Brevet FR2917136A1 — publié le 20081212

Système d'injection de carburant dans un moteur à explosion, et véhicule ainsi équipé. L'invention concerne les moteurs à explosion, et plus précisément les dispositifs d'injection de carburant dans les cylindres du moteur ou en amont des cylindres. L'amélioration des systèmes de contrôle des émissions gazeuses polluantes des moteurs à explosion, notamment à partir des années postérieures à 1980, a conduit à ce que les véhicules récents soient très sensiblement moins polluants que les véhicules plus anciens. Un véhicule antérieur à 1970, dépourvu de système de contrôle des émissions, émet du CO, des NOx et des hydrocarbures à des concentrations 25 fois supérieures à celles des émissions des véhicules récents, et également 1000 fois plus de particules de suies. Même si leur nombre diminue progressivement, les véhicules anciens contribuent d'une façon très notable à la pollution automobile dans son ensemble. Ainsi, on estime qu'en Californie, les 4% de véhicules antérieurs à 1970 contribuent à 15% de la pollution automobile globale. Egalement, les véhicules équipés de pots catalytiques d'ancienne génération (1975-1980) produisent sensiblement plus d'émissions polluantes que les véhicules plus récents équipés de pots catalytiques plus efficaces et de filtres à particules Diesel. Des progrès sensibles ont été réalisés non seulement dans le traitement des émissions gazeuses, mais aussi dans les systèmes assurant l'injection de carburant et le mélange entre le carburant et l'air de combustion. Les véhicules anciens consomment plus de carburant et produisent davantage d'émissions polluantes que les véhicules récents également pour cette raison. En particulier, l'encrassement des orifices des injecteurs provoque des variations dans le temps de la quantité et la qualité du carburant injecté. Cela diminue la précision et l'efficacité des stratégies de combustion pour les différentes conditions de roulage. Différentes solutions pour optimiser les systèmes d'injection de carburant et/ou le mélange carburant/air ont été proposées. US-A-4 167 921 décrit un injecteur de carburant équipé d'une chambre de mélange entourant la tête d'injection. Une atomisation du carburant est réalisée, en utili- sant à cet effet de l'air, provenant de l'atmosphère ou de la conduite d'admission d'air, et qui est injecté dans la chambre de mélange. La position de la tête d'injection par rapport à la sortie de la chambre est ajustable en fonction de la charge du moteur. Ain-si, la section de sortie de la chambre est variable, entre ce qui est nécessaire pour le fonctionnement au ralenti et ce qui est nécessaire pour le fonctionnement à pleine charge. Mais comme la sortie de la chambre à air est toujours ouverte et que l'air est introduit dans la chambre, à une faible pression, en aval de l'orifice de l'injecteur, on ne peut obtenir un contrôle précis de l'air de combustion. Egalement, ce système ne peut s'appliquer aux moteurs diesel et aux autres moteurs à injection directe. US-A 5 241 938 décrit un système où un injecteur de carburant possède une plu- ralité de passages d'air cylindriques qui permettent à l'air d'être aspiré dans une chambre de mélange s'ouvrant sur la conduite d'admission, et dans des directions qui le font intersecter avec le carburant provenant de l'injecteur pour l'atomiser. Là encore, un contrôle précis de l'air de combustion n'est pas réalisé et le système n'est pas applicable aux moteurs diesel et à injection directe. D'autres documents tels que US-A-5 884 611 et US-A-4 381 077 décrivent des têtes d'injecteurs équipées de chambres de mélange à injection d'air sous haute pression. Tous ces systèmes ont en commun l'utilisation d'une chambre de mélange placée en aval de l'orifice de sortie de l'injecteur. Cela signifie que la conception du mo- teur, notamment de son dispositif d'admission de carburant, doit dès le départ intégrer ces dispositifs. II n'est pratiquement pas possible de les intégrer à un véhicule préexistant, du fait notamment de l'encombrement de la chambre de mélange. Le but de l'invention est de proposer un système efficace favorisant le mélange air de combustion-carburant, qui puisse en outre être adapté facilement et à peu de frais à un véhicule préexistant, de manière à rendre possible une diminution des émis- sions polluantes et la consommation de carburant d'un véhicule ancien. A cet effet, l'invention a pour objet un système d'injection de carburant dans les cylindres d'un moteur à explosion, comportant au moins un injecteur par cylindre, caractérisé en ce qu'il comporte, placée en amont du ou des injecteurs sur le parcours du carburant, un dispositif de prémélange air-carburant, comportant une conduite d'admission d'air sous pression et une conduite d'admission de carburant à une pression inférieure à celle de l'air, lesdites conduites débouchant dans une chambre de mélange, et une conduite dirigeant le mélange air-carburant hors de la chambre de mélange en direction du ou des injecteurs. Le dispositif de prémélange air-carburant peut comporter un tube d'aération dont l'extrémité aval est connectée à la conduite dirigeant le mélange air-carburant en direction du ou des injecteurs, l'espace intérieur dudit tube communiquant avec la chambre de mélange. Ledit tube d'aération peut comporter des orifices sur sa paroi latérale. Le système peut comporter un compresseur placé sur le parcours du carburant ou du mélange air-carburant et une rampe commune placée en amont des injecteurs, ledit système d'injection étant destiné à un moteur Diesel. L'invention a également pour objet un véhicule automobile équipé d'un moteur à explosion et d'un système d'injection de carburant dans ledit moteur, caractérisé en ce que ledit système d'injection est du type décrit précédemment. Ledit moteur peut être un moteur Diesel, ou un moteur essence. Comme on l'aura compris, l'invention consiste à implanter sur le circuit d'alimentation en carburant d'un moteur à injection directe ou indirecte une chambre de mélange air/carburant placée en amont des injecteurs. De cette façon, on réalise précocement un mélange intime entre l'air et le carburant à sa sortie des injecteurs par rapport au cas où ce mélange n'a lieu qu'à la sortie des injecteurs, comme dans les techniques antérieures. Cela permet de réaliser une atomisation efficace du carburant à sa sortie des injecteurs. De plus, ce système a l'avantage d'être aisément implantable sur un véhicule préexistant, car il ne nécessite pas de modifications profondes de la conception du moteur et de ses annexes. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit, donnée en référence aux figures annexées suivantes : - la figure 1 qui montre schématiquement un moteur Diesel et son système d'alimentation en carburant réalisé selon l'invention ; - la figure 2 qui montre schématiquement vu en coupe un exemple de dispositif de prémélange air/carburant utilisable dans l'invention. La figure 1 schématise un moteur Diesel 1 à quatre cylindres et son circuit d'admission de carburant, équipé d'un dispositif 2 de prémélange air-carburant selon l'invention, représenté schématiquement plus en détail sur la figure 2. Ce circuit comporte également les éléments suivants : - un conduit 3 d'admission d'air dans le dispositif de prémélange 2 et un conduit 4 d'admission de carburant dans ce même dispositif 2, et un dispositif 5 comportant un capteur de pression, qui contrôle et commande le ratio gaz/liquide des matières alimen- tant le dispositif de prémélange 2 ; une pompe 6 placée sur la conduite 3 assure une mise sous pression de l'air ; - une conduite 7 amenant le mélange carburant/air saturé en air sortant du dis-positif de prémélange 2 dans un compresseur 8 le portant à 500-2000 atmosphères ; - une conduite 9 amenant le mélange carburant/air sortant du compresseur 8 dans une rampe commune 10 qui assure la distribution du mélange air/carburant dans les cylindres du moteur 1, par l'intermédiaire des injecteurs 11. Le dispositif 2 de prémélange air-carburant est placé dans un boîtier 12. Une pa- roi métallique interne 13 apte à supporter des pressions élevées renferme une chambre de mélange 14 dans laquelle débouchent les conduites 3, 4 d'admission d'air et de carburant respectivement. En aval des débouchés des conduites 3, 4, la chambre 14 est partiellement occupée par un tube à aération 15, dont l'extrémité amont 18 est connectée à la conduite 4 d'admission de carburant et dont l'extrémité aval 17 est connectée à la conduite 7 qui amène le mélange carburant/air sortant du dispositif de prémélange 2 dans le compresseur 8. La chambre 14 a, par exemple, un diamètre interne de l cm et une longueur de 10cm. Le tube à aération 15 peut alors avoir un diamètre externe de 0,8cm et une longueur de 10cm, en étant lié à la conduite 4 d'entrée du carburant et à la conduite 7 de sortie du mélange carburant/air. Des orifices 16 sont percés selon une répartition annulaire sur la paroi latérale du tube à aération 15. Ils sont, par exemple, au nombre de huit, de diamètre 0,3mm, situés à environ 5cm de l'extrémité aval 17 du tube à aération 15. De cette façon, on obtient un piégeage massif de gaz dans le carburant, par aspiration à travers les orifices 16. L'éloignement des orifices 16 par rapport à l'extrémité aval 17 du tube 15 permet d'assurer que le gaz aspiré à travers les orifices 16 sera bien mélangé au carburant avant que le carburant n'atteigne l'extrémité aval 17 du tube 15 pour être envoyé dans le système d'injection du moteur. On peut éventuellement utiliser plusieurs séries successives de tels orifices 16 percées le long du tube à aération 15. Les pressions auxquelles sont introduits le carburant et le gaz peuvent être di- verses, mais la pression du gaz doit toujours être supérieure à celle du gaz, afin d'éviter un passage du carburant dans la conduite 3 d'arrivée de gaz. Par exemple, une pression de gaz maximale de 560 bars peut aller de pair avec une pression maximale de carburant de 550 bars environ. Le débit de carburant, donc sa pression, est fonction du régime du moteur, et le débit et la pression du gaz sont maîtrisés en conséquence par le capteur de pression 5 de manière à obtenir le ratio gaz/liquide souhaité dans le mé- lange moussant qui est formé dans le tube à aération 15. Grâce à l'utilisation du dispositif 2 de prémélange air-carburant, l'atomisation du carburant à sa sortie des injecteurs 11 où il passe d'un milieu à haute pression (l'injecteur) à un milieu à basse pression (la chambre de combustion) est particulière- ment poussée, de même que l'intimité du mélange air/carburant. Tout cela contribue à une meilleure qualité de la combustion, donc à une réduction des émissions polluantes. L'exemple de dispositif 2 de prémélange air/carburant représenté n'est pas limitatif, et tout autre dispositif permettant d'obtenir un mélange air-carburant intime procu- rant une très forte atomisation du carburant à sa sortie des injecteurs 11 serait utilisable. Des dispositifs connus utilisant des membranes, des mousses, une compression sous haute pression, des évaporateurs, des condenseurs, des agitateurs... seraient convenables à cet effet. L'invention est applicable à tout type de moteur à injection directe ou indirecte de carburant, quel que soit le type de carburant liquide utilisé (essence, gazole, éthanol...). Le type précis d'injecteur 11 peut être quelconque. Le dispositif de prémélange 2 peut être installé en amont (comme dans l'exemple décrit) ou en aval de la pompe ou du compresseur 8 qui détermine la pression d'injection du carburant. Les avantages de l'invention sont, en résumé : - l'absence de modifications importantes des conceptions classiques du moteur et de ses annexes, ce qui rend possible, et à peu de frais, l'implantation de l'invention sur un véhicule non prévu initialement pour la recevoir ; -l'obtention de gouttelettes de carburant très fines, favorables à une bonne combustion, comme l'est le mélange rapide et intime entre l'air et le carburant dans la chambre de combustion ; cette bonne combustion entraîne de faibles émissions de CO, hydrocarbures et suies ; on a donc besoin d'une moindre quantité de métaux précieux et autres catalyseurs dans la ligne d'échappement, à niveau égal d'émissions de gaz ; - à atomisation du carburant égale, une plus faible pression nécessaire au niveau des injecteurs ; - la concentration en air plus élevée qu'habituellement dans les orifices des injecteurs permet de diminuer le bouchage des orifices ; on fiabilise ainsi le fonctionne-ment du moteur grâce à une meilleure régularité de la quantité de carburant injectée ; à puissance et couple équivalents, le compresseur (s'il y en a un) est moins sol- licité du fait de l'injection d'air supplémentaire dans le carburant procurée par l'invention ; - l'invention peut être utilisée à tous les stades de fonctionnement du moteur : démarrage, roulage de croisière, phases de post-injection.35 REVENDICATIONS 1. Système d'injection de carburant dans les cylindres d'un moteur à explosion (1), comportant au moins un injecteur (11) par cylindre, caractérisé en ce qu'il comporte, placée en amont du ou des injecteurs (11) sur le parcours du carburant, un dis- positif (2) de prémélange air-carburant, comportant une conduite (3) d'admission d'air sous pression et une conduite (4) d'admission de carburant à une pression inférieure à celle de l'air, lesdites conduites (3, 4) débouchant dans une chambre de mélange (14), et une conduite (7) dirigeant le mélange air-carburant hors de la chambre de mélange (14) en direction du ou des injecteurs (11). 2. Système d'injection selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif (2) de prémélange air-carburant comporte un tube d'aération (15) dont l'extrémité aval est connectée à la conduite (7) dirigeant le mélange air-carburant en direction du ou des injecteurs, l'espace intérieur dudit tube (15) communiquant avec la chambre de mélange (14). 3. Système d'injection selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que ledit tube d'aération (15) comporte des orifices (16) sur sa paroi latérale. 4. Système d'injection selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comporte un compresseur (8) placé sur le parcours du carburant ou du mélange air-carburant et une rampe commune (10) placée en amont des injecteurs (11), ledit système d'injection étant destiné à un moteur Diesel (1). 5. Véhicule automobile équipé d'un moteur à explosion (1) et d'un système d'injection de carburant dans ledit moteur (1), caractérisé en ce que ledit système d'injection est du type selon l'une des revendications 1 à 4. 6. Véhicule selon la revendication 5, caractérisé en ce que ledit moteur (1) est un moteur Diesel. 7. Véhicule selon la revendication 5, caractérisé en ce que ledit moteur (2) est un moteur essence.