Brevet FR2921975A1 — publié le 20090410

La présente invention concerne un procédé d'injection de carburant dans un moteur thermique et plus particulièrement un procédé d'injection de carburant dans une tubulure d'admission d'un moteur à combustion à allumage commandé. La formation du mélange en phase de démarrage et plus particulièrement en phase de démarrage à froid des moteurs à allumage commandé et à injection indirecte est une problématique cruciale à traiter. En effet, le carburant injecté sur les parois froides des conduits d'admission en injection indirecte se vaporise très peu. La formation d'un mélange air-carburant homogène (nécessaire à une bonne combustion) est alors très difficile à obtenir. La combustion génère donc de fortes émissions de polluants (notamment des hydrocarbures imbrûlés) lors de ces phases de fonctionnement à froid. Pour les moteurs qui fonctionnent avec un carburant très peu volatile tel que l'éthanol, cette vaporisation est encore plus difficile et entraîne également des difficultés de démarrage. Pour améliorer la préparation d'un mélange air-carburant le plus homogène possible, pendant ce fonctionnement à froid, différentes solutions existent. Certaines proposent de chauffer le carburant avant injection, d'autres de chauffer les parois sur lesquelles le carburant est injecté, ou encore d'utiliser une injection assistée par air pour réduire la taille des gouttes de carburant dans les conduits d'admission. Ces solutions présentent notamment l'inconvénient de conditionner l'état 30 du carburant avant le passage de la ou des soupapes d'admission. MS\RENO36FR.dpt Dans le cas d'une injection en soupapes d'admission fermées (IVC), le carburant se dépose sur les parois du conduit d'admission et sur la tulipe de la soupape d'admission et forme un film de carburant qui prend rapidement la température des parois froides. Les solutions évoquées ci- dessus perdent donc en grande partie leur efficacité. Dans le cas d'une injection en soupapes d'admission ouvertes (IVO), une plus grande partie du carburant entre directement dans la chambre de combustion, ce qui permet a priori de tirer meilleur profit de ces solutions. Cependant, en phase de démarrage à un régime moteur de 300tr/min environ ou en ralenti accéléré à froid à un régime moteur de 1200tr/min environ, la durée d'injection est faible en regard de la durée d'admission des gaz dans le cylindre moteur. Typiquement, la durée d'injection représente environ 10% de la durée d'admission des gaz dans le cylindre. La figure 1 représente la levée de soupape d'admission en fonction de la position du vilebrequin et un exemple de durée d'injection de carburant pour un régime moteur de 300 t/min en phase de démarrage. La durée d'injection est alors de l'ordre de 10 ms (soit 20° vilebrequin environ). La figure 2 représente la levée de soupape d'admission en fonction de la position du vilebrequin et la durée d'injection de carburant pour un régime moteur de 1200 t/min en phase de ralenti accéléré. La durée d'injection est alors de l'ordre de 4 ms (soit un peu moins de 30° vilebrequin). Ces faibles durées d'injection impliquent une forte hétérogénéité du mélange air-carburant en phase d'admission, hétérogénéité qui subsiste en grande partie jusqu'en fin de compression et qui génère un surcroît d'émissions d'hydrocarbures imbrûlés dans le meilleur des cas, voire un démarrage très difficile du fait d'une richesse de mélange aléatoire au voisinage de la bougie d'allumage. MS\RENO36FR.dpt Les solutions évoquées précédemment n'améliorent pas cette situation de mélange hétérogène. Il est proposé dans la demande WO 00/50763 un injecteur à nez réchauffé pour réduire les émissions d'hydrocarbures imbrûlés en phase de démarrage à froid. Une stratégie d'injection en soupapes ouvertes (IVO) et en soupapes fermées (IVC) est utilisée pour optimiser les émissions. Cependant, cette stratégie présente les inconvénients exposés précédemment. Il est aussi proposé dans le document JP 2003 247443 l'utilisation, en fonctionnement à froid, en injection indirecte, d'un système de levée variable de soupapes d'admission pour générer de fortes vitesses d'écoulement dans la chambre de combustion. L'injection de carburant est réalisée en phase avec cette faible levée de soupape. Ces fortes vitesses d'écoulement permettent d'assurer une meilleure pulvérisation dans la chambre de combustion et, par conséquent, de réduire les émissions polluantes. II est encore proposé dans la demande GB 2 281 101 un dispositif d'injection de carburant vaporisé. Il intègre un injecteur qui débite du carburant dans une cavité équipée d'un élément chauffant. Cette cavité est alimentée par une source d'air sous pression ou à la pression atmosphérique. Ce dispositif permet une bonne vaporisation du carburant en sortie de cavité et, par conséquent, une réduction des émissions polluantes. Le but de l'invention est de fournir un procédé d'injection de carburant obviant aux inconvénients identifiés précédemment et permettant d'améliorer les procédés d'injection de carburant connus de l'art antérieur. En particulier, l'invention propose un procédé d'injection de MS\RENO36FR.dpt carburant simple permettant d'améliorer sensiblement l'homogénéité du mélange air-carburant notamment dans des phases de démarrage du moteur où l'on utilise des stratégies d'injection du type à soupapes ouvertes. En outre, l'invention propose un système d'injection mettant en oeuvre un tel procédé d'injection. Le procédé selon l'invention permet d'injecter un carburant dans une tubulure d'admission d'un moteur thermique. II est caractérisé en ce qu'il comprend un premier mode d'injection dans lequel on réalise, lors de chaque cycle du moteur, une phase d'injection fractionnée de carburant comprenant plusieurs périodes d'injection de carburant et telle que chaque période d'injection de carburant est temporellement séparée d'une autre période d'injection par une période durant laquelle il n'y a pas d'injection de carburant. Chaque phase d'injection fractionnée de carburant peut comprendre entre 2 et 10 périodes d'injection de carburant. La phase d'injection fractionnée de carburant peut avoir lieu alors qu'une 20 soupape d'admission est ouverte. Le premier mode d'injection peut être mis en oeuvre tant qu'une temporisation déclenchée par le démarrage du moteur n'est pas échue et/ou tant que le moteur n'a pas atteint une température seuil. Suite au premier mode d'injection, on peut mettre en oeuvre un deuxième mode d'injection caractérisé par une phase d'injection non-fractionnée lors de chaque cycle du moteur, cette phase d'injection débutant alors que la ou les soupapes d'admission sont fermées. 30 MS\RENO36FR.dpt 25 Le système d'injection de carburant selon l'invention comprend des moyens matériels et logiciels de mise en oeuvre du procédé défini précédemment. Le moteur thermique selon l'invention comprend un système d'injection de carburant défini précédemment. Le véhicule automobile selon l'invention comprend un système d'injection de carburant défini précédemment ou un moteur thermique défini 10 précédemment. Les dessins annexés représentent, à titre d'exemples, deux modes d'exécution d'un procédé d'injection de carburant selon l'invention et un mode de réalisation d'un système d'injection mettant en oeuvre un tel 15 procédé. La figure 1 est un graphique représentant la levée de soupape d'admission en fonction de la position du vilebrequin et une phase d'injection de carburant pour un régime moteur de 300 t/min en phase de 20 démarrage, l'injection ayant lieu selon un procédé connu de l'art antérieur. La figure 2 est un graphique représentant la levée de soupape d'admission en fonction de la position du vilebrequin et une phase 25 d'injection de carburant pour un régime moteur de 1200 t/min en phase de ralenti accéléré, l'injection ayant lieu selon un procédé connu de l'art antérieur. La figure 3 est un graphique représentant la levée de soupape 30 d'admission en fonction de la position du vilebrequin et une phase d'injection de carburant, l'injection ayant lieu selon un premier mode d'exécution de l'invention. MS\RENO36FR.dpt La figure 4 est un graphique représentant la levée de soupape d'admission en fonction de la position du vilebrequin et une phase d'injection de carburant, l'injection ayant lieu selon un deuxième mode d'exécution de l'invention. La figure 5 est un graphique représentant l'évolution temporelle du régime d'un moteur dans une phase transitoire de démarrage. La figure 6 est un schéma d'un mode de réalisation d'un système d'injection selon l'invention. Le système d'injection 1 représenté à la figure 6 comprend principalement des injecteurs 3 (un injecteur par cylindre) et un calculateur 2. Il permet d'injecter un carburant dans un moteur thermique en particulier dans les conduits d'admission d'un moteur à combustion interne, à injection indirecte et allumage commandé. Le moteur est par exemple utilisé pour entraîner un véhicule automobile. Le calculateur 2 permet la commande des injecteurs. Il permet notamment de commander les instants de début d'injection de carburant et de fin d'injection de carburant. Il comprend pour ce faire des sorties de commande reliées à chacun des injecteurs. Il comprend en outre un ensemble d'entrées reliées à différents capteurs. Par exemple, un capteur 6 de température du moteur et/ou un capteur de régime moteur et/ou un capteur de position du vilebrequin et/ou un capteur 7 de détection de démarrage du moteur. Le calculateur comprend un premier moyen logiciel 4 et un deuxième 30 moyen logiciel 5 pour régir le fonctionnement du système d'injection. Le premier moyen logiciel 4 permet la mise en oeuvre d'un premier mode MS\RENO36FR.dpt d'injection et le deuxième moyen logiciel 5 permet la mise en oeuvre d'un deuxième mode d'injection. Ces moyens logiciels comprennent par exemple des programmes informatiques. Le principe du procédé de fonctionnement selon l'invention est de fractionner, dans un premier mode d'injection, l'injection du carburant dans le moteur. Ainsi, pour chaque cylindre du moteur et pour chaque cycle du moteur, on injecte, pendant une phase d'injection fractionnée, la quantité de carburant dans un conduit d'admission du cylindre en plusieurs fois. De ce fait, une phase d'injection fractionnée comprend plusieurs périodes d'injection espacées temporellement, chaque période d'injection permettant d'envoyer une partie de la quantité de carburant nécessaire à la combustion désirée. Grâce à un tel principe, l'ensemencement de l'air par le carburant est plus homogène en fin d'admission. L'homogénéisation se fait beaucoup plus rapidement en phase de compression jusqu'à l'allumage du mélange. Ainsi, la préparation du mélange dans la chambre de combustion en fonctionnement moteur à froid est améliorée en phase de démarrage. Une telle stratégie d'injection est mise en oeuvre lors d'injection en soupapes ouvertes (IVO). L'homogénéité de l'ensemencement de l'air par le carburant est bien évidemment d'autant meilleure que le nombre de périodes d'injection par phase d'injection est important. Cependant, le contrôle moteur et la commande des injecteurs est d'autant plus lourd à gérer que le nombre de périodes d'injection par phase d'injection est important. De préférence, chaque phase d'injection comprend un nombre de périodes d'injection valant n'importe quelle valeur entière comprise entre deux et dix. Le choix de l'une de ces valeurs repose sur un compromis dans lequel interviennent différents paramètres comme notamment la MS\RENO36FR.dpt 8 nature du carburant utilisé (en particulier sa volatilité), l'aérodynamique interne des conduits d'admission et des chambres de combustion, (un écoulement plus turbulent favorise l'homogénéisation du mélange air - carburant), la durée minimale d'injection qui peut être réalisée par les injecteurs et la capacité du calculateur à gérer un grand nombre de périodes d'injection. Dans un premier mode d'exécution d'un procédé d'injection selon l'invention, on utilise, dans un premier mode d'injection, une phase d'injection comprenant deux périodes d'injection. Un tel principe est représenté à la figure 3 où les traits Tif et Ti2 représentent les deux périodes d'injection. Dans un deuxième mode d'exécution d'un procédé d'injection selon l'invention, on utilise, dans le premier mode d'injection, une phase d'injection comprenant cinq périodes d'injection. Un tel principe est représenté à la figure 4 où les traits Tif , Ti2, Ti3, Ti4 et Ti5 représentent les cinq périodes d'injection représenté à la figure 3. Les différentes périodes d'injections peuvent présenter des durées sensiblement identiques comme dans le premier mode d'exécution du procédé. Les différentes périodes d'injections peuvent présenter des durées sensiblement différentes comme dans le deuxième mode d'exécution du procédé représenté à la figure 4. De même, les espacements ou périodes temporels séparant chaque période d'injection de la période d'injection subséquente peuvent être différents. MS\RENO36FR.dpt Un procédé d'injection de carburant est décrit ci-après plus en détail suite à un démarrage du moteur. Cette description est faite en référence à la figure 5. Dans une première phase de démarrage alors que le moteur est entraîné par le démarreur, on utilise un premier mode d'injection dans lequel les phases d'injection comprennent plusieurs périodes d'injection alors que les soupapes d'admission sont ouvertes (les parois des conduits d'admission et les tulipes de soupape étant froides). Dans le cas d'un fonctionnement du moteur avec un carburant couramment commercialisé aujourd'hui, ce premier mode d'injection permet de réduire les quantités injectées pendant la phase de démarrage grâce une meilleure vaporisation du carburant et une meilleure homogénéité du mélange air-carburant. Par conséquent les émissions polluantes et notamment les émissions d'hydrocarbures imbrûlés sont réduites. Par ailleurs, ce premier mode d'injection permet de réduire le temps de démarrage par grand froid grâce une meilleure préparation du mélange air -carburant. Dans le cas d'un fonctionnement du moteur avec un carburant moins volatile tel que l'éthanol, le premier mode d'injection doit permettre de s'affranchir ou de réduire considérablement l'usage de solutions telles que le réchauffage du carburant, pour rendre possible le démarrage à froid du moteur. Dans une deuxième phase, après la phase de démarrage (c'est-à-dire quand le moteur n'est plus entraîné par le démarreur), on continue d'utiliser le premier mode d'injection dans lequel les phases d'injection comprennent plusieurs périodes d'injection alors que les soupapes d'admission sont ouvertes (les parois des conduits d'admission et les MS\RENO36FR.dpt tulipes de soupape étant froides). Cette utilisation du premier mode d'injection permet, quel que soit le type de carburant utilisé, de réduire les émissions polluantes et notamment les émissions d'hydrocarbures imbrûlés. Ces première et deuxième phases sont représentées par la double flèche IVO+split inj. sur la figure 5. Dans une troisième phase, une fois que les tulipes des soupapes ont atteint une température suffisante (pour que le carburant injecté se vaporise suffisamment au contact des tulipes des soupapes d'admission), on utilise un deuxième mode d'injection dans lequel on injecte en une seule fois le carburant et on débute cette injection alors que la ou les soupapes d'admission sont encore fermées IVC. En effet, la température des tulipes de soupapes peut alors être utilisée pour produire une vaporisation suffisante et un mélange air-carburant homogène. Le carburant envoyé sous forme de micro-gouttes sur les tulipes de soupapes est, du fait de la température de celles-ci, transformé partiellement en gaz qui se mélange alors facilement à l'air comburant. Le mélange air-carburant est alors plus homogène que celui obtenu avec le premier mode d'injection. Cette troisième phase est représentée par la double flèche IVC sur la figure 5. On peut par exemple mettre en oeuvre le deuxième mode d'injection dès que la température des soupapes est supérieure à une température seuil par exemple comprise entre 50°C et 100°C. Pour ne pas avoir à déterminer la température des tulipes de soupapes, on suppose que cette température est atteinte au bout d'une première durée de 5 à 10 secondes (typiquement 6 secondes) après le début de rotation du moteur lors d'un démarrage à froid. Ainsi, le début de rotation du moteur, détecté par le capteur 7, est utilisé par le calculateur 2 pour déclencher une temporisation dont la valeur vaut la première durée précédemment MS\RENO36FR.dpt évoquée. Dès l'échéance de cette temporisation, le procédé d'injection bascule du premier mode d'injection au deuxième mode d'injection. Lorsque le moteur est chaud, lors du démarrage, la durée de cette temporisation peut être diminuée voire réduite à zéro si le moteur est suffisamment chaud. Pour ce faire, le capteur 6 de température est utilisé. Pour optimiser l'efficacité du deuxième mode d'injection, le jet de 10 carburant issu de l'injecteur doit être correctement ciblé sur la (ou les) soupape(s) d'admission, sans impacter en amont le conduit d'admission. Le principe de l'invention est applicable aux moteurs à combustion interne à allumage commandé à injection indirecte, qu'ils soient du type à 15 aspiration naturelle ou du type suralimenté. Grâce à l'invention, les démarrages à froid sont améliorés lorsqu'on utilise des carburants du type éthanol ou du type pour moteur � FlexFuel �, les émissions de polluants, notamment les émissions 20 d'hydrocarbures imbrûlés sont réduites dans la phase de fonctionnement à froid dans laquelle le catalyseur n'est pas encore amorcé. Le principe de l'invention est simple et plus efficace que les solutions de l'art antérieur qui impliquent des moyens supplémentaires de 25 réchauffement ou de pulvérisation. MS\RENO36FR.dpt Revendications : 1 Procédé d'injection de carburant dans une tubulure d'admission d'un moteur thermique, caractérisé en ce qu'il comprend un premier mode d'injection dans lequel on réalise, lors de chaque cycle du moteur, une phase d'injection fractionnée de carburant comprenant plusieurs périodes d'injection de carburant et telle que chaque période d'injection de carburant est temporellement séparée d'une autre période d'injection par une période durant laquelle il n'y a pas d'injection de carburant. 2. Procédé d'injection de carburant selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque phase d'injection fractionnée de carburant comprend entre 2 et 10 périodes d'injection de carburant. 3. Procédé d'injection de carburant selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la phase d'injection fractionnée de carburant a lieu alors qu'une soupape d'admission est ouverte. 20 4. Procédé d'injection de carburant selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le premier mode d'injection est mis en oeuvre tant qu'une temporisation déclenchée par le démarrage du moteur n'est pas échue et/ou tant que le moteur n'a pas atteint une température seuil. 25 5. Procédé d'injection de carburant selon la revendication précédente, caractérisé en ce que, suite au premier mode d'injection, on met en oeuvre un deuxième mode d'injection caractérisé par une phase d'injection non-fractionnée lors de chaque cycle du moteur, cette 30 phase d'injection débutant alors que la ou les soupapes d'admission sont fermées. MS\RENO36FR.dpt15 6. Système (1) d'injection de carburant comprenant des moyens matériels (2, 3, 6, 7) et logiciels (4, 5) de mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications précédentes. 7. Moteur thermique comprenant un système d'injection de carburant selon la revendication 6. 8. Véhicule automobile comprenant un système d'injection de carburant selon la revendication 6 ou un moteur thermique selon la revendication 7. MS\RENO36FR.dpt