Brevet FR2919028A1 — publié le 20090123

Injecteur de carburant pour moteur à explosion, et moteur ainsi équipé L'invention concerne le domaine de l'industrie automobile et, plus préci-sément, les injecteurs de carburant dans les cylindres de moteurs à explosion. Aussi bien pour les moteurs essence que pour les moteurs Diesel, un des paramètres les plus critiques pour les économies de carburant et le caractère polluant des émissions gazeuses est la qualité de l'atomisation du carburant injecté dans la chambre de combustion. Il est particulièrement difficile d'obtenir une excel- lente homogénéité du mélange air/carburant, notamment pour les moteurs Diesel. On a conçu de nombreux dessins de têtes d'injecteurs (mono ou multicanaux), avec, cependant, des résultats de qualités diverses. Une augmentation de la pression de pulvérisation par un turbocompresseur est également très bénéfique à la qualité de l'atomisation, donc à la qualité de la combustion et aux économies de carburant. Grâce à de tels systèmes d'injection à haute pression (par exemple ceux dits à rampe commune ou common rail ) pour les moteurs Diesel, on atteint des pressions de 2000 bars. Cependant, le fonctionnement de la pompe de compression requiert du moteur la fourniture d'une grande quantité d'énergie, et l'homogénéité du mélange air/carburant dans la chambre de combustion reste un problème. Un autre problème récurrent lié aux injecteurs est le colmatage des canaux d'injecteurs de faible diamètre de la tête d'injection, par l'accumulation de résidus organiques et organométalliques sur les parois internes des canaux et autour de leur(s) orifice(s) débouchant dans la chambre de combustion. Ce colma- tage se produit car il n'y a pas d'air circulant dans ces canaux pour provoquer la combustion de ces résidus, qui peuvent ainsi s'accumuler dans les canaux et réduire leur diamètre. Ainsi, la quantité et la qualité du carburant varient dans le temps, ce qui dégrade la précision et l'efficacité des stratégies de combustion adoptées pour les différentes conditions de roulage et la gestion des dispositifs de post-traitement de la ligne d'échappement. On risque ainsi de surchauffer et de détruire le turbocompresseur lors des phases de post-injection ou de fonctionne-ment du moteur à plein régime. II faut aussi remarquer que les émissions les plus élevées d'hydrocarbures HC des moteurs de véhicules particuliers surviennent lorsque le moteur démarre et fonctionne à froid, dans les deux premières minutes des tests normalisés classiques de mesure des émissions polluantes. Ces niveaux d'émission élevés sont largement attribuables aux faibles températures du moteur et des composants de la ligne d'échappement lors de ces périodes. Il est alors nécessaire de faire fonctionner le moteur en alimentation riche en carburant, de manière à compenser l'adhésion (et donc la mauvaise combustion) d'une partie du carburant sur les parois du système d'admission et de la chambre de combustion. Les basses températures de ces HC réduisent l'efficacité du mélange air/carburant et augmentent les émissions de HC, de CO et de particules de suies. Une mauvaise homogénéité de l'injection du carburant dans la chambre de combustion et du mélange air/carburant, et la combustion inhomogène qu'elles entraînent, peuvent survenir aussi bien lors des phases de démarrage et de fonc- tionnement à froid du moteur que lors des phases où il fonctionne en régime normal. La production de HC imbrûlés, de suies, de CO et de NOx qui en résulte nécessite un traitement des émissions par des dispositifs coûteux placés sur la ligne d'échappement. Dans les moteurs classiques à allumage par étincelle utilisant des conduits d'admission, le carburant injecté est vaporisé en dirigeant les gouttelettes de carburant liquide sur les composants chauds du conduit d'admission ou du col-lecteur d'admission. Dans les conditions normales de fonctionnement, le carburant se dépose en pellicule sur les composants chauds et se vaporise. Le mélange de carburant vaporisé et d'air d'admission est ensuite entraîné vers le cylindre par la dépression créée par l'ouverture de la soupape d'admission et le mouvement du piston vers le point mort bas. Pour assurer un degré de contrôle du processus compatible avec les moteurs actuels, la technique de vaporisation est typiquement optimisée pour se produire en moins d'un cycle du moteur. Mais lors des phases de démarrage et de fonctionnement à froid, l'impact du carburant sur les composants relativement froids du moteur n'est pas suffisant pour assurer une telle vaporisation. Cette vaporisation est alors obtenue par la fourniture d'un excès de carburant, de sorte qu'une fraction suffisante s'évapore par transfert de chaleur et de masse lorsqu'il passe dans l'air avant son impact sur un composant d'admission froid. Le taux d'évaporation par ce mécanisme est fonction des propriétés du carburant, de la température, de la pression, des vites-ses relatives des gouttelettes et de l'air et du diamètre des gouttelettes. Mais pen-dant les démarrages à froid dans des conditions ambiantes extrêmes, cette manière de procéder n'est plus efficace, car la volatilité du carburant est insuffisante pour produire une vapeur dans des concentrations dans l'air autorisant l'allumage. Pour que la combustion soit chimiquement complète, le mélange air/carburant doit être vaporisé dans des conditions stoechiométriques ou d'alimentation pauvre en carburant. Le rapport stoechiométrique air/carburant pour l'essence est d'environ 14,7 :1. Idéalement une combustion complète ne produit que de l'eau et du CO2, mais lors d'une combustion incomplète, une partie du carbone n'est pas totalement oxydée, ce qui produit du CO et des HC. L'efficacité de la combustion a été améliorée par une réduction de la taille des gouttelettes de carburant, l'augmentation de la turbulence du milieu réactionnel et la fourniture d'une quantité de chaleur suffisante pour bien vaporiser le carburant. Cependant, à froid, ces mesures restent insuffisantes et doivent être complétées par des post-traitement des émissions et des stratégies de contrôle du fonctionnement du moteur complexes. On peut citer à cet effet la recirculation des gaz d'échappement, un réglage fin des moments d'ouverture et de fermeture des soupapes, un retard de l'allumage, une réduction des taux de compression, l'utilisation de pièges à HC et le couplage entre des convertisseurs catalytiques et une injection d'air pour oxyder les HC imbrûlés et produire une réaction exothermique favorisant l'initiation de la catalyse. Dans les documents US-A-5 218 943, US-A-5 738 077 et EP-A-0 821 159 , on a proposé d'exécuter un prémélange de l'air et du carburant en amont de la chambre de combustion. Cela permet d'augmenter l'atomisation et de réduire le colmatage. Mais cela nécessite une pompe à air coûteuse, des modifications complexes des injecteurs et un espace disponible pour y placer le disposi- tif de prémélange. Dans le document US-A-5 390 647, on propose de prélever de l'air dans le cylindre grâce à une conception particulière de la soupape d'admission d'air et de son environnement, et de le renvoyer dans l'injecteur de carburant. On obtient 4 ainsi un meilleur mélange air/carburant, une meilleure atomisation et un colmatage réduit. Aucune autre source d'air extérieure n'est nécessaire. Mais cela nécessite des modifications profondes de la conception des injecteurs et des soupapes d'admission, et ce système est coûteux et insuffisamment fiable. Dans US-A-4 846 114 on utilise de l'air comprimé pour nettoyer la tête de l'injecteur. Mais le diamètre de plus en plus faible des orifices des injecteurs (typiquement aujourd'hui 60 pm) réduit l'efficacité de cette solution, car l'air ne peut circuler suffisamment rapidement dans les canaux. D'autre part un dispositif séparé d'injection d'air est nécessaire. Ainsi, cette solution est complexe, coûteuse et, en fin de compte, trop difficile à mettre en oeuvre. Le but de l'invention est de proposer une conception d'injecteur de carburant permettant de résoudre de façon simple et économique les problèmes liés à la mauvaise combustion du carburant et au colmatage des injecteurs, en particulier lorsque le moteur est encore froid. A cet effet, l'invention a pour objet un injecteur de carburant pour moteur à explosion, comportant une tête munie d'au moins un canal d'injection de carburant dans une chambre de combustion, une aiguille d'injecteur commandant l'admission du carburant dans ledit canal d'injection et un canal d'admission du carburant dans l'injecteur, caractérisé en ce qu'il comporte également au moins un canal d'admission d'air dont une première extrémité débouche sur une partie de la surface latérale de l'injecteur qui est destinée à se trouver dans la chambre de combustion lorsque l'injecteur est en place dans le moteur, et dont au moins une deuxième extrémité débouche dans un canal d'injection. Ledit canal d'injection et ledit canal d'admission d'air peuvent former un angle compris entre 45 et 80 . II peut comporter plusieurs canaux d'injection et plusieurs canaux d'admission d'air. Plusieurs canaux d'admission d'air peuvent comporter une extrémité commune débouchant dans la chambre de combustion. Chaque canal d'injection peut être alimenté par plusieurs canaux d'admission d'air. Les premières extrémités desdits canaux d'admission d'air peuvent dé-boucher sur la surface latérale de l'injecteur à l'écart des jets de carburant sortant des canaux d'injection. L'invention a également pour objet un moteur à explosion, comportant au 5 moins un cylindre, chaque cylindre étant équipé d'un injecteur de carburant, caractérisé en ce que ledit injecteur est du type précédent. Chaque cylindre peut comporter un injecteur du type précédent et un injecteur dépourvu de canal d'injection d'air, lesdits injecteurs pouvant fonctionner ensemble ou séparément. Le moteur peut comporter des moyens de commande de l'utilisation des injecteurs du type précédent lors des phases de post-injection de carburant. Comme on l'aura compris, l'invention consiste à faire communiquer la chambre de combustion du cylindre avec le canal d'injection de carburant de l'injecteur, au moyen d'au moins un simple canal d'admission d'air. Cette admis- sion s'effectue au moyen de la seule pression régnant dans la chambre de combustion. L'invention repose sur l'application du principe de Bernouilli, connu en mécanique des fluides, qui pose que dans un fluide parfait, auquel on ne fournit aucune énergie, on observe une augmentation de la vitesse simultanément à une diminution de la pression ou de l'énergie gravitationnelle. Autrement dit, dans un courant de fluide libre (sans parois pour le diriger), une accélération ne peut se produire que si le fluide est soumis à des différences de pression. On distingue la pression statique, c'est-à-dire la pression dans un milieu non due à un mouvement, telle que la pression atmosphérique, la pression dynamique qui est due à un mouvement, et la pression totale qui est la somme de la pression statique et de la pression dynamique auxquelles le fluide est soumis. Le principe de Bernouilli est déjà utilisé dans l'industrie automobile pour le fonctionnement d'un carburateur. Dans un carburateur, l'air passe à travers un venturi (dont le fonctionnement repose sur le principe de Bernouilli) pour accroître sa vitesse et, donc, diminuer sa pression. L'air à basse pression est dirigé sur un conduit menant à une réserve de carburant. La dépression aspire le carburant dans le courant d'air de sorte qu'un mélange air/carburant peut être envoyé au moteur. La réduction de pression est grossièrement proportionnelle au carré du débit d'air, de sorte que plus de carburant est aspiré lors que le débit d'air augmente, et le mélange air/carburant demeure sensiblement dans le même rapport pour une gamme limitée de vitesses. Une logique semblable à celle du carburateur est appliquée dans l'invention. Lorsque le carburant traverse le conduit d'injection en direction de la chambre de combustion, il passe devant un conduit d'air adjacent, lui-même relié à la chambre de combustion. La pression dans le conduit d'air est réduite et l'air est aspiré dans le conduit d'injection. L'air et le carburant sont injectés ensemble dans la chambre de combustion, en étant mélangés intimement. On obtient ainsi une combustion plus homogène du carburant, aussi bien lorsque le moteur est froid que lorsqu'il est en régime de croisière. De plus, comme de l'air circule dans le conduit d'injection du carburant, son colmatage est réduit, voire supprimé. Aucune modification profonde de l'architecture du système d'injection ou de la conception de l'injecteur n'est nécessaire. 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 l'architecture d'un moteur Diesel à injection directe, équipé d'une rampe commune pour l'injection du carburant ; - la figure 2 qui montre schématiquement vue en section longitudinale l'extrémité d'un exemple d'injecteur selon l'art antérieur, auquel l'invention vise à se substituer ; - la figure 3 qui montre schématiquement vue en section longitudinale l'extrémité d'un exemple d'injecteur à un seul canal selon l'invention ; - la figure 4 qui montre schématiquement vu de dessous un exemple d'injecteur multicanal réalisé selon l'invention. La figure 1 schématise un moteur Diesel 1 à quatre cylindres 2 classique, équipé d'une rampe commune 3 pour l'injection du carburant dans les cylindres 2 au moyen d'injecteurs 4. On également représenté le conduit 5 amenant le carburant à partir du réservoir dans le compresseur 6 relié à la rampe commune 3 par une conduite 7, ainsi que la conduite d'échappement 8 du moteur 1. Il doit être entendu que l'invention n'est pas limitée dans son application à ce type de moteur, et peut être utilisée sur des moteurs fonctionnant à l'essence ou aux carburants agricoles ou équipant des véhicules hybrides. La figure 2 montre schématiquement un injecteur 5 selon l'art antérieur, en position fermée, inséré dans la culasse d'un moteur (non représentée). Le ca- nal d'injection 9 du carburant est ici obturé en amont par l'aiguille 10 de l'injecteur 5, et son extrémité aval débouche dans la chambre de combustion 11 du cylindre 2. On a représenté le dépôt 12 de matériau organique et organométallique responsable du problème de colmatage de l'injecteur 5 que l'invention se propose de résoudre. La figure 3 montre un injecteur 5 selon l'invention, dont l'aiguille 10 est en position ouverte, permettant donc l'admission du mélange air/carburant dans la chambre de combustion 11 du cylindre 2 (le moteur et sa culasse ne sont pas représentés). Cet injecteur comporte un canal 13 connecté à la rampe commune 3 pour l'admission du carburant dans l'injecteur 5, et que l'aiguille 10 peut obstruer ou non suivant sa position. L'injecteur 5 comporte également un canal d'injection 9 débouchant dans la chambre de combustion 11. Dans l'exemple représenté sur la figure 3, l'injecteur 5 ne comporte qu'un seul tel canal d'injection 9. Selon l'invention, l'injecteur 5 comporte également un canal à air 14 dont une première extrémité 15 débouche sur la paroi latérale de l'injecteur 5, dans une zone destinée à se trouver dans la chambre de combustion 11 et dont la seconde extrémité 16 débouche dans le canal d'injection 9 du carburant dans la chambre de combustion 11. Dans l'exemple représenté, le canal d'injection 9 et le canal à air 14 forment un angle a de 90 . C'est la valeur maximale pour cet angle a, sinon il y aurait un risque que du carburant ne pénètre dans le canal à air 14. a doit donc être un angle aigu, de préférence de valeur 45 à 80 pour des questions de facilité de fabrication. De préférence, le diamètre du canal à air 14 ne dépasse pas le diamètre du canal d'injection 9. Selon l'invention, il y a donc au moins un canal à air 14 mettant en communication la chambre de combustion 11 et chaque canal d'injection 9 du carbu- rant dans la chambre de combustion, selon des géométries diverses possibles. Le fait de prélever l'air à mélanger au carburant dans la chambre de combustion 11 a pour avantage que les hautes pressions (200 à 400 bars, typiquement) régnant dans la chambre de combustion 11 rendent ce prélèvement facile. Au contraire, si l'air à mélanger au carburant était prélevé hors de la chambre de combustion 11, cet air devrait être injecté à une pression suffisamment élevée pour compenser la pression régnant dans la chambre de combustion, sinon on risquerait d'obtenir une remontée d'air, de carburant et de gaz de combustion dans le canal à air 14, ce qui perturberait son fonctionnement. On évite ainsi d'avoir recours à des pompes et à des vannes et autres organes qui seraient nécessaires pour réaliser cette injection d'air, et rendraient l'installation complexe et coûteuse. Sur la figure 4 est représenté schématiquement une géométrie possible pour la tête d'un injecteur multicanal 5 faisant usage du principe de l'invention. Cet injecteur 5 comporte trois canaux d'injection dont les orifices 17, 18, 19 sont répartis régulièrement sur la périphérie de la tête de l'injecteur 5, avec un écart angulaire de 120 . Les jets 20 de mélange air/carburant sortant des orifices 17, 18, 19 sont également représentés. La tête de l'injecteur 5 comporte également des canaux à air débouchant dans la chambre de combustion par trois orifices non visi- bles sur la figure 4 car ils sont situés sur la partie latérale de la tête de l'injecteur 5. Chacun de ces orifices (correspondant aux orifices 15 de la figure 3) permet d'alimenter plusieurs canaux à air (correspondant au canal à air 14 de la figure 3), deux dans l'exemple représenté, débouchant chacun dans un canal d'injection de l'injecteur 5. Les traces 21 de ces canaux à air sont représentées sur la figure 4. Chaque canal d'injection est donc alimenté par deux canaux à air. On peut noter que dans l'exemple représenté, les orifices des canaux à air sont également ré-partis régulièrement sur la surface latérale de l'injecteur 5, avec des décalages angulaires de 120 , et sont chacun décalés angulairement de 90 par rapport aux canaux d'injection qu'ils alimentent. Cette disposition permet aux orifices des ca- naux à air de déboucher dans la chambre de combustion 11 dans des zones si-tuées à l'écart des jets 20, donc là où la présence de carburant est relativement faible lors des phases d'injection et où la concentration en air est maximale. L'invention peut être adaptée à tous les injecteurs de haute pression et de faible pression sans modification de l'architecture du moteur ni de la stratégie de la combustion. Typiquement, le diamètre du canal d'injection 9 est de 60 micro-mètres pour un injecteur à haute pression du type common rail à 1600 bars. La haute pression et le faible diamètre du canal favorisent une bonne pulvérisation du carburant. Pour cette raison, le diamètre idéal du canal à air 14 est entre 50 à 60 micromètres. Il faut que le diamètre du canal à air 14 soit aussi élevé que possible parce qu'un faible diamètre crée une résistance à l'entraînement d'air, mais de préférence sans dépasser celui du canal d'injection 9. Les injecteurs selon l'invention peuvent être utilisés en couplage avec des injecteurs classiques, soit dans la même chambre de la combustion 11 ou soit dans certaines chambres de combustion et pas dans les autres. L'avantage est de pouvoir faire fonctionner les injecteurs classiques en parallèle avec les injecteurs modifiés selon l'invention. Egalement, on peut utiliser les injecteurs modifiés uniquement pour les post-injections quand on régénère les catalyseurs ou le filtre à particules. On obtient alors un meilleur contrôle de la quantité du carburant avec ces injecteurs non encrassés, donc un meilleur contrôle du niveau de l'exotherme généré qui permet la régénération du filtre par combustion des suies. Ce niveau d'exotherme peut être estimé par des thermocouples placés à la sortie du moteur ou plus en aval dans la ligne d'échappement. A cet effet, le moteur est équipé de moyens classiques qui permettent de commander le déclenchement de la post-injection. Si l'exotherme obtenu avec les seuls injecteurs selon l'invention s'avère insuffisant, on peut utiliser les injecteurs classiques en parallèle avec eux. L'invention peut, comme on l'a dit, être adaptée à tout type de moteur à injection, quel que soit son carburant, de manière à obtenir une meilleure homogénéité de la combustion, en particulier lorsque le moteur est froid. Et la présence d'air dans les canaux d'injection 9 permet de limiter, voire d'éviter leur colmatage par les résidus de combustion. Enfin, cette adaptation est très aisée, et ne nécessite aucune modification du moteur autre que celle de la tête des injecteurs. REVENDICATIONS 1. Injecteur (5) de carburant pour moteur à explosion (1), comportant une tête munie d'au moins un canal (9) d'injection de carburant dans une chambre de combustion (11), une aiguille d'injecteur (10) commandant l'admission du carburant dans ledit canal d'injection (9) et un canal (13) d'admission du carburant dans l'injecteur (5), caractérisé en ce qu'il comporte également au moins un canal (14) d'admission d'air dont une première extrémité (15) débouche sur une partie de la surface latérale de l'injecteur (5) qui est destinée à se trouver dans la chambre de combustion (11) lorsque l'injecteur (5) est en place dans le moteur (1), et dont au moins une deuxième extrémité débouche dans un canal d'injection (9). 2. Injecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit canal d'injection (9) et ledit canal d'admission d'air (14) forment un angle (a) compris entre 45 et 80 . 3. Injecteur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comporte plusieurs canaux d'injection (8) et plusieurs canaux (14) d'admission d'air. 4. Injecteur selon la revendication 3, caractérisé en ce que plusieurs canaux (14) d'admission d'air comportent une extrémité commune débouchant dans la chambre de combustion (11). 5. Injecteur selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que chaque canal d'injection (9) est alimenté par plusieurs canaux (14) d'admission d'air. 6. injecteur selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les premières extrémités (15) desdits canaux (14) d'admission d'air débouchent sur la surface latérale de l'injecteur (5) à l'écart des jets (20) de carburant sortant des canaux d'injection (9). 7. Moteur à explosion (1), comportant au moins un cylindre (2), chaque cylindre (2) étant équipé d'au moins un injecteur de carburant (5), caractérisé en ce que au moins un desdits injecteurs (5) dans au moins un cylindre (2) est du type selon l'une des revendications 1 à 6. 8. Moteur à explosion (1) selon la revendication 7, caractérisé en ce que chaque cylindre (2) est équipé d'un injecteur (5) selon l'une des revendications 1 à11 6 et d'un injecteur dépourvu de canal (14) d'admission d'air, lesdits injecteurs pouvant fonctionner ensemble ou séparément. 9. Moteur selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de commande de l'utilisation des injecteurs selon l'une des revendications 5 1 à 6 lors des phases de post-injection de carburant.