyen d'un injecteur (1) centre sur un axe (10) et comportant des moyens de formation d'une nappe de carburant (6) en forme de tronc de cone de revolution centre sur ledit axe et s'ouvrant sur un angle de nappe (a) inferieur a 180 , procede dans lequel on realise une post-injection en phase de detente de la chambre de combustion (A), caracterise par le fait que, I'angle de nappe (a) de ('injecteur (1) etant determine en fonction des objectifs de performance du moteur en phase d'injection principale, ledit angle (a) est reduit dans la phase de post-injection, afin d'eviter une dilution du film lubrifiant recouvrant la paroi de la chambre de combustion (A). 2. Procede d'injection selon la revendication 1, caracterise par le fait que, pendant la phase de post-injection, une pantie du carburant est injectee par une seconde nappe (61) debouchant au dessus de la premiere nappe (6) et avec un angle de nappe (R) inferieur, de fawn que les deux nappes (6, 61) se croisent a une certaine distance (e) de ('injecteur, en produisant une nappe unique (62) ayant un angle au sommet (y) inferieur a celui (a) de la premiere nappe (6), la collision entre les jets reduisant leur penetration et la duree de la post-injection etant diminuee par ('augmentation du debit injecte a chaque instant par les deux nappes (6, 61). 3. Procede d'injection selon la revendication 2, caracterise par le fait que, en phase de post-injection, le debit injecte par la nappe inferieure (6) est plus eleve que le debit de la nappe superieure (61) afin de favoriser la pulverisation du carburant. 4. Procede d'injection selon la revendication 2, caracterise par le fait que, en phase de post-injection, le debit injecte par la nappe inferieure (6) est moins eleve que le debit de la nappe superieure (61) afin de reduire I'angle de nappe global. 5. Procede d'injection selon ('une des revendications precedentes, caracterise par le fait que ('angle de nappe (R) de la nappe superieure (61) est de I'ordre de 30 degres. 6. Dispositif d'injection de carburant pour la mise en ceuvre du procede selon ('une des revendications precedentes, comprenant un conduit tubulaire d'injection (1) centre sur un axe (10), alimente en carburant sous pression et muni, a une extremite debouchant dans la chambre de combustion (A), d'une buse d'injection (11) comportant deux rangees superposees d'orifices, respectivement inferieure (40) etsuperieure (50) et un ensemble de deux aiguilles enfilees rune dans I'autre et montees coulissantes, dans le conduit tubulaire (1), pour la commande selective de I'ouverture et de la fermeture des deux rangees d'orifices (4, 5), respectivement une aiguille interne (2) de commande de la rangee inferieure (40) et une aiguille externe tubulaire (3) de commande de la rangee superieure (50), les orifices (4, 5) de chaque rangee 40, 50 etant centres sur des axes inclines dun certain angle par rapport a I'axe du conduit et ('angle d'inclinaison 63/2) des orifices superieurs (5) etant plus faible que ('angle d'inclinaison (a/2) des orifices inferieurs (4), caracterise par le fait que la difference entre I'angle d'inclinaison (a/2) de la rangee inferieure (40) et celui (13/2) de la rangee superieure (50) est assez importante pour que le carburant injecte par les deux rangees d'orifices (40, 50) forme deux nappes tronconiques (6, 61) se croisant a une faible distance (e) des orifices (4, 5), du meme ordre que I'ecartement entre les sorties (41, 51) des orifices (4, 5) des deux rangees. 7. Dispositif d'injection selon la revendication 6, caracterise par le fait que la 15 difference entre ('angle d'inclinaison (a/2) des orifices inferieurs (4) et celui (13/2) des orifices superieurs (5) est de I'ordre de 60 . 8. Dispositif d'injection selon rune des revendications 6 et 7, caracterise par le fait que I'angle de nappe (13) de la rangee superieure (50) est de I'ordre de 30 . 9. Dispositif d'injection selon ('une des revendications 6 a 8, caracterise par le 20 fait que les orifices (4, 5) des deux rangees (40, 50) sont centres deux a deux dans des plans (P) passant par ('axe (10) du conduit (1) et repartis en etoile autour de celui-ci. 10. Dispositif d'injection selon la revendication 9, caracterise par le fait que les orifices (4, 5) des deux rangees (40, 50) ont des diametres egaux de fawn que 25 les debits des deux nappes (6, 61) soient du meme ordre. 11. Dispositif d'injection selon ('une des revendications 6 a 10, caracterise par le fait que, en phase d'injection principale, seule la rangee inferieure (40) d'orifices (4) est ouverte par levee de I'aiguille interne (2), les deux aiguilles (2, 3) etant, ensuite, levees simultanement en phase de post-injection, pour I'ouverture des deux 30 rangees (40, 50) d'orifices (4, 5).