Brevet FR2891867A1 — publié le 20070413

Moteur diesel à injection directe à rapport volumétrique de compression variable La présente invention est relative à un moteur Diesel à injection directe, comprenant au moins un dispositif permettant de modifier le rapport volumétrique de compression de la chambre de combustion par variation de la course du piston. D'une manière générale, les systèmes permettant de faire varier le rapport volumétrique de compression d'une chambre de combustion durant le fonctionnement du moteur sont classiquement nommés "VCR" pour "Variable Compression Ratio". Ils sont particulièrement intéressants lorsqu'ils sont appliqués aux moteurs Diesel. En effet, ils permettent tout d'abord de faire fonctionner le moteur Diesel avec une cylindrée faible et avec un fort rapport volumétrique de compression pendant les phases de démarrage du moteur et les phases de fonctionnement sous faibles charges, ce qui assure une température élevée de la charge en gaz frais à la fin de la phase de compression et donc un démarrage du moteur facilité et une stabilité du moteur garantie. Ces systèmes VCR sont ensuite très intéressants lorsque de fortes puissances sont demandées au moteur, puisqu'ils permettent de faire fonctionner le moteur Diesel avec une cylindrée élevée et avec un faible rapport volumétrique de compression. On obtient dans ce cas une réduction de la pression maximale dans le cylindre qui permet d'introduire plus de carburant. Cependant, il existe différents concepts permettant de faire varier le rapport volumétrique de compression durant le fonctionnement du moteur. Notre invention ne concerne que les systèmes VCR où la modification du rapport volumétrique de compression est obtenue par modulation de l'altitude du piston qui engendrent par conséquent une modification de la cylindrée du moteur. De manière classique, ces systèmes VCR permettent de faire varier la position du point mort haut PMH du piston entre deux extrema PMHmax et PMHmin, et permettent de faire varier la position du point mort bas PMB du piston entre deux extrema PMBmax et PMBmin. Mais ces systèmes VCR posent un problème majeur lorsqu'ils sont appliqués au moteur Diesel à injection directe car ils modifient la position du point mort haut par rapport au nez de l'injecteur. Or, la position de l'injecteur des moteurs Diesel à injection directe par rapport au bol du piston est définie de façon très précise et conditionne la qualité de la combustion. De ce fait, la modification de la position du point mort haut par rapport au nez de l'injecteur induite par les systèmes VCR est préjudiciable pour le fonctionnement du moteur. C'est pourquoi, le but de la présente invention est de pallier tout ou partie de la problématique énoncée précédemment. Plus particulièrement, l'invention a pour objet un moteur Diesel à injection directe, comprenant au moins une chambre de combustion, un piston, des moyens d'injection, une unité de commande apte à recevoir et à envoyer des informations, un dispositif VCR permettant de faire varier la position du point mort haut du piston entre une position maximum et minimum et de faire varier la position du point mort bas du piston entre une position maximum et minimum, caractérisé en ce que les moyens d'injection sont aptes à injecter dans la chambre de combustion le carburant suivant une ou plusieurs nappes superposées. Selon certaines caractéristiques, le moteur à combustion interne est apte à fonctionner selon un premier mode dans lequel : - Le piston est en translation entre les positions maximum du point mort haut et du point mort bas et, - les moyens d'injection injectent le carburant suivant la nappe supérieure. Selon d'autres caractéristiques, le moteur à combustion interne est apte à fonctionner selon un second mode dans lequel : - Le piston est en translation entre les positions minimum du point mort haut et du point mort bas et, - les moyens d'injection injectent le carburant suivant l'ensemble des nappes. Selon d'autres caractéristiques, le moteur à combustion interne est apte à fonctionner selon un troisième mode dans lequel : - Le piston est en translation entre les positions minimum du point mort haut et du point mort bas et, - les moyens d'injection injectent le carburant suivant la nappe supérieure. Selon d'autres caractéristiques, les premier, second et troisième modes de fonctionnement sont sélectionnés par l'unité de commande suivant une cartographie du régime du moteur en fonction du couple du moteur. Selon d'autres caractéristiques, le premier mode est le mode exécuté par défaut lors du démarrage du moteur. Selon d'autres caractéristiques, la nappe supérieure admet une faible perméabilité et la nappe inférieure admet une forte perméabilité. L'invention va maintenant être décrite plus en détail mais de façon non limitative en regard des figures annexées, dans lesquelles : - La figure 1 est une représentation schématique d'une chambre de combustion d'un moteur Diesel à injection directe selon un premier mode de fonctionnement du moteur. - La figure 2 est une représentation schématique d'une chambre de combustion d'un moteur Diesel à injection directe selon un second mode de 25 fonctionnement du moteur. - La figure 3 est une cartographie du régime du moteur en fonction du couple du moteur, à laquelle sont associés des modes de fonctionnement du moteur conformément à l'invention. Les figures 1 et 2 représentent une chambre de combustion 2 d'un 30 moteur Diesel à injection directe dotée d'un injecteur 3 et dans laquelle un piston 1 évolue de manière classique suivant un mouvement de translation entre deux positions appelées PMH pour point mort haut et PMB pour point mort bas. Conformément à l'invention, le moteur est doté d'un dispositif VCR non représenté sur les figures, qui permet de modifier le rapport volumétrique de compression du système de combustion par variation de la course du piston 1, ladite course étant définie de manière usuelle comme la distance parcourue par le piston entre les positions PMH et PMB. En effet, lesdites positions PMH et PMB sont à même de prendre la valeur de deux positions extrêmes, à savoir PMHmax ou PMHmin pour la position PMH et PMBmax ou PMBmin pour la position PMB. Ainsi, le système VCR permet avantageusement en faisant varier la course du piston, de faire varier la cylindrée et le rapport volumétrique de compression de la chambre 2, en fonction de la puissance demandée au moteur. En effet : la cylindrée étant obtenue en multipliant la course du piston par la surface balayée par le piston, le rapport volumétrique de compression étant obtenu en faisant le rapport entre la cylindrée additionnée du volume mort et le volume 20 mort, il apparaît que, lorsqu'une forte puissance est demandée au moteur, il faut maximiser la cylindrée et minimiser le rapport volumétrique de compression. Cette configuration, représentée sur la figure 2, est obtenue en faisant translater le piston entre deux positions correspondant aux extrema PMHmin 25 et PMBmin, qui définissent la course maximale du piston. A contrario, lorsque le moteur est soumis à de faibles charges, il faut minimiser la cylindrée et maximiser le rapport volumétrique de compression. Cette configuration, représentée sur la figure 1, est obtenue en faisant translater le piston entre deux positions correspondant aux extrema PMHmax et 30 PMBmax, qui définissent la course minimale du piston. Toutefois, l'utilisation de deux positions du Point Mort Haut pose un problème majeur dans le cas d'un moteur Diesel à injection directe car la position du piston par rapport au nez de l'injecteur au point mort haut n'est plus adaptée. Comme il a été expliqué précédemment, la position de l'injecteur des moteurs Diesel à injection directe par rapport au bol 6 du piston est définie de façon très précise et conditionne au premier plan la qualité de la combustion. Notre invention propose de résoudre la problématique de la position du nez de l'injecteur en utilisant un injecteur 3 apte à injecter le carburant suivant une ou deux nappes superposées 4, 5. Ce type d'injecteur est par exemple décrit dans le document FR2728311. Les nappes correspondent au volume de carburant injecté dans la chambre de combustion via l'ensemble des orifices d'injection disposés circulairement au niveau du nez de l'injecteur. Ainsi, conformément à notre invention, le moteur est apte à fonctionner suivant plusieurs modes, dont : Un premier mode M1 dans lequel seule la nappe 5 est utilisée lorsque le piston est en translation entre les positions PMHmax et PMBmax, c'est à dire quand le système VCR impose un rapport volumétrique de compression élevé et une cylindrée faible. Un second mode M2 dans lequel les deux nappes 4, 5 sont utilisées lorsque le piston est en translation entre les positions PMHmin et PMBmin, c'est à dire quand le système VCR impose un rapport volumétrique de compression faible et une cylindrée élevée. Un troisième mode M3 dans lequel seule la nappe 5 est utilisée lorsque le piston est en translation entre les positions PMHmin et PMBmin, c'est à dire quand le système VCR impose un rapport volumétrique de compression faible et une cylindrée élevée. En d'autres termes, lorsque le moteur est soumis à de faibles charges, le piston admet une position PMH égale à PMHmax pour avoir un rapport volumétrique de compression élevé et une cylindrée faible. De plus, la position de la nappe 5, seule en fonctionnement, est la plus adaptée à la position PMHmax. Avantageusement, la nappe 5 admet une faible perméabilité, ce qui se traduit par le fait que la quantité de carburant introduite via la nappe 5, à une pression d'injection donnée pendant un temps donné, est faible. La nappe 5 est réalisée par exemple par six petits orifices d'injection de diamètre de l'ordre de 90 microns, et disposés circulairement au niveau du nez de l'injecteur 3. Dans cette configuration, le rapport volumétrique de compression élevé associé à une nappe de faible perméabilité permet de garantir une bonne qualité de démarrage du moteur, de maximiser le rendement du moteur, et de réduire les émissions polluantes. En effet, la réduction de la taille des gouttes de carburant autorisée par la taille réduite des trous d'injecteur, réduit la quantité de suies issues de la combustion du carburant. De même, lorsque le moteur est soumis à de fortes charges, le piston admet une position PMH égale à PMHmin pour avoir un rapport volumétrique de compression faible et une cylindrée élevée et l'injection de carburant est effectuée via les nappes 4 et 5 de manière à introduire davantage de carburant compte tenu du fait que l'air disponible dans la chambre est en quantité supérieure. De plus, la position de la nappe 4 est adaptée à la position PMHmin du bol 6 du piston. Avantageusement, la nappe 4 admet une forte perméabilité, c'est à dire que pour une pression d'injection donnée et pour un temps d'injection donné la quantité de carburant injectée via la nappe 4 est supérieure à la quantité de carburant injectée via la nappe 5. La nappe 4 est réalisée par exemple par six petits orifices d'injection de diamètre de l'ordre de 180 microns, et disposés circulairement au niveau du nez de l'injecteur 3 en dessous des orifices d'injection formant la nappe 5. L'exploitation de l'air disponible dans la chambre de combustion est ainsi maximale, et les performances du moteur sont alors considérablement augmentées. De même, lorsque le moteur est soumis à des charges modérées dans une zone réduite du champ moteur, le piston admet une position PMH égale à PMHmin pour avoir un rapport volumétrique de compression faible et une cylindrée élevée et l'injection de carburant est effectuée via la nappe 5. L'utilisation de la nappe 5 ne permet dans ce cas pas d'exploiter totalement l'air disponible dans la chambre 2, mais étant donné que ce mode de fonctionnement ne concerne que les cas de charges modérées, l'impact sur la qualité de la combustion est nul et ne pénalise pas le rendement du moteur et les émissions polluantes. Avantageusement, l'unité de commande ECU choisit le mode M1 par défaut à chaque démarrage du moteur, de manière à faire fonctionner le moteur Diesel en petite cylindrée et avec un fort rapport volumétrique pour avoir un démarrage optimisé. Conformément à l'invention et tel que représenté sur la figure 3, lorsque le régime du moteur et le couple du moteur évoluent de telle sorte qu'il y a passage de la zone Z1 à la zone Z3, l'unité de commande ECU impose le passage du mode M1 au mode M3. De même, lorsque le régime du moteur et le couple du moteur évoluent de telle sorte qu'il y a passage de la zone Z3 à la zone Z2, l'unité de 20 commande ECU impose le passage du mode M3 au mode M2. Ainsi l'invention permet d'optimiser l'utilisation d'un système VCR par variation de la course du piston, dans le cadre d'un moteur Diesel à injection directe. Selon d'autres modes de réalisation, le système VCR pourrait 25 permettre plus de deux positions PMH et PMB et par conséquent plus de deux valeurs pour la course du piston, ce qui permettrait l'utilisation d'un injecteur à plus de deux nappes. REVENDICATIONS 1 Moteur Diesel à injection directe, comprenant au moins une chambre de combustion (2), un piston (1), des moyens d'injection (3), une unité de commande (ECU) apte à recevoir et à envoyer des informations, un dispositif (VCR) permettant de faire varier la position du point mort haut (PMH) du piston (1) entre une position maximum (PMHmax) et minimum (PMHmin) et de faire varier la position du point mort bas (PMB) du piston (1) entre une position maximum (PMBmax) et minimum (PMBmin), caractérisé en ce que les moyens d'injection (3) sont aptes à injecter dans la chambre (2) le carburant suivant une ou plusieurs nappes superposées (4, 5). 2 Moteur Diesel, selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est apte à fonctionner selon un mode (Ml) dans lequel : Le piston (1) est en translation entre les positions (PMHmax) et (PMBmax), et les moyens (3) injectent le carburant suivant la nappe supérieure (5). 3 Moteur Diesel, selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est apte à fonctionner selon un mode (M2) dans lequel : ù Le piston (1) est en translation entre les positions (PMHmin) et (PMBmin), et - les moyens (3) injectent le carburant suivant les nappes (4, 5).4 Moteur Diesel, selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est apte à fonctionner selon un mode (M3) dans lequel : ù Le piston (1) est en translation entre les positions (PMHmin) et (PMBmin), et - les moyens (3) injectent le carburant suivant la nappe supérieure (5). Moteur Diesel, selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que au moins un des modes de fonctionnement est sélectionné par l'unité de commande (ECU) suivant une cartographie du régime du moteur en fonction du couple du moteur. 6 Moteur Diesel, selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisé en ce qu'à chaque démarrage du moteur, le mode M1 est le mode choisi par défaut. 7 Moteur Diesel, selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la nappe (5) admet une faible perméabilité et la nappe (4) admet une forte perméabilité. 5