Brevet FR2909706A1 — publié le 20080613

"Procédé d'injection retardée d'un jet de carburant orienté vers la tête d'une soupape d'échappement et application d'un tel procédé à la régénération d'un dispositif de dépollution" L'invention se rapporte à un procédé d'injection retardée de carburant dans une chambre de combustion de véhicule automobile qui comporte au moins une soupape d'échappement. L'invention se rapporte plus particulièrement à un procédé d'injection retardée de carburant dans une chambre à combustion d'un moteur à combustion interne de véhicule automobile qui io comporte : - une chambre de combustion qui comporte au moins un orifice d'échappement des gaz chauds de combustion ; - au moins une soupape d'échappement qui est associée à l'orifice d'échappement et qui est montée mobile entre une is position de fermeture dans laquelle une tête de la soupape obture l'orifice d'échappement et une position extrême d'ouverture dans laquelle la tête de la soupape est écartée de l'orifice d'échappement de manière à être agencée à l'intérieur de la chambre de combustion ; 20 - un injecteur qui est commandé de manière à émettre au moins un jet de carburant dans la chambre de combustion selon une orientation prédéterminée lors d'une opération d'injection. Les moteurs à combustion interne comportent au moins une chambre de combustion qui est délimitée par un cylindre à 25 l'intérieur duquel coulisse axialement un piston. La chambre de combustion est alimentée en air par l'intermédiaire d'un circuit d'admission et elle est alimentée en carburant par l'intermédiaire d'un injecteur de carburant. Lors d'une opération de combustion, un mélange d'air et de 30 carburant est brûlé dans la chambre de combustion. Puis les gaz de combustion sont chassés dans un circuit d'échappement par l'intermédiaire d'un orifice d'échappement qui est susceptible d'être obturé par une soupape d'échappement. L'opération de 2909706 2 combustion est réalisée cycliquement lors du fonctionnement du moteur. Les moteurs à combustion interne de véhicule automobile produisent et émettent dans les gaz de combustion des 5 substances polluantes toxiques, en particulier des oxydes d'azote ou NOx et des particules de suies. Or, les normes antipollution applicables aux véhicules automobiles imposent aux constructeurs des quantités maximales de substances polluantes rejetées dans l'atmosphère qui doivent io être de plus en plus faibles. C'est la raison pour laquelle l'utilisation d'un dispositif de dépollution des gaz d'échappement, tel qu'un filtre à particules, en aval du moteur pour éliminer des gaz de combustion les particules de suie produites lors de la combustion, est devenue is presque incontournable. Les dispositifs de dépollution à accumulation de ce type doivent être régénérés régulièrement pour conserver leur efficacité et pour ne pas ralentir l'écoulement des gaz de combustion dans le circuit d'échappement. 20 Pour régénérer les dispositifs de dépollution de ce type, par exemple les filtres à particules, il est connu d'enrichir temporairement les gaz de combustion avec des hydrocarbures (HC) imbrûlés. En effet, lorsque les hydrocarbures imbrûlés entrent en contact avec une substance catalytique du dispositif de 25 dépollution, une réaction d'oxydation exothermique se produit. L'élévation de température déclenche la réaction de régénération, par exemple la combustion des particules piégées dans le cas d'un filtre à particules. Pour enrichir les gaz de combustion en hydrocarbures, un 30 procédé connu consiste à modifier temporairement le fonctionnement de l'injecteur de carburant dans la chambre de combustion du moteur. Ainsi, l'opération de régénération comporte une étape d'injection retardée de carburant dans la 2909706 3 chambre de combustion en retard par rapport à la combustion et en avance par rapport à la fermeture de la soupape d'échappement. Au moins une partie du carburant injecté au cours de cette étape est refoulée dans le circuit d'échappement sans 5 avoir été brûlé. Cependant, une autre partie résiduelle du carburant injecté lors de l'étape d'injection retardée est susceptible de ne pas être aspirée dans le circuit d'échappement. Cette partie résiduelle de carburant est projetée sous forme de gouttelettes contre la paroi io cylindrique de la chambre de combustion. Le carburant projeté risque alors de couler le long de la paroi et de passer entre les segments du piston et la paroi du cylindre pour venir se diluer dans l'huile présente sous le piston. Si cette dilution est trop importante, il y a un risque de dysfonctionnement du moteur à 15 combustion. Pour résoudre notamment ce problème, l'invention propose un procédé d'injection retardée du type décrit précédemment, caractérisé en ce qu'il comporte une étape d'injection retardée de carburant qui est concomitante avec le passage de la soupape 20 d'échappement dans une position déterminée d'ouverture dans laquelle le jet de carburant est orienté sensiblement en direction de la tête de soupape de manière qu'au moins une partie du carburant ainsi injecté entre en contact avec la tête de soupape. Selon d'autres caractéristiques de l'invention : 25 - la position déterminée d'ouverture correspond la position extrême d'ouverture de la soupape d'échappement ; - la tête de la soupape d'échappement est chauffée à une température supérieure à la température d'évaporation du carburant. 30 L'invention se rapporte aussi à l'application du procédé d'injection selon l'une quelconque des revendications précédentes à un procédé de régénération d'un dispositif de dépollution des 2909706 4 gaz de combustion d'un moteur à combustion interne qui comporte : - une chambre de combustion dans laquelle un mélange de carburant et d'air est susceptible de brûler au cours d'une phase 5 de combustion et qui comporte au moins un orifice d'échappement des gaz chauds de combustion ; - au moins une soupape d'échappement qui est associée à l'orifice d'échappement et qui est montée mobile entre une position de fermeture dans laquelle une tête de la soupape obture io l'orifice d'échappement et une position extrême d'ouverture dans laquelle la tête de la soupape est écartée de l'orifice d'échappement de manière à être agencée à l'intérieur de la chambre de combustion ; - un injecteur qui est commandé de manière à émettre au is moins un jet de carburant dans la chambre de combustion selon une orientation prédéterminée lors d'une opération d'injection ; - un circuit d'échappement qui est raccordé à l'orifice d'échappement et qui comporte un dispositif de dépollution des gaz de combustion qui est susceptible d'être régénéré par contact 20 avec des hydrocarbures imbrûlés présents dans les gaz de combustion ; caractérisé en ce que le procédé de régénération comporte ladite étape d'injection retardée de carburant du procédé d'injection qui est réalisée en retard par rapport à la combustion 25 et lorsque la soupape d'échappement est dans une position d'ouverture de manière qu'au moins une partie du carburant ainsi injecté soit susceptible d'entrer en contact avec le dispositif de traitement. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention 30 apparaîtront au cours de la lecture de la description détaillée qui va suivre pour la compréhension de laquelle on se reportera aux dessins annexés parmi lesquels : 2909706 5 - la figure 1 est une vue en coupe axiale qui représente un moteur à combustion interne comportant une chambre de combustion qui est raccordée à un circuit d'échappement et qui comporte un injecteur et une soupape d'échappement qui est en s position de fermeture ; - la figure 2 est une vue similaire à celle de la figure 1 dans laquelle la soupape d'échappement est dans une position déterminée d'ouverture ; - la figure 3 est une vue schématique de dessus qui io représente la chambre de combustion des figures 1 et 2 qui est équipée de deux soupapes d'échappement et d'un injecteur qui est susceptible d'émettre simultanément six jets de carburants. Pour la suite de la description, des éléments identiques, analogues ou similaires seront indiqués par des mêmes numéros 15 de référence. Pour la suite de la description, on adoptera de manière non limitative une orientation axiale orientée de bas en haut selon l'axe du cylindre tel que représenté aux figures 1 et 2, et des orientations radiales qui sont perpendiculaires à l'axe du cylindre. 20 Par convention, on utilisera les termes "amont" et "aval" conformément à la direction d'écoulement des gaz dans le moteur à combustion. On représenté à la figure 1 un moteur à combustion interne 10 de véhicule automobile. Il s'agit ici d'un moteur à allumage 25 par compression du type Diesel. Le moteur à combustion interne 10 comporte un cylindre 12 d'axe "A" d'orientation axiale qui est réalisé dans un bloc-cylindres 13. Un piston 14 est monté coulissant axialement à l'intérieur du cylindre 12 entre une position extrême basse et une 30 position extrême haute. Le piston 14 divise le cylindre 12 en une chambre supérieure 22 et en une chambre inférieure 24. Les chambres 22, 24 ont un volume variable en fonction de la position axiale du piston. 2909706 6 Le piston 14 comporte dans sa face supérieure un bol 16. Le piston 14 comporte aussi des segments 20 qui sont ici au nombre de trois, et qui sont agencés dans des gorges annulaires réalisées dans une paroi cylindrique extérieure du piston 14. Les 5 segments 20 sont destinés à être interposés entre le piston 14 et la paroi cylindrique du cylindre 14 de manière à rendre les chambres 22, 24 étanches, notamment aux gaz d'échappement, l'une par rapport à l'autre. Une culasse 26 est aussi agencée sur une face radiale io supérieure du bloc-cylindres 13 de manière qu'une face radiale inférieure 28 de la culasse 26 ferme le cylindre 12 vers le haut. La chambre supérieure 22 du cylindre 12 est ainsi délimitée radialement par la paroi cylindrique du cylindre 12, et elle est délimitée axialement vers le bas par le bol 16 du piston is 14 et vers le haut par la culasse 26. La chambre supérieure 22 est destinée à former une chambre de combustion 22. Un injecteur 30 de carburant est agencé dans la culasse 26 selon l'axe "A" de manière qu'une buse 32 de l'injecteur 30 soit susceptible d'émettre des jets 34 radiaux de carburant à l'intérieur 20 de la chambre de combustion 22 lors d'opérations d'injection. Comme illustré à la figure 3, les jets 34 de carburant sont ici au nombre de six, et ils sont orientés en couronne autour de l'axe "A" du cylindre 12. Les jets 34 de carburant font plus particulièrement un 25 angle "a" vers le bas avec la direction radiale afin que chaque jet de carburant 34 soit dirigé selon une orientation prédéterminée vers la paroi cylindrique du cylindre 12 lorsque le piston 14 est dans une position basse et vers la périphérie du bol 16 lorsque le piston 14 est dans sa position extrême haute. 30 Le moteur 10 comporte aussi un circuit d'admission d'air à l'intérieur de la chambre de combustion 22 et un circuit d'échappement des gaz chauds de combustion de la chambre de combustion 22. 2909706 7 Le circuit d'admission comporte une conduite d'admission 36 d'air qui est représentée à gauche à la figure 1. La conduite d'admission 36 débouche dans la chambre de combustion 22 par un orifice aval d'admission 38 qui est formé dans la face 5 inférieure 28 de la culasse 26. Le circuit d'admission comporte aussi une soupape d'admission 40. La soupape d'admission 40 comporte une queue 42 sensiblement verticale à une extrémité inférieure de laquelle une tête de soupape d'admission 44 est agencée. La soupape io d'admission 40 est montée coulissante entre une position haute de fermeture dans laquelle la tête de soupape d'admission 44 obture l'orifice d'admission 38 et une position extrême basse d'ouverture dans laquelle la tête de soupape d'admission 44 est écartée de l'orifice d'admission 38 axialement vers le bas à is l'intérieur de la chambre de combustion 22 afin de libérer le passage de l'air à travers l'orifice d'admission 38. Le sens d'écoulement de l'air est indiqué par la flèche "Air" de la figure 1. Le circuit d'échappement comporte une conduite 20 d'échappement 46 des gaz de combustion qui est représentée à droite à la figure 1. La conduite d'échappement 46 débouche dans la chambre de combustion 22 par un orifice amont d'échappement 48 qui est formé dans la face inférieure 28 de la culasse 26. Le circuit d'échappement comporte aussi une soupape 25 d'échappement 50. La soupape d'échappement 50 comporte une queue 52 sensiblement verticale à une extrémité inférieure de laquelle une tête de soupape d'échappement 54 est agencée. La soupape d'échappement 50 est montée coulissante entre une position haute extrême de fermeture dans laquelle la tête de 30 soupape d'échappement 54 obture l'orifice d'échappement 48 et une position extrême basse d'ouverture dans laquelle la tête de soupape d'échappement 54 est écartée de l'orifice d'échappement 48 axialement vers le bas afin de libérer le passage des gaz de 2909706 8 combustion à travers l'orifice d'échappement 48. Ainsi, lorsque la soupape d'échappement 50 est dans une position d'ouverture, la tête de soupape d'échappement 54 est agencée à l'intérieur de la chambre de combustion 22. 5 Le sens d'écoulement des gaz d'échappement est indiqué par les flèches "G" de la figure 1. La conduite d'échappement 46 est aussi équipée d'un dispositif de dépollution à accumulation qui est ici un filtre à particules 56 et qui est agencé en aval de l'orifice d'échappement io 48. Le dispositif de dépollution 56 comporte une substance catalytique active d'oxydation (non représentée). De manière connue, le moteur à combustion interne 10 fonctionne selon un cycle qui peut être décomposé en quatre phases. 15 Lors d'une première phase d'admission, le piston 14 est en position haute, la soupape d'admission 40 est commandée en position d'ouverture et la soupape d'échappement 50 est en position de fermeture. Le piston 14 descend alors vers sa position basse en aspirant de l'air à travers l'orifice d'admission 38 dans la 20 chambre de combustion 22. Puis une deuxième phase de compression commence lorsque le piston 14 est dans sa position basse. La soupape d'admission 40 est commandée dans sa position de fermeture. Le piston 14 remonte alors vers sa position haute en comprimant l'air 25 admis dans la chambre de combustion 22. Lorsque le piston 14 est au voisinage de sa position haute, du carburant est injecté dans la chambre de combustion 22. Les jets de carburant 34 viennent alors arroser le bol 16 du piston 14. Lors d'une troisième phase d'explosion, le carburant 30 injecté se mélange avec l'air admis comprimé. La compression provoque une augmentation de la température du mélange air/carburant au-delà de sa température de combustion. Il se 2909706 9 produit alors une combustion qui propulse le piston 14 de nouveau vers sa position basse. Puis, lors d'une quatrième phase d'échappement, la soupape d'échappement 50 est commandée vers sa position 5 d'ouverture lorsque le piston 14 remonte vers sa position haute. Le piston 14 chasse ainsi les gaz de combustion dans la conduite d'échappement 46 par l'intermédiaire de l'orifice d'échappement 48. Le cycle est ensuite réitéré. Le filtre à particules 56 doit être régénéré de temps en io temps. Pour régénérer le filtre à particules 56, il est connu de mettre en oeuvre un procédé de régénération au cours duquel la combustion des particules et des suies piégées est provoquée en réalisant une ou plusieurs opérations d'injection retardée de carburant dans la chambre de combustion 22 au cours d'une is étape d'injection retardée. Lors de la mise en oeuvre de ce procédé de régénération par injection retardée de carburant, les opérations d'injection retardée sont réalisées après la combustion, lorsque la soupape d'échappement 50 n'est pas encore dans sa position de fermeture. 20 Ainsi, le carburant injecté lors de cette opération d'injection retardée est chassé avec les gaz de combustion dans la conduite d'échappement 46. Le carburant non brûlé est ainsi susceptible d'entrer en contact avec la substance catalytique active du dispositif 56 de dépollution qui oxyde les hydrocarbures 25 (HC) du carburant lors d'une réaction fortement exothermique. La chaleur ainsi produite provoque le début de la combustion des particules piégées. Cependant, les jets de carburant 34 effectués lors des opérations d'injection retardée sont dirigés directement vers la 30 paroi cylindrique du cylindre 12, car le piston 14 n'est généralement pas dans une position suffisamment haute pour intercepter les jets 34. Or, une partie résiduelle du carburant n'est pas chassée dans la conduite d'échappement 46. Cette partie 2909706 i0 résiduelle de carburant entre donc en contact avec la paroi du cylindre 12. Or, le bloc-cylindres 13 est refroidi par un circuit de refroidissement (non représenté) de manière que la paroi du cylindre 12 est généralement à une température inférieure à la 5 température d'évaporation du carburant. Ainsi, la partie résiduelle de carburant s'étale sur la paroi du cylindre 12 sous forme de gouttelettes. On a constaté que la partie résiduelle du carburant passe au moins en partie entre les segments 20 et la paroi du cylindre io 12 pour atteindre la chambre inférieure 24 du cylindre. Or la chambre inférieure 24 est ouverte sur un circuit de lubrification (non représenté) qui comporte de l'huile. La présence de carburant dans l'huile de lubrification est une source de dysfonctionnement du moteur. 15 L'invention propose donc un procédé d'injection retardée qui comporte une étape d'injection retardée de carburant qui est concomitante avec le passage de la soupape d'échappement 50 dans une position déterminée d'ouverture, comme illustrée à la figure 2, dans laquelle le jet de carburant 34 est orienté 20 sensiblement en direction de la tête de soupape d'échappement 54 de manière qu'au moins une partie du carburant ainsi injecté entre en contact avec la tête de soupape d'échappement 54. Ainsi, le carburant injecté par le jet 34 qui est orienté vers la tête de soupape d'échappement 54 n'atteint pas la paroi du 25 cylindre 12 car le jet 34 est intercepté par la tête de soupape d'échappement 54. De plus, lorsque le moteur à combustion fonctionne, les combustions répétées dans la chambre de combustion 22 produisent une grande quantité de chaleur qui chauffe la tête de 30 soupape d'échappement 54 à une température supérieure à la température de vaporisation du carburant. Ainsi, le carburant intercepté par la tête de soupape d'échappement 54 s'évapore, 2909706 Il facilitant ainsi son refoulement vers la conduite d'échappement 46. Comme représenté à la figure 3, le moteur 10 comporte ici deux orifices d'échappement 48 et deux orifices d'admission 38. s En outre, l'injecteur 32 est susceptible d'émettre six jets de carburant 34 qui rayonnent régulièrement depuis la buse 32 de l'injecteur 30. Seuls deux jets 34 sont orientés totalement ou partiellement en direction des têtes de soupape d'échappement io 54. Avantageusement, les jets 34 sont orientés autour de l'axe "A" de manière que l'intersection entre les jets 34 et les têtes de soupape d'échappement 54 soit maximale. Afin de pouvoir produire l'injection retardée au meilleur is moment, il est possible de modifier l'angle "a" par rapport à la direction radiale de manière à régler la position déterminée d'ouverture de la soupape d'échappement 50. Par exemple, la position déterminée d'ouverture de la soupape d'échappement 50 correspond à sa position extrême 20 d'ouverture. Selon une variante de l'invention, la position déterminée d'ouverture de la soupape d'échappement 50 est située entre sa position de fermeture et sa position extrême d'ouverture. Par exemple lorsque la soupape d'échappement 50 se déplace vers sa 25 position extrême d'ouverture ou encore lorsque la soupape d'échappement 50 se déplace vers sa position de fermeture. Lorsque le coulissement de la soupape d'échappement 50 est déterminé par la rotation d'un arbre à cames (non représenté) qui est entraîné en rotation par un vilebrequin (non représenté) du 30 moteur 10, l'étape d'injection retardée ne peut être réalisée qu'à un ou deux moments déterminés. Il n'est en effet pas possible de piloter le coulissement de la soupape d'échappement 50 indépendamment de la position angulaire du vilebrequin. 2909706 12 Selon une variante non représentée de l'invention, les soupapes d'échappement 50 sont susceptibles d'être pilotées en coulissement indépendamment de la rotation du vilebrequin. C'est notamment le cas lorsque le coulissement des soupapes 5 d'échappement 50 est piloté par un moteur électrique ou par un électroaimant associé à la soupape d'échappement 50. Dans ce cas, l'étape d'injection retardée est avantageusement réalisée à n'importe quel moment pendant la phase d'échappement. Les soupapes d'échappement 50 peuvent en effet être commandées lo dans leur position déterminée d'ouverture indépendamment de la rotation du vilebrequin. Le procédé d'injection retardé selon l'invention est avantageusement appliqué au procédé de régénération du dispositif de dépollution 56 par injection retardée de manière à is améliorer la régénération du dispositif de dépollution 56 en permettant l'évaporation du carburant, et de manière à diminuer fortement la quantité de carburant projetée sur la paroi du cylindre 12. Le procédé de dépollution a été décrit en application à un 20 filtre à particules 56. Un tel procédé de dépollution est aussi applicable à d'autres dispositifs de dépollution à accumulation tels que des pièges à oxyde d'azote (NOx). REVENDICATIONS 1. Procédé d'injection retardée de carburant dans une chambre à combustion (22) d'un moteur à combustion interne (10) de véhicule automobile qui comporte : - une chambre de combustion (22) qui comporte au moins un orifice d'échappement (48) des gaz chauds de combustion (G) ; - au moins une soupape d'échappement (50) qui est associée à l'orifice d'échappement (48) et qui est montée mobile entre une position de fermeture dans laquelle une tête (54) de la soupape obture l'orifice d'échappement (48) et une position extrême d'ouverture dans laquelle la tête de la soupape (54) est écartée de l'orifice d'échappement (48) de manière à être agencée à l'intérieur de la chambre de combustion (22) ; - un injecteur (30) qui est commandé de manière à émettre au moins un jet de carburant (34) dans la chambre de combustion (22) selon une orientation prédéterminée lors d'une opération d'injection ; caractérisé en ce qu'il comporte une étape d'injection retardée de carburant qui est concomitante avec le passage de la soupape d'échappement (50) dans une position déterminée d'ouverture dans laquelle le jet de carburant (34) est orienté sensiblement en direction de la tête de soupape (54) de manière qu'au moins une partie du carburant ainsi injecté entre en contact avec la tête de soupape (54). 2. Procédé d'injection selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la position déterminée d'ouverture correspond la position extrême d'ouverture de la soupape d'échappement (50). 3. Procédé d'injection selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la tête (54) de la soupape d'échappement (50) est chauffée à une température supérieure à la température d'évaporation du carburant. 2909706 14 4. Application du procédé d'injection selon l'une quelconque des revendications précédentes à un procédé de régénération d'un dispositif de dépollution (56) des gaz de combustion (G) d'un moteur à combustion interne (10) qui 5 comporte : - une chambre de combustion (22) dans laquelle un mélange de carburant et d'air est susceptible de brûler au cours d'une phase de combustion et qui comporte au moins un orifice d'échappement (48) des gaz chauds de combustion (G) ; 10 - au moins une soupape d'échappement (50) qui est associée à l'orifice d'échappement (48) et qui est montée mobile entre une position de fermeture dans laquelle une tête de la soupape (54) obture l'orifice d'échappement (48) et une position extrême d'ouverture dans laquelle la tête de la soupape (54) est 1s écartée de l'orifice d'échappement (48) de manière à être agencée à l'intérieur de la chambre de combustion (22) ; - un injecteur (30) qui est commandé de manière à émettre au moins un jet de carburant (34) dans la chambre de combustion (22) selon une orientation prédéterminée lors d'une opération 20 d'injection ; - un circuit d'échappement qui est raccordé à l'orifice d'échappement et qui comporte un dispositif de dépollution (56) des gaz de combustion (G) qui est susceptible d'être régénéré par contact avec des hydrocarbures imbrûlés (HC) présents dans les 25 gaz de combustion ; caractérisé en ce que le procédé de régénération comporte ladite étape d'injection retardée de carburant du procédé d'injection qui est réalisée en retard par rapport à la combustion et lorsque la soupape d'échappement (50) est dans une position 30 d'ouverture de manière qu'au moins une partie du carburant ainsi injecté soit susceptible d'entrer en contact avec le dispositif de traitement (56).