Brevet FR2921692A1 — publié le 20090403

La présente invention se rapporte à un procédé de contrôle de la combustion pour un moteur à combustion interne utilisant un combustible gazeux, notamment du type Gaz Naturel et plus particulièrement pour Véhicule (GNV). Pendant la phase d'admission de ce type de moteur, le carburant est généralement introduit à l'état gazeux dans la chambre de combustion, soit directement pour se mélanger avec l'air qui y est conjointement admis avec la possibilité de faire varier l'homogénéité du mélange, soit indirectement par l'intermédiaire d'un mélange carburé qui est réalisé dans le collecteur d'admission ou dans la tubulure d'admission. Dans le cas d'une injection précoce de carburant, un mélange carburé sensiblement homogène est obtenu aux environs de la fin de la phase d'admission dans la quasi totalité de la chambre de combustion. Dans le cas d'une injection directe tardive de carburant, le mélange est hétérogène mais globalement riche au voisinage des moyens d'allumage, comme une bougie d'allumage. Ce mélange carburé est ensuite comprimé par le piston pendant la phase de compression de ce moteur. Dans tous les cas, ce mélange carburé comprimé est enflammé par la bougie d'allumage à proximité du point mort haut compression terminant cette phase de compression. Cette inflammation permet d'assurer la combustion du mélange carburé et de générer la pression permettant de transmettre, tout au long de la phase de détente de ce moteur, un couple au vilebrequin par l'intermédiaire de la bielle qui relie ce vilebrequin au piston. Un autre type de combustion pour un moteur fonctionnant au gaz naturel est mieux exposé dans le document EP-A-1 320 675. Le type de combustion décrit dans ce document est très voisin de celui 30 utilisé pour les moteurs à combustion interne de type Diesel. Pour cela, pendant la phase d'admission, de l'air frais est introduit dans la chambre de combustion de ce moteur. Cet air frais est ensuite comprimé par le piston pendant la phase de compression jusqu'au voisinage d'une position du piston correspondant à celle du point mort haut compression. Dans cette position, une première quantité de carburant gazeux est injectée dans la chambre de combustion du moteur pour former avec l'air comprimé un mélange carburé sensiblement homogène. La phase de compression se poursuit jusqu'à ce que le piston atteigne la position de point mort haut compression. A cette position du piston, le mélange carburé comprimé présent dans la chambre de combustion a atteint des caractéristiques physico-chimiques permettant son autoinflammation. Ce mélange carburé brûle en libérant suffisamment d'énergie pour augmenter la pression dans la chambre et entraîner le piston en un mouvement descendant pendant la phase de détente du moteur et ce durant quelques degrés de rotation de vilebrequin. Avant que la combustion de ce premier mélange carburé ne soit terminée, une deuxième quantité de carburant est injectée dans la chambre de combustion, et ce pendant au moins une partie de la phase de détente du moteur. Cette deuxième quantité de carburant se mélange avec l'air encore présent dans la chambre de combustion en formant un deuxième mélange carburé qui brûle sous l'effet de la chaleur générée par la combustion du premier mélange carburé. Ce deuxième mélange carburé se consume ensuite, pendant toute la phase de détente, jusqu'au voisinage du point mort bas. Une telle combustion est généralement satisfaisante mais présente néanmoins des inconvénients non négligeables. En effet, il est difficile de pouvoir contrôler l'instant où le premier mélange carburé va s'autoenflammer, car les caractéristiques physico-chimiques du premier mélange carburé, après la compression de ce mélange, sont dépendantes de nombreux facteurs et variables, comme la température de l'air admis pour réaliser le premier mélange carburé, la température des parois de la chambre de combustion, ... De ce fait, le moment où se réalise l'autoinflammation du premier mélange carburé est très variable, voire imprévisible. En outre, compte tenu des caractéristiques du gaz naturel, son autoinflammation nécessite, soit des températures élevées d'air d'admission ou de mélanges, ce qui ne peut qu'affecter le remplissage du moteur, soit des taux de compression élevés (ce qui nécessite de sévériser mécaniquement le moteur), soit les deux simultanément. Dans le cas de taux de compression élevés, les modes de combustion classiques ne sont plus possibles, car ils sont sources de perturbations lors de la combustion, comme l'apparition de cliquetis. La présente invention se propose de remédier aux inconvénients ci-dessus mentionnés grâce à un type de combustion voisin de celui réalisé par un moteur à combustion de type Diesel en y associant un allumage commandé. A cet effet, l'invention concerne un procédé de contrôle de la combustion d'un moteur à combustion interne utilisant un combustible gazeux, notamment du type gaz naturel, comportant au moins un cylindre avec une chambre de combustion, un piston, et des moyens d'injection d'un carburant gazeux, caractérisé en ce qu'il consiste, pour les pleines charges et les charges partielles : - à introduire une première quantité de carburant, pendant la phase de compression de ce moteur, pour obtenir un premier mélange carburé dans la chambre de combustion ; - à enflammer le premier mélange carburé résultant de la première injection de carburant par des moyens d'allumage ; - à introduire une deuxième quantité de carburant, pendant la phase de détente de ce moteur, pour obtenir un deuxième mélange carburé dans ladite chambre de combustion ; - à obtenir la combustion du deuxième mélange carburé par une autoinflammation résultant de la combustion du premier mélange. Le procédé peut consister à utiliser une bougie de préchauffage comme moyens d'allumage. Le procédé peut consister à utiliser une bougie à étincelles comme 5 moyens d'allumage. Le procédé peut consister à réaliser la première injection de carburant avant le point mort haut de la phase compression. 10 Le procédé peut consister à enflammer le mélange carburé par les moyens d'allumage au voisinage de la fin de la phase de compression. Le procédé peut consister à introduire la première quantité de carburant de manière indirecte. Le procédé peut consister à introduire la première quantité de carburant de manière directe. Le procédé peut consister à associer une injection indirecte de carburant 20 gazeux avec une injection directe. Le procédé peut consister à réaliser le mélange carburé par une ou plusieurs injections de carburant. 25 Le procédé peut consister à contrôler le début de dégagement d'énergie par les moyens d'allumage et à contrôler le déroulement du dégagement d'énergie par le débit du gaz injecté. Les autres caractéristiques et avantages de l'invention vont apparaître 30 maintenant à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre uniquement illustratif et non limitatif, et à laquelle sont annexées les figures 1 à 15 6 qui sont des schémas d'un moteur à combustion interne dans les différentes étapes de la combustion selon l'invention. Sur la figure 1, le moteur à combustion interne illustré utilise un carburant 5 gazeux, plus particulièrement du gaz naturel pour véhicules plus connu sous le sigle GNV. Dans l'exemple montré, le moteur utilise une injection directe de carburant gazeux mais l'utilisation d'injection indirecte de ce même carburant est 10 également envisageable. Ce moteur à quatre temps (phase admission-phase compression-phase détente-phase échappement) comprend au moins un cylindre 10 d'axe XX qui comprend une chambre de combustion 12 délimitée par le haut d'un piston 14, 15 la paroi latérale 16 du cylindre et la surface 18 d'une culasse 20 venant habituellement fermer le cylindre. Le piston 14 est soumis à un mouvement translatif alternatif sous l'effet d'un système bielle- manivelle (non représenté) entre une position basse, dénommée point mort bas (PMB), et une position haute la plus proche de la culasse, plus connue sous le vocable de point mort 20 haut (PMH). Dans cette chambre de combustion, débouchent des moyens d'admission et des moyens d'échappement (non représentés) portés avantageusement par la culasse 20 et qui comprennent, de manière habituelle, une tubulure portant 25 un moyen d'obturation du débouché de la tubulure dans la chambre de combustion, comme une soupape. Des moyens d'injection du carburant, tels qu'un injecteur 22, permettent d'introduire du carburant, initialement contenu dans un réservoir sous pression, 30 directement dans la chambre de combustion sous une forme gazeuse. Bien entendu dans le cas d'une injection indirecte, cet injecteur sera placé dans le collecteur d'admission ou sur la tubulure d'admission ou dans une chambre de prémélange. Ceci permet de réaliser un mélange carburé avant qu'il ne soit introduit dans la chambre de combustion. La culasse porte également des moyens d'allumage 24, comme une bougie à étincelles ou une bougie de préchauffage, permettant de générer un point chaud pour assurer l'inflammation d'un mélange carburé contenu dans la chambre de combustion. Cette bougie, qui est ici une bougie à étincelles, est avantageusement placée à distance de l'axe XX et de l'injecteur 22 de telle sorte qu'elle soit localisée dans une zone de la chambre où le mélange carburé contient une richesse nécessaire et suffisante pour assurer la combustion. Pour les pleines charges ainsi que pour les charges partielles, le moteur illustré sur la figure 1 est en phase de compression avec une position du piston 14 proche du Point Mort Haut compression (PMHc). Durant cette phase, l'air frais, introduit dans la chambre de combustion par les moyens d'admission durant la phase préalable d'admission du moteur, est comprimé sous l'impulsion du mouvement de translation vers le haut du piston, identifié par la flèche C sur cette figure. Par air frais, il est entendu de l'air suralimenté ou de l'air à pression atmosphérique, l'air suralimenté pouvant l'être par tous moyens appropriés, comme un turbocompresseur, un compresseur, ... Tel qu'illustré à la figure 2, à quelques degrés d'angle de vilebrequin avant ce PMHc, l'injecteur 22 est commandé pour introduire (en une ou plusieurs injections) une première quantité déterminée de carburant gazeux dans la chambre de combustion 12 sous la forme d'un ou plusieurs jets de carburant J1. Le carburant gazeux injecté, qui est soumis à des conditions de pression et température liées à la position angulaire du piston 14 au moment de l'injection ainsi que du rapport volumétrique et de la quantité de charge admise, se mélange à l'air comprimé présent dans la chambre de combustion. La qualité de ce mélange est bien entendu tributaire des conditions d'injection du carburant gazeux (pression d'injection, géométrie du jet, ...) ainsi que de l'aérodynamique présent dans la chambre de combustion au moment de l'injection. Suite à cette injection, ce premier mélange carburé se répand dans la chambre de combustion 12 et vers une zone à proximité de la bougie d'allumage où il est quasiment homogène (figure 3). L'homogénéité du mélange carburé au niveau de la bougie 24 dépend de la quantité de mouvement du jet de carburant gazeux et de la pression d'injection qui doit être maximale. Il est à noter cependant que, compte tenu des caractéristiques du gaz naturel (indice d'octane équivalent proche de 130), le mélange carburé obtenu ne s'autoenflamme pas, notamment pour des taux de compression relativement faibles (sensiblement inférieure à 14) et/ou pour des températures d'air d'admission ou de mélanges en dessous de 50°C. Dés que les conditions optimales d'allumage du mélange carburé sont obtenues (notamment au niveau de la richesse cible recherchée au voisinage de la bougie), une étincelle E, ou un train d'étincelles, est générée par la bougie. Cette étincelle a pour effet d'enflammer le mélange carburé qui se trouve à proximité de la bougie 24 et de contrôler le début du dégagement d'énergie dans la chambre de combustion. Le piston 14, qui a atteint sa position de PMHc, subit une force qui l'entraîne dans un mouvement inverse (flèche D) allant de son PMHc vers son point mort bas (figure 4). Cette force est la résultante de la combustion du premier mélange carburé présent dans la chambre de combustion 12 qui se propage à partir du noyau de flamme N de la figure 4 à l'ensemble du mélange selon un régime de propagation d'un front de flamme. L'ensemble du carburant gazeux introduit lors de la première injection est en conséquence brûlé complètement (figure 5) en libérant l'énergie nécessaire au déplacement du piston de quelques degrés d'angle de vilebrequin vers son point mort bas. La combustion de ce premier mélange carburé a en outre pour autre effet d'augmenter significativement la température et la pression dans la chambre de combustion. Cette augmentation de la température et de la pression est telle qu'elle puisse permettre une autoinflammation du mélange carburé lors de l'injection d'une autre quantité de carburant gazeux. Ainsi, lors d'une deuxième introduction de carburant gazeux (figure 6), en une ou plusieurs injections dans la chambre de combustion 12 selon le jet J2, le carburant introduit se mélange avec l'air comprimé encore présent dans cette chambre de combustion ainsi qu'avec les gaz brûlés chauds. Le mélange carburé obtenu peut ainsi s'autoenflammer pour libérer l'énergie nécessaire. Pour cela, le contrôle de la quantité d'énergie libérée par cette deuxième combustion par autoinflammation est fonction de la loi d'introduction du carburant et de la quantité de carburant gazeux injectée. Grâce à l'invention, il n'est pas nécessaire d'avoir recours à de forts taux de compression et/ou à des températures élevées d'air d'admission ou de mélanges pour enflammer la première quantité de carburant gazeux introduit dans la chambre de combustion. La présente invention n'est pas limitée à l'exemple décrit mais englobe toutes variantes et tous équivalents. Notamment pour la première injection, il peut être envisagé de réaliser une injection indirecte de carburant gazeux pour obtenir un mélange carburé homogène (à la stoechiométrie ou en mélange pauvre) et réaliser l'allumage de ce mélange carburé par la bougie dans la chambre de combustion. Il peut être également envisagé de réaliser la première injection de carburant gazeux par une injection directe de ce carburant d'une manière telle que l'on obtienne un mélange carburé stratifiée et que l'on assure ensuite l'allumage de ce mélange par la bougie d'allumage. Il est également possible, pour cette première injection de carburant gazeux, d'associer une injection indirecte de carburant gazeux pour réaliser un mélange carburé homogène avec une injection directe de ce carburant permettant d'obtenir un mélange carburé stratifié pour ensuite procéder à l'allumage par la bougie. REVENDICATIONS 1) Procédé de contrôle de la combustion d'un moteur à combustion interne utilisant un combustible gazeux, notamment du type gaz naturel, comportant au moins un cylindre (10) avec une chambre de combustion (12), un piston (14), et des moyens (22) d'injection d'un carburant gazeux, caractérisé en ce qu'il consiste, pour les pleines charges et les charges partielles : -à introduire une première quantité de carburant, pendant la phase de compression de ce moteur, pour obtenir un premier mélange carburé dans la 10 chambre de combustion (12) ; - à enflammer le premier mélange carburé résultant de la première injection de carburant par des moyens d'allumage (24) ; - à introduire une deuxième quantité de carburant, pendant la phase de détente de ce moteur, pour obtenir un deuxième mélange carburé dans ladite 15 chambre de combustion ; - à obtenir la combustion du deuxième mélange carburé par une autoinflammation résultant de la combustion du premier mélange. 2) Procédé de contrôle de la combustion d'un moteur à combustion interne 20 selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste à utiliser une bougie de préchauffage comme moyens d'allumage. 3) Procédé de contrôle de la combustion d'un moteur à combustion interne selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste à utiliser une bougie à 25 étincelles (24) comme moyens d'allumage. 4) Procédé de contrôle de la combustion d'un moteur à combustion interne selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il consiste à réaliser la première injection de carburant avant le point mort haut de la phase 30 compression. 5) Procédé de contrôle de la combustion d'un moteur à combustion interne selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste à enflammer le mélange carburé par les moyens d'allumage au voisinage de la fin de la phase de compression. 6) Procédé de contrôle de la combustion d'un moteur à combustion interne selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste à introduire la première quantité de carburant de manière indirecte. 10 7) Procédé de contrôle de la combustion d'un moteur à combustion interne selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste à introduire la première quantité de carburant de manière directe. 8) Procédé de contrôle de la combustion d'un moteur à combustion interne 15 selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste à associer une injection indirecte de carburant gazeux avec une injection directe. 9) Procédé de contrôle de la combustion d'un moteur à combustion interne selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste à réaliser le mélange 20 carburé par une ou plusieurs injections de carburant. 10) Procédé de contrôle de la combustion d'un moteur à combustion interne selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste à contrôler le début de dégagement d'énergie par les moyens d'allumage (24) et à contrôler 25 le déroulement du dégagement d'énergie par le débit du gaz injecté.5