Brevet FR2895026A1 — publié le 20070622

La presente invention se rapporte a un procede d'injection de carburant pour moteur a combustion interne, notamment a injection directe, en particulier de type Diesel, avec un piston muni d'un bol comprenant un teton. Elie concerne plus particulierement un moteur a injection directe de type Diesel a quatre temps pouvant fonctionner selon deux modes de combustion. Un mode dit homogene, plus connu sous le vocable anglais de "Homogeneous Charge Compression Ignition" (en abrege H.C.C.I) qui est utilise pour les faibles et moyennes charges du moteur, avec au moins une injection de carburant pendant la compression. Cette ou ces injections permettent d'obtenir un melange homogene de carburant avec de I'air ou avec un melange d'air et de gaz d'echappement recircules et cela avant le demarrage de la combustion qui se realise par auto-inflammation. L'autre mode de combustion, dit mode de combustion conventionnel, consiste en une injection du carburant aux environs du point mort haut de la compression et en une combustion par diffusion, ce mode etant preferentiellement utilise aux charges elevees. Un tel type de moteur, comme mieux decrit dans les demandes de brevet francais N 2 818 324, 2 818 325 et 2 827 913 du demandeur, comprend au moins un cylindre, un piston coulissant dans ce cylindre, une chambre de combustion delimitee sur un cote par la face superieure du piston comprenant un teton dispose au centre d'un bol concave et au moins un injecteur pour injecter du carburant avec un angle de nappe inferieur ou egal a 2Arctg 2F- ou CD est le diametre du cylindre et F Ia distance entre le point d'origine des jets de carburants issus de I'injecteur et la position du piston correspondant a un angle de vilebrequin de 50 par rapport au point mort haut. Ainsi, le carburant ne vient pas au contact de la paroi du cylindre et peut se melanger avec I'air ou le melange d'air et de gaz brules recircules present dans la chambre de combustion.30 Cette disposition, bien que donnant satisfaction, presente quelques inconvenients non negligeables. Ainsi, en mode de combustion conventionnel, le carburant est injecte lorsque le piston se trouve au voisinage du point mort haut de la phase de compression. Dans cette situation et compte tenu du faible angle de nappe de jets, ce carburant, qui est sous forme diphasique vapeur-liquide, glisse le long de la paroi du teton, arrive dans le fond du bol et est guide par la paroi later-ale de ce bol pour aboutir dans la chambre de combustion. Plus particulierement, ce carburant est dirige, d'une part, dans la zone de chasse qui se trouve au dessus du piston et, d'autre part, vers le centre de ce bol. Compte tenu de ce cheminement du carburant, celui-ci peut se melanger difficilement avec I'air present dans le bol et la richesse maximale atteinte pour le fonctionnement du moteur peut rester faible par rapport a des moteurs conventionnels utilisant des injecteurs a fort angle de nappe de jets de carburant, generalement de I'ordre de 140 . Cela se traduit par une mauvaise utilisation de fair contenu dans la chambre de combustion et notamment au niveau de la chasse. De plus, le teton est fortement sollicite thermiquement par I'energie degagee tors de la combustion et des zones a hautes temperatures se 20 localisent sur celui-ci et plus particulierement au voisinage de son sommet. La presente invention se propose de remedier aux inconvenients cidessus grace a un procede d'injection de carburant en deux etapes permettant d'assurer un melange approprie du carburant avec !'air contenu dans le bol. 25 A cet effet, la presente invention concerne un procede pour injecter du carburant dans la chambre de combustion d'un cylindre d'un moteur a combustion interne quatre temps a injection directe, notamment de type Diesel, pouvant fonctionner selon un mode de combustion homogene et selon un mode 30 de combustion conventionnel, caracterise en ce quill consiste, pour le mode de combustion conventionnel du moteur, a introduire dans cette chambre une premiere quantite de carburant au voisinage du point mort haut du piston en debut de phase d'admission et une autre quantite de carburant au voisinage du point mort haut de ce piston en fin de phase de compression. Avantageusement, ce procede peut consister a introduire la premiere 5 quantite de carburant en au moins une injection. De maniere preferentielle, le procede peut consister a introduire la premiere quantite de carburant pour des positions du piston correspondant de 0 a 50 d'angle de vilebrequin. Ce procede peut consister a introduire, pour la premiere quantite de carburant, entre 2% et 10% de la quantite globale de carburant introduite pour Ies phases d'admission et de compression. 15 Les autres caracteristiques et avantages de ('invention vont apparaitre a la lecture de la description qui va suivre, donnee a titre uniquement illustratif et non limitatif, et a laquelle sont annexees : - Ia figure 1 qui montre un moteur a combustion interne utilisant le procede selon ('invention et 20 - la figure 2 qui montre le moteur de la figure 1 selon une deuxieme configuration durant le procede selon ('invention. Le moteur de la figure 1 est un exemple non limitatif illustrant un type de moteur a combustion interne a quatre temps, notamment de type Diesel, 25 pouvant fonctionner selon deux modes de combustion, un mode homogene et un mode conventionnel. Ce moteur comprend au moins un cylindre 10, un piston 12 qui coulisse a I'interieur de ce cylindre dans un mouvement rectiligne alternatif et une 30 culasse 14 venant fermer le haut du cylindre. Ce piston delimite avec la paroi laterale du cylindre et la surface de la culasse en vis-a-vis, une chambre de combustion 16 a I'interieur de laquelle peut se realiser la combustion d'un 10 melange carbure lorsque les conditions d'une telle combustion sont reunies. Ce piston est relie par I'intermediaire d'une bielle 18 a un vilebrequin (non represents) et oscille donc sous ('impulsion de ce vilebrequin entre une position haute, dite point mort haut (PMH), pour laquelle la chambre de combustion occupe un volume reduit et une position basse, dite point mort bas (PMB), ou le volume de la chambre de combustion est le plus important. Dans la suite de la description it est fait mention de position de piston au point mort haut et au point mort bas et cela correspond bien evidemment a des 10 angles de vilebrequin allant generalement de 0 a 180 pour le mouvement du piston du PMH vers le PMB. Sur la figure 1, la culasse porte au moins un moyen d'admission 20 avec une tubulure d'admission 22 controlee par un moyen d'obturation, tel qu'une 15 soupape d'admission 24, au moins un moyen d'echappement 26 avec une tubulure d'echappement 28 des gaz briles egalement controlee par un moyen d'obturation, tel qu'une soupape d'echappement 30, et un injecteur de carburant 32, de preference multi-jets, permettant d'introduire du carburant a I'interieur de la chambre de combustion 16. Preferentiellement, cet injecteur fait 20 partie d'un moyen d'injection, avec une rampe d'injection et une pompe par exemple, qui est controls par tous moyens et notamment par le calculateurmoteur (non represents) que comporte habituellement un tel moteur. La chambre de combustion est donc delimitee par la face interne de la culasse 14, la paroi circulaire du cylindre 10 et la face superieure du piston 12. 25 Cette face superieure du piston comporte un bol concave 34 a I'interieur duquel s'eleve, vers la culasse 14, un teton 36 qui se situe au centre de ce bol. Le teton, de forme generale tronconique, comporte un sommet 38, de preference arrondi, se poursuivant, en direction du fond 40 du bol, par un flanc incline 42 sensiblement rectiligne, puis, a partir de ce fond, par une paroi 30 laterale inclinee 44, sensiblement rectiligne et inclinee en direction de ce teton, rejoignant une surface sensiblement horizontale 46 de la face superieure du piston. L'injecteur de carburant est de type a faible angle de nappe de jets al et est choisi pour que la paroi du cylindre 10 ne soit jamais mouillee par le carburant pour toute position du piston 12 comprise entre + 50 et +a ou entre -50 et ùa, oia a represente ('angle du vilebrequin pour la phase d'injection choisie par rapport au point mort haut (PMH), cet angle a etant superieur a 50 et inferieur ou egal a 180 . Si CD designe le diametre (en mm) du cylindre 10 et F la distance (en mm) entre le point d'origine des jets de carburants et la position du piston correspondant a un angle de vilebrequin de 50 , alors ('angle de nappe al (en degre) sera inferieur ou egal a 2Arctg CD 2F Par angle de nappe, it est entendu ('angle au sommet que forme le cone issu de I'injecteur 32 et dont la paroi peripherique fictive passe par tous les axes des jets de carburant. Une fourchette angulaire typique pour I'angle de nappe al est au plus de 120 et preferentiellement entre 40 et 100 . Avantageusement, I'angle au sommet du teton est choisi d'une fawn telle quill soit superieur a I'angle de nappe al des jets de carburant d'une valeur comprise entre 0 et 60 et I'angle d'inclinaison de la paroi laterale 44 du bol 34 est au plus egal a la moitie de I'angle de nappe a1. Comme cela est largement connu, un tel moteur fonctionne selon quatre temps (ou quatre phases), une phase d'admission avec un mouvement du piston de son point mort haut (PMH) admission vers le point mort bas (PMB) suivie d'une phase de compression avec un mouvement du piston du PMB vers le point mort haut (PMH) compression, puis d'une phase de detente (ou de combustion) avec une course du piston allant du PMH compression vers le PMB et enfin une phase d'echappement au cours de laquelle le piston va du PMB vers le PMH echappement.30 En fonctionnement, le calculateur moteur recoit des signaux des differents capteurs du moteur et du vehicule, comme notamment la vitesse de rotation ou le couple requis par le conducteur lors de I'appui sur la pedale d'accelerateur. En fonction de ces differents signaux, ce calculateur determine, a partir de cartographies qu'iI contient en memoire, le mode selon lequel dolt fonctionner ce moteur ainsi que la quantite totale de carburant a injecter dans la chambre de combustion. Ainsi, dans le cas d'un fonctionnement de ce moteur en mode conventionnel, Tors de la phase d'admission, le piston se trouve au voisinage du PMH admission et a une course allant vers son PMB comme illustre par la fleche A sur la figure 1. Dans cette configuration, la soupape d'admission 24 est en position d'ouverture et de I'air (suralimente ou non suralimente) ou un melange d'air et de gaz d'echappement recircules (EGR) est introduit dans la chambre de combustion 16. Le calculateur-moteur commande I'injecteur 32 de fawn a introduire une premiere quantite determinee de carburant pendant le debut de cette phase d'admission et preferentiellement pendant une course de piston correspondant a un angle de vilebrequin allant de 0 a 50 . Avantageusement, I'introduction de cette quantite de carburant est subdivisee en une multiplicite d'injections successives pouvant titre de quantites egales ou differentes tout en etant reparties de maniere reguliere ou irreguliere pendant la course du piston correspondant a la plage de debattement de 0 a 50 d'angle de vilebrequin. De maniere avantageuse, cette premiere quantite de carburant represente de 2 a 10% de la quantite totale de carburant injecte. De par cette injection (ou ces injections successives) et la proximite du bol en regard de I'injecteur, le carburant non seulement glisse le long de la paroi 42 du teton 36 mais aussi balaye le volume creux du bol 34 en assurant ainsi un meilleur melange entre fair present dans ce bol et le carburant injecte. De plus, cette injection (ou ces injections) permet de loger du carburant dans des zones de la chambre de combustion qui sont habituellement difficiles a atteindre, notamment tors de ('injection de carburant au PMH compression, comme par exemple au dessus du teton. Grace a cela une meilleure utilisation de !'air contenu dans la chambre est realisee et la richesse de fonctionnement peut titre augmentee ainsi que la puissance du moteur. II est a noter que le piston reste a une temperature suffisamment elevee pour participer a !'evaporation du carburant, ce qui minimise donc le risque que du carburant sous forme liquide adhere aux parois du bol. Ce risque est d'autant plus limite que le mouvement descendant du piston jusqu'a son PMB fait en sorte de decoller ce film liquide de carburant des parois du bol. De plus, en injectant simultanement du carburant avec ('admission de ['air, le carburant absorbe la chaleur contenue dans cet air et le refroidissement de ('air par ce carburant permet d'augmenter le remplissage de la chambre de combustion grace a une admission d'une plus grande quantite d'air sous un meme volume. En outre, le carburant introduit et/ou ('air ainsi refroidi est au contact avec les differentes surfaces du bol et notamment avec le teton, ce qui permet d'assurer le refroidissement de ces surfaces et de limiter ('apparition de points chauds sur ce teton. Ainsi en arrivant a la position au PMB du piston 12, la chambre de combustion 16 contient un melange carbure plus ou moins homogene mais de richesse faible du fait des faibles quantites de carburant injectees et !'injection d'une autre quantite de carburant peut se poursuivre comme illustre a la figure 2. Dans la position illustree sur cette figure, le moteur est en phase de compression, les soupapes d'admission 24 et d'echappement 30 sont fermees et le piston 12 va de son PMB vers son PMH compression selon la fleche C. Une autre quantite de carburant est introduite dans la chambre de combustion par I'injecteur 32 et ce pendant la phase de remontee du piston vers son PMH. En general, pour des points de fonctionnement a pleines charges et fort regime (de I'ordre de 4000 tr/min), cette injection est realisee lorsque le piston atteint une position proche du PMH comprise entre 20 et 40 d'angle de vilebrequin et jusqu'au-dela de ce PMH, de maniere a ce que les proprietes physico-chimiques du melange carbure soient telles qu'elles permettent ('auto-inflammation de ce melange carbure au voisinage du PMH et lors de la phase de detente qui suit cette phase de compression. Comme cela est connu par I'homme du metier, cette position du piston pour ('injection de carburant est dependante de nombreux parametres, comme le taux de compression du moteur, la vitesse et la charge de ce moteur, la pression de I'air a ('admission, la pression maximale admissible a I'interieur des cylindres, la temperature maximale des gaz d'echappement,... De maniere preferentielle, la premiere quantite de carburant introduite dans la chambre de combustion va de 2% a 10% de la quantite totale de carburant introduite dans cette chambre tors des phases d'admission et de compression. De maniere encore plus preferentielle, cette premiere quantite de carburant correspond a environ 5% de cette quantite totale. La presente invention n'est pas limitee a I'exemple de realisation decrit mais englobe tous equivalents ou variantes. REVENDICATIONS 1) Procede pour injecter du carburant dans la chambre de combustion (16) d'un cylindre d'un moteur a combustion interne quatre temps a injection directe, notamment de type Diesel, pouvant fonctionner selon un mode de combustion homogene et selon un mode de combustion conventionnel, caracterise en ce quill consiste, pour le mode de combustion conventionnel du moteur, a introduire dans cette chambre une premiere quantite de carburant au voisinage du point mort haut du piston en debut de phase d'admission et une autre quantite de carburant au voisinage du point mort haut de ce piston en fin de phase de compression. 2) Procede selon la revendication 1, caracterise en ce consiste a introduire la premiere quantite de carburant en au moins une injection. 3) Procede selon la revendication 1 ou 2, caracterise en ce quill consiste a introduire la premiere quantite de carburant pour des positions du piston correspondant de 0 a 50 d'angle de vilebrequin. 20 4) Procede selon rune des revendications precedentes, caracterise en ce quill consiste a introduire, pour la premiere quantite de carburant, entre 2% et 10% de la quantite globale de carburant introduite pour les phases d'admission et de compression. 25