Brevet FR2891308A1 — publié le 20070330

Domaine de l'invention La présente invention concerne un procédé de gestion d'un moteur à combustion à auto-allumage contrôlé, selon lequel on introduit un mélange carburant-air au moins en partie pendant le temps d'échange de charge dans une chambre de combustion et on comprime pendant le temps de compression. Etat de la technique Les moteurs à combustion à injection directe d'essence, connus selon l'état de la technique injectent directement de l'essence dans la chambre de combustion du (des) cylindre(s) du moteur. Le mélange essence-air comprimé dans la chambre de combustion est ensuite allumé par les étincelles d'une bougie dans la chambre de combustion. Le volume du mélange essence-air allumé s'expanse de façon explosive et entraîne le piston du cylindre suivant un mouvement de va et vient. Ce mouvement de va et vient du piston est transmis au vilebrequin du moteur. Les moteurs à combustion à injection directe peuvent fonctionner selon différents modes. Un premier mode de fonctionnement appelé mode stratifié est utilisé notamment pour les charges réduites. Le second mode de fonctionnement ou mode homogène est utilisé pour des charges plus importantes appliquées au moteur. Les différents modes de fonctionnement se distinguent notamment par l'instant de l'injection, la durée de l'injection et l'instant d'allumage. En mode stratifié, l'essence est injectée dans la chambre de combustion du moteur au cours de la phase de compression de façon qu'au moment de l'allumage, un nuage de carburant se trouve dans le voisinage immédiat de la bougie. Cette injection peut se faire de différentes manières. Ainsi, le nuage de carburant à injecter peut se trouver près de la bougie déjà pendant ou directement après l'injection pour être allumé par celle-ci. Il est également possible de guider le nuage de carburant à injecter par un mouvement de charge vers la bougie d'allumage pour ensuite l'allumer. Dans ces deux procédés de combustion, il n'y a pas de répartition régulière de carburant dans la chambre de combustion mais une charge stratifiée. L'avantage du mode stratifié est de permettre au moteur à combustion de traiter de petites charges qui lui sont appliquées, avec une très faible quantité de carburant. Mais pour les charges importantes, on ne peut envisager le mode stratifié. Dans le mode homogène utilisé pour les charges importantes, l'essence est injectée au cours de la phase ou temps d'aspiration du moteur à combustion si bien que la mise en turbulence et la répartition de l'essence se font sans difficulté dans la chambre de combustion avant l'allumage. Le mode homogène correspond ainsi sensiblement au mode de fonctionnement des moteurs à combustion dans lesquels le carburant est injecté habituellement dans la conduite d'admission. Le cas échéant, on peut également utiliser ce mode de fonctionnement homogène pour des charges réduites. Pendant le fonctionnement d'un moteur à combustion interne en mode HCCI (Charge homogène avec allumage par compression) parfois également désigné CAI (allumage autocommandé) ou ATAC (combustion active en atmosphère thermique) ou TS (Toyota Soken) l'allumage du mélange air/carburant n'est pas un allumage commandé mais un auto-allumage contrôlé. Le procédé de combustion HCCI peut être produit par exemple par une forte teneur en gaz résiduel chaud et/ou par une forte compression et/ou une forte température d'entrée. La condition pour l'auto-allumage est d'avoir un niveau d'énergie suffisamment élevé dans le cylindre. Les moteurs à combustion fonctionnant en mode HCCI sont connus selon les documents US 6 260 520, US 6 390 054, DE 199 27 479 et WO 98/10179. La combustion HCCI présente l'avantage vis-à-vis de la combustion habituelle à allumage commandé, d'une consommation de carburant réduite et d'une moindre émission de matière polluante. toutefois, la régulation du procédé de combustion et en particulier la commande de l'auto-allumage du mélange sont complexes. Il faut une régulation des grandeurs de réglage influençant le procédé de combustion par exemple pour l'injection de carburant (quantité injectée ou instant d'injection et durée d'injection) une réintroduction interne ou externe des gaz d'échappement, des soupapes d'admission et d'échappement (commande variable des soupapes) , de la contre- pression des gaz d'échappement (volet des gaz d'échappement), le cas échéant une assistance à l'allumage, une température d'entrée d'air, la qualité du carburant et le rapport de combustion pour des moteurs à combustion à rapport de compression variable. Inconvénient de l'état de la technique Actuellement l'auto-allumage contrôlé ne peut s'utiliser que dans des plages de charge étroites car l'auto-allumage est mis en oeuvre actuellement uniquement par sa cinétique de réaction. But de l'invention La présente invention a pour but de développer un pro-cédé de gestion de moteur à combustion permettant d'étendre l'auto-allumage d'un moteur à essence à des plages de charge utilisables. Exposé et avantages de l'invention A cet effet l'invention concerne un procédé du type défini ci-dessus, caractérisé en ce que pendant le temps ou phase de change-ment de charge, on génère un front de flammes à un ou plusieurs en-droits, par allumage commandé dans le mélange carburant-air qui comprime le reste du mélange carburant-air et/ou le chauffe et le convertit ainsi au moins en partie en produits intermédiaires de combus- tion. L'invention permet de commander ou de réguler l'auto-allumage à différents points de charge à l'aide d'une injection stratifiée combinée à un allumage commandé. L'allumage d'une certaine dose injectée de façon stratifiée permet par un développement de la flamme, de favoriser l'autoallumage du restant du mélange et de commander ou de réguler ainsi une combustion combinée (développement de flammes + auto-allumage). A l'aide d'une injection stratifiée on peut influencer la combustion encore tardivement dans le temps ou phase de compression ou autour du point mort haut d'allumage, contrairement à l'auto- allumage classique pour lequel à partir de la fermeture de la soupape d'échange de gaz d'admission, la combustion est uniquement définie par la cinétique de réaction. En des points de charge différents, il faudra des stratégies de soupape de changement de gaz et d'injection différente. De plus, on peut utiliser une charge pour étendre la plage du champ de caractéristiques, par exemple vers les charges élevées. Grâce à la commande ou à la régulation d'une injection stratifiée dans la zone proche du point mort haut d'allumage, on peut démarrer un front de flammes, stratifié, chaud qui pousse rapidement la partie restante à l'auto-allumage. Cette injection stratifiée peut s'utiliser comme gran- deur de commande ou de régulation. De manière préférentielle il est prévu de générer le front de flammes à l'aide d'une ou plusieurs bougies d'allumage et/ ou par un laser. Selon un développement, une partie du mélange carburant-air est allumée de manière commandée pour du temps ou phase de compression. De manière préférentielle, le mélange carburant-air con-tient en outre des gaz d'échappement et forme un mélange carburantair-gaz d'échappement; les gaz d'échappement restent de préférence dans la chambre de combustion grâce à un chevauchement négatif des soupapes (retenue de gaz résiduels) au cours du temps ou phase de changement de charge. Dans le cas d'un chevauchement négatif des soupapes, la soupape d'échappement sera fermée avant que l'on atteigne le point mort haut pour qu'une partie des gaz brûlés reste retenue dans le cylindre. Le problème évoqué ci-dessus est également résolu par un moteur à combustion fonctionnant selon le mode d'auto-allumage contrôlé, consistant à introduire un mélange carburant-air dans une chambre de combustion pour comprimer le mélange dans une phase de compression et l'allumer, à un ou plusieurs endroits, par allumage commandé, en générant un front de flammes dans le mélange air-carburant pour comprimer le restant du mélange carburant-air et/ou le chauffer et déclencher ainsi son auto-allumage. Suivant d'autres caractéristiques avantageuses de l'invention: - on génère le front de flammes par une ou plusieurs bougies d'allumage, - on génère le front de flammes par un laser, - on allume de façon commandée une partie du mélange carburant-air dans le temps de compression, - le mélange carburant-air contient en plus des gaz d'échappement formant un mélange carburant-air-gaz d'échappement, - on maintient des gaz d'échappement dans la chambre de combustion pendant le temps de changement de charge par un chevauchement négatif des soupapes, - on génère par allumage commandé un front de flammes à un ou plu-sieurs endroits du mélange carburant-air, front qui comprime le reste du mélange carburant-air et/ou le chauffe pour déclencher son auto-allumage. Dessins La présente invention sera décrite ci-après à l'aide d'un exemple de réalisation représenté dans les dessins annexés dans les-quels: - la figure 1 est une vue schématique d'un cylindre de moteur à corn-bustion équipé d'un système d'alimentation en carburant, - la figure 2 montre un diagramme de la pression dans la chambre de combustion en fonction de l'angle du vilebrequin, - la figure 3 montre un ordinogramme du procédé de l'invention. Description d'un mode de réalisation de l'invention La figure 1 est une vue schématique d'un cylindre de moteur à combustion et des composants correspondants du système d'alimentation en carburant. A titre d'exemple, on a représenté un moteur à combustion à injection directe (moteur à essence à injection directe d'essence BDE) comportant un réservoir de carburant 11 équipé d'une pompe électrique de carburant (EKP) 12, d'un filtre à carburant 13 et d'un régulateur basse pression 14. Une conduite de carburant 15 issue du réservoir à carburant 11 est reliée à une pompe à haute pression 16. La pompe à haute pression 16 est reliée à une chambre à ac-cumulation 17. Cette chambre à accumulation 17 est reliée aux injecteurs 18 installés de préférence directement dans la chambre de combustion 26 du moteur. Dans les moteurs à combustion à injection directe, à chaque chambre de combustion 26 est associé au moins un injecteur 18 mais on peut également avoir plusieurs injecteurs 18 pour chaque chambre de combustion 26. Le carburant est transféré par la pompe électrique 12 du réservoir 11 à travers le filtre à carburant 13 et la conduite de carburant 15 jusqu'à la pompe haute pression 16. Le filtre à carburant 17 a pour fonction d'éliminer les particules étrangères contenues dans le carburant. A l'aide du régula- teur basse pression 14, on met la pression du carburant dans la zone basse pression du système d'alimentation en carburant à une valeur pré-définie; cette valeur est en général de l'ordre de grandeur d'environ 4 à 5 bars. La pompe haute pression 16 qui est de préférence entraînée directement par le moteur à combustion, comprime le carburant et le transfère à la chambre d'accumulation 17 (rampe commune). La pression du carburant atteint des valeurs allant jusqu'à environ 150 bars. La figure 1 montre à titre d'exemple la chambre de combustion 26 d'un moteur à combustion avec injection directe mais en général le moteur à combustion comporte plusieurs cylindres définissant chacun une chambre de combustion 26. La chambre de combustion est équipée d'au moins un injecteur 18, d'au moins une bougie d'allumage 24, d'au moins une soupape d'admission 27 et d'au moins une soupape d'échappement 28. La chambre de combustion est délimitée par un piston 29 qui glisse suivant un mouvement alternatif dans le cylindre. L'air frais de la conduite d'admission 36 arrive dans la chambre de combustion 26 à travers la soupape d'admission 27. L'injecteur 18, injecte directement le carburant dans la chambre de combustion 26 du moteur. La bougie d'allumage 24 allume le carburant. L'expansion du carburant ainsi allumé entraîne le piston 29. Le mouvement du piston 29 est transmis par une bielle 37 à un vilebrequin 35. Le vilebrequin 35 est équipé d'un disque à segments 34 détecté par un capteur de vitesse de rotation 30. Le capteur de vitesse de rotation 30 génère un signal caractérisant le mouvement de rotation du vilebrequin 35. La chambre de combustion peut être équipée d'une autre installation d'allumage 40. Il peut s'agir d'une autre bougie d'allumage en complément de la bougie d'allumage 24 ou par exemple d'un laser ou d'un moyen analogue. Avec cette autre installation d'allumage 40 ou de la bougie d'allumage 24, on déclenche l'allumage commandé décrit ci-après pour provoquer l'auto-allumage. Cette autre installation d'allumage 40 est commandée par l'appareil de commande 25 auquel elle est reliée électriquement. Les gaz d'échappement engendrés par la combustion sortent de la chambre de combustion 26 à travers la soupape d'échappement 28 pour passer dans la conduite de gaz d'échappement 33; cette conduite est équipée d'un capteur de température 31 et d'une sonde lambda 32. A l'aide du capteur de température 30, on détecte la température et à l'aide de la sonde lambda 32, on détecte la teneur en oxygène des gaz d'échappement. Un capteur de pression 21 et une vanne de commande de pression 19 sont reliés à la chambre d'accumulation 17. L'entrée de la vanne de commande de pression 19 est reliée à la chambre d'accumulation 17. En sortie, une conduite de retour 20 est reliée à la conduite de carburant 15. A la place d'un vanne de commande de pression 19, on peut également utiliser une vanne de commande de débit dans le système d'alimentation en carburant 10. Le capteur de pression 21, saisit la valeur réelle de la pression du carburant dans la chambre d'accumulation 17 pour la fournir à un appareil de commande 25. A partir de la valeur réelle de la pression du carburant, l'appareil de commande 25 génère un signal de commande pour la vanne de commande de pression. Les injecteurs 18 sont commandés par les étages de puissance, électriques, non représentés, intégrés ou non à l'appareil de commande 25. Des lignes de transmission de signaux de commande 22 relient les différents actionneurs et capteurs à l'appareil de commande 25. Différentes fonctions servant à la commande du moteur à combustion sont implémentées dans l'appareil de commande 25. Dans les appareils de commande modernes, ces fonctions sont programmées sur un calculateur et ensuite elles sont enregistrées dans une mémoire de l'appareil de commande 25. Les fonctions enregistrées dans la mémoire sont activées selon les besoins du moteur à combustion; des exigences très strictes sont notamment imposées à la capacité de travail en temps réel de l'appareil de commande 25. En principe, il est possible d'avoir une commande du moteur à combustion réalisée uniquement sous forme de circuit, en variante à une réalisation sous forme de pro-gramme. La conduite d'aspiration 36 est équipée d'un volet d'étranglement 38 dont la position de rotation est transmise par une ligne de signaux 39 et cette position est réglée par un actionneur élec- trique non représenté, géré par l'appareil de commande 25. Dans un premier mode de fonctionnement c'est-à-dire le mode homogène du moteur à combustion, le volet d'étranglement 38 est partiellement ouvert ou fermé en fonction de la masse d'air que l'on souhaite fournir. Le carburant est injecté par l'injecteur 18 pendant le temps d'aspiration engendré par le piston 29 dans la chambre de combustion 26. L'air aspiré en même temps crée des turbulences avec le carburant et le répartit ainsi pratiquement régulièrement, de façon homogène, dans la chambre de combustion 26. Puis pendant le temps de compression, le mélange carburantair est comprimé dans le volume de la chambre de combustion 26 que réduit le piston 29 pour ensuite être allumé en général juste avant d'atteindre le point mot haut du piston 27 à l'aide de la bougie d'allumage 24. Selon un second mode de fonctionnement c'est-à-dire le mode stratifié pour le moteur à combustion, on ouvre largement le volet d'étranglement 38. Le carburant est injecté par l'injecteur 18 pendant le temps de compression engendré par le piston 29 dans la chambre de combustion 26. Puis comme précédemment le carburant est allumé à l'aide de la bougie d'allumage 24 de sorte que dans le temps ou phase suivant du cycle de travail, le piston 29 est entraîné par l'expansion de la combustion du carburant. Un autre mode de fonctionnement possible est le mode homogène maigre (ou mode homogène pauvre) selon le-quel le carburant est injecté comme en mode homogène pendant la phase d'admission dans la chambre de combustion 26. La figure 2 montre un diagramme de la pression de la chambre de combustion 26 dans le moteur en fonction de l'angle de vilebrequin représenté en degré d'angle de vilebrequin ( KW). En ordonnées, on a représenté l'angle de vilebrequin entre -180 et 540 ; en abscisses on a représenté la pression de la chambre de combustion en bars. L'angle 0 correspond ici arbitrairement au point mort haut pour le changement de charge L-OT. De façon connue le changement de charge sert à expulser les gaz brûlés ce qui se fait entre les angles de - 180 et 0 du vilebrequin et l'aspiration d'air ambiant frais ou d'un mélange carburant-air se fait ici dans la plage d'angle de vilebrequin corn- prise entre 0 et 180 . Le vilebrequin continue de tourner et l'angle de vilebrequin de 360 correspond au point mort haut pour l'allumage (allumage au point mort haut). Entre l'angle de vilebrequin 180 (selon la figure 2) et 360 , on a le temps ou phase de compression; entre l'angle de 360 et de 540 , on a le temps ou phase d'expansion des gaz brûlés. Les différents temps ou phases sont désignés à la figure 2 par les expressions expulsion AU entre -180 et 0 ; aspiration AN pour la plage comprise entre 0 et 180 ; temps de compression (compression) V dans la plage comprise entre 180 et 360 ; expansion (combustion) E pour la plage comprise entre 360 et 540 . Dans la phase de compression V, l'air ou le mélange carburant-air ou encore le mélange carburant-air-gaz d'échappement est comprimé et ainsi chauffé. Le mélange est en général allumé juste avant d'atteindre le point mort haut d'allumage OTs. Cela peut se faire comme dans le cas du moteur à essence, habituellement par un allumage commandé ou selon le mode de fonctionnement de l'invention par un auto-allumage contrôlé. L'allumage du mélange se traduit de façon connue par une augmentation de pression qui se transforme en énergie mécanique dans le temps ou phase de travail consécutif, c'est-à-dire l'expansion E. Dans le cas d'un moteur à essence à injection directe, le carburant peut être injecté en partie pendant la phase de compression (temps de compression) V (voir figure 2) dans le cas du mode de fonctionnement stratifié et d'autre part il peut être injecté comme dans le cas d'un moteur à essence classique au moins en partie après le changement de charge OT (L-OT) en mode homogène dans la chambre de combustion ou dans le canal d'admission ou aspiration. La dose ou quantité complète de carburant à injecter dans le temps de travail est injectée dans la conduite d'admission ou seulement une partie de cette dose y est injectée et le restant est injecté pendant le temps de compression (mode homogène mixte). En mode de fonctionnement avec au- to- allumage contrôlé, l'auto-allumage se fait juste avant d'atteindre le point mort haut d'allumage OTs (Z-OT). Pour cela il faut que le mélange gaz-air-carburant-gaz d'échappement soit à une température d'allumage suffisante. Cela peut être obtenu quel que soit l'état de fonctionnement. Pour augmenter la température du mélange carburant-air-gaz d'échappement dans la chambre de combustion 26, on introduit au moins une partie de la dose de carburant nécessaire dans la conduite d'admission, dans la chambre de combustion 26 et on l'enflamme au moins en partie par un allumage commandé. Cela fait augmenter la température du mélange carburant-air-gaz d'échappement dans la chambre de combustion 26. L'allumage commandé génère un front de flammes qui ne progresse que lentement à cause de la concentration de carburant et des conditions de pression alors que le reste du mélange carburant-air-gaz d'échappement continue d'être comprimé et voit sa température aug- menter. Dans le mélange carburant-air-gaz d'échappement non allumé par le front de flammes, il se crée une pression et une température qui suffisent pour permettre une conversion partielle en produits intermédiaires de combustion. Cela dégage de la chaleur si bien que la conversion de l'énergie est inférieure à celle que fournit une combustion complète. Après le temps d'admission AN, le mélange carburant-air-gaz d'échappement contenu dans la chambre de combustion 26 arrive à une température élevée pendant la phase ou temps de compression V. Le niveau de température est ainsi déjà augmenté pour le temps de compression suivant, par la combustion au moins partielle de la dose de carburant (convertie) si bien que la température et la pression suffisent pour déclencher un auto-allumage contrôlé pendant le temps de compression. En plus, on peut avoir un autre allumage commandé au cours du temps de compression qui se poursuit alors seulement par l'auto- allumage contrôlé. L'allumage commandé dans le temps de compression (phase de compression) V génère du fait de la concentration de carburant et des conditions de pression, un front de flammes qui ne progresse que lentement et continue de comprimer le restant du mélange carburant-air-gaz d'échappement et d'augmenter sa température. Ainsi, dans le mélange carburant-air-gaz d'échappement non allumé par le front de flammes, la pression et la température générée suffiront pour l'auto-allumage. Cet auto-allumage résulte également de l'augmentation de pression et de température dans la chambre de combustion 26 pro-duites par un allumage commandé. La figure 3 montre un ordinogramme du procédé de l'invention. Dans l'étape 100, on injecte tout d'abord au moins une par-tie de la dose ou quantité de carburant à injecter pendant le temps de travail au cours du changement de charge c'est-à-dire dans le temps d'expulsion AU, le temps d'admission AN ou dans la phase résiduelle de compression de gaz. La phase résiduelle de compression de gaz est une partie du temps d'expulsion au cours de laquelle, lorsque la soupape d'admission et la soupape d'échappement sont fermées (chevauchement négatif des soupapes), le reste des gaz d'échappement est comprimé dans la chambre de combustion. Puis, en option, dans l'étape 102, on effectue l'allumage du mélange carburant-air-gaz d'échappement injecté dans l'étape 101. Dans l'étape 103, on continue par le temps de compression; dans l'étape 104, on injecte la quantité restante. La quantité ou dose restant de l'étape 101 et 104 est la quantité totale de carburant utilisée pour l'ensemble du temps de travail. Dans l'étape 106, par al- lumage commandé, on allume une partie du mélange carburant-air-gaz d'échappement dans la chambre de combustion 26 ce qui développe un front de flammes progressant lentement et produisant l'auto-allumage contrôlé du restant du mélange dans l'étape 105. Puis, dans l'étape 106, on poursuit par l'auto-allumage contrôlé. Il est également possible de n'injecter du carburant que dans la phase ou temps d'admission et d'en commander l'allumage soit directement en partie dans l'étape 102 soit dans l'étape 105 pendant la phase de compression en assurant un allumage commandé partiel puis l'auto-allumage contrôlé se déclenche dans l'étape 106. REVENDICATIONS 11 Procédé de gestion d'un moteur à combustion à auto-allumage contrôlé, selon lequel on introduit un mélange carburant-air au moins en partie pendant le temps d'échange de charge (AU, AN) dans une cham- bre de combustion (26) et on comprime pendant le temps de compression (V), caractérisé en ce pendant le temps de changement de charge (AU, AN), on génère un front de flammes à un ou plusieurs endroits par allumage commandé dans le mélange carburant-air qui comprime le reste du mélange carburant-air et/ ou le chauffe et le convertit ainsi au moins en partie en pro-duits intermédiaires de combustion. 2 ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' on génère le front de flammes par une ou plusieurs bougies d'allumage (24, 40). 3 ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' on génère le front de flammes par un laser (40). 4 ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' on allume de façon commandée une partie du mélange carburant-air dans le temps de compression (V). 5 ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le mélange carburant-air contient en plus, des gaz d'échappement formant un mélange carburant-air-gaz d'échappement. 6 ) Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce qu' on maintient des gaz d'échappement dans la chambre de combustion pendant le temps de changement de charge par un chevauchement négatif des soupapes. 7 ) Moteur à combustion fonctionnant avec auto-allumage contrôlé selon lequel, on introduit un mélange carburant-air dans la chambre de combustion et on comprime le mélange dans une phase de compression et on l'allume, caractérisé en ce qu' on génère par allumage commandé un front de flammes à un ou plu-sieurs endroits du mélange carburant-air, front qui comprime le reste du mélange carburant-air et/ ou le chauffe pour déclencher son auto-allumage.