Brevet FR2933450A1 — publié le 20100108

La présente invention se rapporte à un procédé pour vaporiser un carburant d'un moteur à combustion interne à injection directe, en particulier à autoallumage, notamment d'un moteur de type Diesel. Plus particulièrement, cette invention concerne un moteur pouvant fonctionner selon deux modes de combustion, un mode au moins en partie homogène et/ou un mode conventionnel. Le fonctionnement selon le mode au moins en partie homogène, qui est préférentiellement utilisé pour les faibles et moyennes charges du moteur, consiste à injecter du carburant dans la chambre de combustion de façon très précoce (par exemple pendant la phase d'admission du moteur) de façon à obtenir un mélange essentiellement homogène du carburant avec un fluide, comme de l'air ou un mélange d'air et de gaz d'échappement recirculés (EGR). Pour le fonctionnement avec un mode conventionnel, préférentiellement utilisé aux charges élevées du moteur, une injection du carburant est réalisée autour du point mort haut compression du piston et une combustion classique par autoinflammation puis par diffusion se produit. Durant ce fonctionnement en mode conventionnel, il peut être également envisagé de réaliser une injection très précoce de carburant, par exemple en début de phase d'admission. En mode au moins en partie homogène, il est avantageux que l'injection de carburant se produise très tôt dans le cycle de fonctionnement du moteur dans le but d'obtenir un mélange essentiellement homogène mais des risques de mouillage de la paroi du cylindre par le carburant injecté existent. Ainsi, une injection de carburant en début de phase d'admission a pour avantage de pouvoir confiner le carburant injecté dans le bol que comporte habituellement le piston d'un tel moteur en limitant le contact de ce carburant avec la paroi du cylindre mais la température du fluide contenu dans la chambre de combustion n'est pas suffisante pour assurer une vaporisation efficace du carburant. En conséquence, le carburant injecté dans ce bol et par la suite dans la chambre de combustion peut difficilement se vaporiser et a tendance à former un film liquide sur les parois de cette chambre de combustion. Dans le mode de fonctionnement conventionnel, une injection très précoce entraîne les mêmes inconvénients relatifs aux difficultés de vaporisation du carburant injecté que ceux précédemment mentionnés. Cette difficulté pour vaporiser le carburant peut entraîner des perturbations dans le déroulement de la combustion du mélange carburé ainsi qu'une augmentation des rejets de polluants dans l'atmosphère et une surconsommation de carburant. Une meilleure vaporisation de carburant a essentiellement pour avantage 15 de réduire les émissions d'oxydes de carbone (CO) et d'hydrocarbures imbrûlés (HC) lors de la combustion du mélange carburé et des suies. La présente invention se propose de remédier aux inconvénients ci-dessus mentionnés grâce à un procédé utilisant les éléments habituellement 20 présents dans un moteur à injection directe pour améliorer de manière significative la vaporisation du carburant pendant le fonctionnement en mode au moins en partie homogène de ce moteur ou durant l'injection précoce de carburant en début de phase d'admission pour le mode conventionnel. 25 A cet effet, l'invention concerne un procédé pour faciliter la vaporisation d'un carburant pour un moteur à combustion interne à injection directe, notamment de type Diesel, pouvant fonctionner selon un mode conventionnel et/ou selon un mode au moins en partie homogène avec une phase d'admission, de compression, de combustion et d'échappement, ledit moteur 30 comportant au moins un cylindre, une chambre de combustion, des moyens d'admission avec au moins une soupape d'admission associée à une tubulure d'admission, des moyens d'échappement avec au moins une soupape d'échappement et une tubulure d'échappement, des moyens de contrôle en ouverture/fermeture des soupapes et des moyens d'injection de carburant, caractérisé en ce qu'il consiste : - au cours de la phase d'échappement, à réaliser au moins une injection de carburant dans la chambre de combustion pour produire un mélange avec les gaz d'échappement, et à introduire le mélange ainsi formé au moins partiellement dans la tubulure d'échappement, - au voisinage du début de la phase d'admission, à introduire dans la chambre de combustion au moins une partie du mélange contenu dans la tubulure d'échappement, et à introduire dans ladite chambre un fluide d'admission par la tubulure d'admission, - avant la fin de la phase d'admission, à fermer la soupape d'échappement, - au voisinage de la fin de la phase d'admission, à fermer la soupape d'admission. Le procédé peut consister à fermer la soupape d'échappement à la fin de la phase d'échappement et à introduire au moins partiellement le mélange, au voisinage du début de la phase d'admission, lors d'au moins une séquence d'ouverture/fermeture de ladite soupape d'échappement. Le procédé peut consister à réaliser au moins une injection de carburant dans la chambre de combustion pendant la phase d'admission. Le procédé peut consister à réaliser au moins une injection de carburant 25 dans la chambre de combustion pendant la phase de compression. Le procédé peut consister à réaliser au moins une injection de carburant dans la chambre de combustion pendant la phase d'admission avant que le piston n'atteigne le voisinage du point mort haut. Le procédé peut consister à réaliser au moins une injection de carburant avant l'ouverture de la soupape d'échappement. 30 Le procédé peut consister à réaliser au moins une injection de carburant après l'ouverture de la soupape d'échappement. Le procédé peut consister à réaliser au moins une injection de carburant 5 après la fermeture de la soupape d'échappement. Le procédé peut consister à réaliser une succession d'ouvertures et de fermetures de la soupape d'échappement pendant la phase d'admission. 10 Le procédé peut consister, au voisinage du début de la phase d'admission du moteur, à ouvrir la soupape d'échappement avant la soupape d'admission. Le procédé peut consister, au voisinage du début de la phase d'admission du moteur, à ouvrir la soupape d'échappement après la soupape d'admission. Le procédé peut consister, au voisinage du début de la phase d'admission du moteur, à ouvrir la soupape d'échappement simultanément à l'ouverture de la soupape d'admission. 20 Les autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux décrits à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre uniquement illustratif et non limitatif, et en se référant aux dessins sur lesquels les figures 1 à 3 sont des schémas d'un moteur à injection directe illustrant le déroulement des différentes étapes du procédé selon l'invention. 25 Sur les figures 1 à 3, le moteur à combustion interne est un moteur à combustion interne à quatre temps (ou quatre phases) à injection directe pouvant fonctionner selon deux modes de combustion, un mode au moins en partie homogène et/ou un mode conventionnel. Ce moteur comprend au moins un cylindre 10 à l'intérieur duquel coulisse un piston 12 dans un mouvement alternatif rectiligne sous l'effet d'une bielle commandée par un vilebrequin (non représentés). Ce cylindre comprend, en 15 30 partie haute, une culasse 14 qui permet de délimiter une chambre de combustion 16 formée par la paroi latérale du corps de cylindre 18, la face 20 de la culasse en regard du piston et la surface supérieure 22 du piston. Par chambre de combustion, il est compris non seulement le volume défini ci-dessus mais également ce volume additionné du volume formé par un éventuel bol creux concave logé au sommet du piston. La culasse porte des moyens d'admission 24 avec au moins une soupape d'admission 26 contrôlant une tubulure d'admission 28 débouchant dans la chambre de combustion 16. La culasse porte également des moyens d'échappement 30 avec au moins une soupape d'échappement 32 et une tubulure d'échappement 34 communiquant également avec la chambre de combustion. La soupape d'échappement 32 est commandée en ouverture/fermeture par des moyens de contrôle 36 permettant de faire une ou plusieurs nouvelles séquences d'ouverture/fermeture de cette soupape. Ces moyens peuvent également faire varier les lois de levée de cette soupape, tant au niveau de son moment d'ouverture/fermeture qu'au niveau de sa levée, et cela indépendamment de la soupape d'admission. Ces moyens sont plus connus sous le sigle de VVA (Variable Valve Actuation), VVT (Variable Valve Timing) ou VVL (Variable Valve Lift). La soupape d'admission 26 est préférentiellement commandée par des moyens de contrôle 38 conventionnels, comme un arbre à cames, mais rien n'écarte la possibilité que cette soupape soit contrôlée par des moyens permettant de faire varier les lois de levée de cette soupape. Il peut également être envisagé de contrôler la soupape d'échappement et éventuellement la soupape d'admission par des moyens de contrôle, dits "camless", qui ne comportent aucun arbre à cames. Dans ce cas, le moteur comprend des moyens d'actionnement dédiés à chaque soupape, comme un actionneur à commande électromagnétique ou hydraulique ou électrohydraulique ou pneumatique ou électropneumatique, qui agit directement ou indirectement sur la tige des soupapes. Dans l'exemple décrit dans la suite de la description, la soupape d'admission 26 est contrôlée en ouverture/fermeture par un arbre à cames standard alors que la soupape d'échappement 32 est contrôlée par des moyens permettant de réaliser au moins une nouvelle séquence d'ouverture/fermeture de cette soupape. Le moteur comprend également des moyens d'injection de carburant 40, de préférence sous la forme d'un injecteur, qui projettent du carburant dans la chambre de combustion 16 selon un agencement d'au moins un jet de carburant 42 de façon à y réaliser un mélange carburé avec le fluide d'admission qui y est contenu ou avec les gaz d'échappement, comme cela sera explicité dans la suite de la description. Par fluide d'admission, il est aussi bien entendu de l'air à pression ambiante, ou de l'air suralimenté, qui est comprimé par un turbocompresseur par exemple, ou un mélange de cet air (suralimenté ou non) avec des gaz d'échappement recirculés. Les moyens de contrôle 36 de la soupape d'échappement 32 ainsi que les moyens d'injection de carburant 40 sont contrôlés par un calculateur moteur (non représenté), que comporte habituellement un moteur. Bien entendu, dans le cas où les moyens de contrôle 38 de la soupape d'admission 26 sont des moyens de type "camless" ou du type permettant de faire varier les lois de levées de ces soupapes, le calculateur contrôlera également ces moyens. Ce calculateur contient des cartographies ou des tables de données qui permettent de faire fonctionner le moteur, soit en mode au moins en partie homogène, soit en mode conventionnel en fonction des paramètres qu'il traite. Plus particulièrement, ce calculateur permet de contrôler les séquences d'ouverture/fermeture des soupapes ainsi que les paramètres d'injection de carburant (moment d'injection dans le cycle du moteur, la durée d'injection de carburant...). La description du procédé qui va suivre se fera en relation avec les figures 1 à 3. La figure 1 montre la configuration du moteur à injection directe au 10 voisinage de la fin de la phase d'échappement de ce moteur pour un fonctionnement en mode au moins en partie homogène. Dans cette configuration, le piston 12 est dans une position P1 à proximité de son point mort haut échappement (PMH), la chambre de combustion 16 renferme des gaz d'échappement chauds résultant de la combustion du mélange carburé lors 15 la phase précédente du moteur. La soupape d'admission 26 est en position de fermeture de la tubulure d'admission 28 alors que la soupape d'échappement 32 est en position d'ouverture de la tubulure d'échappement 34 en permettant ainsi d'évacuer des gaz d'échappement chauds. 20 A partir de cette position P1, le calculateur commande l'injection de carburant (en une ou plusieurs étapes) dans les gaz d'échappement résidents chauds alors que la phase d'échappement se poursuit jusqu'à ce que le piston 12 atteigne sa position de PMH (illustrée en traits pointillés). Durant ce cheminement du piston 12 entre la position P1 et le PMH selon 25 la flèche FI, le carburant injecté se vaporise rapidement dans la chambre de combustion 16 grâce à la chaleur des gaz d'échappement qui y sont contenus. Ce mélange gaz d'échappement-carburant vaporisé est expulsé de cette chambre au travers de la soupape d'échappement 32 sous l'effet du mouvement du piston pour parvenir dans la tubulure d'échappement tout en 30 restant à proximité de cette soupape d'échappement. A la fin de la phase d'échappement (à la position PMH du piston), le calculateur contrôle la soupape d'échappement 32 pour qu'elle se trouve de préférence en position de fermeture de la tubulure d'échappement 34 qui5 contient de ce fait un mélange de gaz d'échappement et de carburant vaporisé. De plus, un mélange de gaz d'échappement et de carburant vaporisé est présent dans le volume mort de la chambre de combustion entre la surface supérieure 22 du piston 12 et la face 20 de la culasse 14. Lors de la phase d'admission qui suit cette phase d'échappement (voir figure 2), le piston 12 suit un mouvement (flèche F2) vers le bas de la figure. Pendant cette phase, la soupape d'admission 26 suit une séquence d'ouverture/fermeture sous l'action de l'arbre à cames 38 et cela du point mort haut du piston jusqu'à son point mort bas (PMB indiqué à la figure 3). Durant cette phase d'admission, le calculateur contrôle la soupape d'échappement 32 par les moyens 36 pour qu'elle réalise au moins une autre séquence d'ouverture/fermeture de la tubulure d'échappement 34 et ce avant la fin de la phase d'admission, de préférence au tout début de cette phase d'admission, et avantageusement avant la fermeture de la soupape d'admission. II peut être également prévu de réaliser une succession de cycles d'ouverture/fermeture de la soupape d'échappement. Ainsi, tout ou partie du mélange gaz d'échappement-carburant vaporisé initialement contenu dans la tubulure d'échappement 34 est réintroduit dans la chambre de combustion 16 au travers de la soupape d'échappement sans pour cela mouiller la paroi 18 du cylindre. De même, un fluide d'admission est introduit dans la chambre de combustion 16 par la tubulure d'admission 28 lors de la séquence d'ouverture/fermeture de la soupape d'admission 26. Le calculateur peut commander également, pendant cette phase 30 d'admission, au moins une injection de carburant dans la chambre de combustion 16 par l'intermédiaire de l'injecteur 40. Durant cette phase d'admission, il peut être prévu que la soupape d'admission 26 s'ouvre avant la soupape d'échappement 32. Dans ce cas, l'injection de carburant est réalisée avant l'ouverture de la soupape d'échappement de manière à produire une vaporisation de ce carburant avec le mélange gaz d'échappement-carburant vaporisé déjà présent dans le volume mort de la chambre de combustion, et qui contient encore des gaz d'échappement chauds. Cette injection de carburant dans ce mélange encore chaud a pour effet de vaporiser ce carburant tout en réduisant significativement le contact entre le carburant liquide et la paroi du cylindre. Eventuellement, cette injection de carburant se poursuit lors de l'introduction du mélange gaz d'échappement-carburant vaporisé contenu dans la tubulure d'échappement. Bien entendu et cela sans sortir du cadre de l'invention, il peut être prévu d'ouvrir en premier lieu la soupape d'échappement de façon à réintroduire le mélange gaz d'échappement-carburant vaporisé dans la chambre de combustion puis d'ouvrir la soupape d'admission et enfin d'injecter le carburant dans le mélange ainsi formé tout en profitant de la chaleur contenue dans les gaz d'échappement pour vaporiser le carburant introduit. Bien entendu, toutes autres configurations entre ces deux soupapes ne sont pas écartées, comme une ouverture simultanée de celles-ci au début de la phase d'admission. A la fin de cette phase d'admission (figure 3), le piston 12 se trouve au voisinage du PMB, l'injection de carburant est stoppée et les soupapes d'admission 26 et d'échappement 32 sont en position de fermeture des tubulures qu'elles contrôlent. Grâce à cela, le mélange obtenu dans la chambre 16 lors de la fermeture de la soupape d'admission 26 au voisinage de la fin de la phase d'admission 30 est un mélange plus ou moins homogène contenant de l'air, des gaz d'échappement et du carburant vaporisé. Comme cela est connu, le mode opératoire du moteur se poursuit par une 5 phase de compression du mélange carburé avec possibilité de poursuivre les injections de carburant et la combustion. Plus précisément à ce qui a été évoqué ci-dessus, il peut être aussi prévu de ne pas injecter de carburant pendant la phase d'admission si la quantité de 10 carburant contenue dans le mélange gaz d'échappement-carburant vaporisé présent dans le volume mort et celle contenue dans le mélange gaz d'échappement-carburant vaporisé réintroduit par la tubulure d'échappement sont suffisantes pour assurer l'autoinflammation du mélange pendant la phase de combustion de ce moteur. 15 Egalement, il peut être envisagé de ne pas injecter de carburant pendant la phase d'admission mais de réaliser cette opération d'injection de carburant uniquement pendant la phase de compression de façon à obtenir un mélange partiellement homogène en fin de phase de compression et avant la phase de 20 combustion du moteur. Ceci permet de vaporiser le carburant injecté non seulement de par la présence dans la chambre de combustion du mélange gaz d'échappement-carburant vaporisé mais également de par la chaleur dégagée lors de la compression du mélange air et gaz d'échappement-carburant vaporisé. 25 Bien entendu, l'homme du métier fera en sorte de paramétrer le calculateur de façon à ce qu'il contrôle la fermeture de la soupape d'échappement durant la phase d'admission du moteur pour que la quantité de gaz d'échappement présente dans la chambre de combustion à la fin de cette 30 phase d'admission n'altère pas la combustion du mélange carburé par compression et autoinflammation. La présente invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation décrits ci-dessus mais englobe toutes variantes et tous équivalents. REVENDICATIONS1) Procédé pour faciliter la vaporisation d'un carburant pour un moteur à combustion interne à injection directe, notamment de type Diesel, pouvant fonctionner selon un mode conventionnel et/ou selon un mode au moins en partie homogène avec une phase d'admission, de compression, de combustion et d'échappement, ledit moteur comportant au moins un cylindre (10), une chambre de combustion (16), des moyens d'admission (24) avec au moins une soupape d'admission (26) associée à une tubulure d'admission (28), des moyens d'échappement (30) avec au moins une soupape d'échappement (32) et une tubulure d'échappement (34), des moyens de contrôle (36, 38) en ouverture/fermeture des soupapes et des moyens d'injection de carburant (40), caractérisé en ce qu'il consiste : - au cours de la phase d'échappement, à réaliser au moins une injection de carburant dans la chambre de combustion (16) pour produire un mélange avec les gaz d'échappement, et à introduire le mélange ainsi formé au moins partiellement dans la tubulure d'échappement (32), - au voisinage du début de la phase d'admission, à introduire dans la chambre de combustion (16) au moins une partie du mélange contenu dans la tubulure d'échappement (32) et à introduire dans ladite chambre un fluide d'admission par la tubulure d'admission (28), - avant la fin de la phase d'admission, à fermer la soupape d'échappement (32), - au voisinage de la fin de la phase d'admission, à fermer la soupape d'admission (26). 2) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste, à fermer la soupape d'échappement (32) à la fin de la phase d'échappement et à introduire au moins partiellement le mélange, au voisinage du début de la phase d'admission, lors d'au moins une séquence d'ouverture/fermeture de ladite soupape d'échappement. 3) Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il consiste à réaliser au moins une injection de carburant dans la chambre de combustion (16) pendant la phase d'admission. 4) Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il consiste à réaliser au moins une injection de carburant dans la chambre de combustion pendant la phase de compression. 5) Procédé selon la revendication 1 à 3, caractérisé en ce qu'il consiste à réaliser au moins une injection de carburant dans la chambre de combustion (16) pendant la phase d'admission avant que le piston (12) n'atteigne le voisinage du point mort haut. 6) Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il consiste à réaliser au moins une injection de carburant avant l'ouverture de la soupape d'échappement (32). 7) Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il consiste à réaliser au moins une injection de carburant après l'ouverture de 20 la soupape d'échappement (32). 8) Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il consiste à réaliser au moins une injection de carburant après la fermeture de la soupape d'échappement (32). 9) Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il consiste à réaliser une succession d'ouvertures et de fermetures de la soupape d'échappement (32) pendant la phase d'admission. 30 10) Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il consiste, au voisinage du début de la phase d'admission du moteur, à ouvrir la soupape d'échappement (32) avant la soupape d'admission (26). 25 11) Procédé selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'il consiste, au voisinage du début de la phase d'admission du moteur, à ouvrir la soupape d'échappement (32) après la soupape d'admission (26). 12) Procédé selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'il consiste, au voisinage du début de la phase d'admission du moteur, à ouvrir la soupape d'échappement (32) simultanément à l'ouverture de la soupape d'admission (26).