Brevet FR2967214A1 — publié le 20120511

L'invention concerne un procédé de régulation d'injection d'essence et d'alcool dans un moteur à combustion interne, ainsi qu'un système d'injection apte à mettre en oeuvre un tel procédé. Afin de diminuer la consommation de carburant, Il est connu de combiner des injections d'alcool et d'essence dans les moteurs à combustion interne. En particulier, une solution consistant à injecter de l'essence pour une charge limitée et de l'alcool pur (comme par exemple de l'éthanol, ou un mélange d'alcools, en particulier le mélange connu sous l'appellation « bio-E85 ») seulement pour des charges plus élevées, présente de nombreux avantages : ^ elle permet de diminuer sensiblement la consommation ; le niveau de consommation homogène requis à faibles charges est abaissé et le taux de compression est plus élevé du fait de la limitation du cliquetis par l'alcool (en d'autres termes, l'efficacité thermodynamique est améliorée) ; - elle limite fortement le besoin en alcool ; aucun problème additionnel de démarrage à froid (qui est réalisé en injectant seulement de l'essence) ; - une utilisation limitée de la production mondiale d'alcool. Dans le système connu d'injection essence / alcool, par exemple de la publication CORN, BROMBERG, HEYWOOD 2005 « Direct injection ethanol boosted gasoline engines : biofuel leveraging for cost effective reduction of oil dependence and COZ emissions », l'injection d'essence est réalisée par une pompe basse pression pour introduire l'essence dans la chambre de combustion du moteur sous forme de gouttelettes partiellement vaporisées. L'essence est donc injectée en injection indirecte alors que l'alcool est injecté en injection directe, sans pompe à basse pression. Une telle configuration présente des inconvénients au regard de la robustesse, par la présence d'un système de distribution (gaine, collecteur, distributeur, vanne) et de la maniabilité d'un moteur équipé d'un tel système d'injection. En effet, lorsque le moteur est sollicité pour un besoin immédiat de puissance ou de couple élevés (dépassement, ascension d'une pente, etc.), les pressions et quantités d'air et d'essence augmentent considérablement ; l'avance à l'allumage, réglée nécessairement tôt pour maîtriser la combustion et obtenir le meilleur rendement possible, va alors provoquer un phénomène de cliquetis. Le cliquetis apparaît lorsque la limite du taux de compression du cycle thermodynamique est atteinte par auto-allumage. Ce phénomène provoque donc une perte de performance sensible. En passant à l'injection d'alcool, la limite de cliquetis va être repoussée car l'alcool s'allume à des pressions et des températures plus élevées que l'essence. Cependant, le passage de l'un à l'autre des carburants n'est pas instantané et le moteur ne dispose pas de toute sa puissance à l'instant où, précisément, il est sollicité pour qu'il la fournisse. Ainsi, lorsque des pics de charge sont sollicités pour opérer de fortes accélérations, il existe un écart entre le seuil d'actionnement de commande de pressurisation en alcool et l'instant où le rendement en alcool devient supérieur au rendement en essence. Cet écart de temps constitue la mesure le temps de réponse qui reste ici trop élevé pour éliminer le cliquetis. L'invention vise à limiter sensiblement, voire éliminer, ce temps de réponse. Pour ce faire, les passages d'injection entre l'essence et l'alcool sont régulés par un mécanisme d'obturation particulier. Plus précisément, la présente invention a pour objet un procédé de régulation d'injection d'essence et d'alcool d'un moteur à combustion interne, dans lequel une injection directe de carburant unique alimente le moteur, le carburant étant soit de l'alcool au-dessus d'un seuil de charge critique soit de l'essence au-deçà de cette valeur de seuil. L'alimentation du moteur en carburant provient d'une parmi deux voies d'injection directe en alcool et essence. Cette alimentation du moteur bascule directement d'un carburant à l'autre du fait que l'ouverture d'une voie d'injection actionne la fermeture simultanée ou quasi-simultanée de l'autre voie d'injection. L'invention se rapporte également à un système d'injection apte à mettre en oeuvre ce procédé. Un tel système d'injection comporte deux voies d'alimentation du moteur en carburants, chaque voie étant équipée d'une commande de pressurisation d'un carburant, de l'essence par une voie et de l'alcool par l'autre voie, les deux voies étant couplées à une voie d'injection unique par cylindre du moteur via un injecteur à vanne à trois voies équipé d'un mécanisme qui, par pivotement lorsque des seuils d'inversion de charge déterminés par une unité de commande, ouvre l'une des voies d'alimentation tout en obturant quasi-simultanément l'autre voie. De préférence, les vannes et les commandes de pressurisation sont dimensionnées pour que la somme des temps de réponse des circuits hydrauliques et des injecteurs à vanne soit inférieure au temps de réponse total du système d'injection entre les deux seuils d'inversion du mécanisme à vanne. En particulier, lorsque le moteur est équipé d'un turbocompresseur, le temps de réponse total reste borné par le temps de réponse du turbocompresseur en liaison avec la voie d'alimentation en essence. Selon des modes de réalisation particuliers : - le mécanisme de l'injecteur à vanne est un clapet pivotant muni d'un moyen de tarage ; un tel mécanisme n'a pas d'actionneur car il est commandé uniquement par la différence de pressions des carburants ; - au moins la voie d'alimentation en alcool est couplée à une rampe commune, la rampe étant ensuite couplée à un mécanisme à un injecteur à vanne par cylindre ; - les pompes de pressurisation sont réglées selon une loi de commande à partir des valeurs des seuils d'inversion, du temps de réponse des pompes et de la valeur de tarage pour minimiser le temps de réponse du mécanisme à vanne. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la 10 lecture de l'exemple de réalisation détaillé qui suit, en référence aux dessins annexés, qui représentent respectivement : - en figure 1, une vue schématique globale d'un exemple de système d'injection selon l'invention ; - en figure 2, une vue schématique en coupe d'un exemple d'injecteur à vanne 15 selon l'invention ; et - en figure 3, un diagramme de demande de couple moteur en fonction du temps avec un système d'injection selon l'invention. En référence à la figure 1, un système d'injection 1 de carburant à un moteur «M» à combustion interne comporte deux tubulures d'entrée T1 et T2, respectivement 20 d'essence et d'alcool. Dans le cas où un turbocompresseur 2 est utilisé, l'essence est mélangée à de l'air comprimé provenant du turbocompresseur 2 via un collecteur 3 dans lequel l'essence est injectée sous forme de fines gouttelettes. Le turbocompresseur 2 est monté sur la tubulure d'échappement 4 du moteur «M» pour entraîner à l'aide des gaz d'échappement une turbine d'entraînement 51 du compresseur 52. 25 Avantageusement, le carburant le plus utilisé, à savoir l'essence, est aspiré dans la tubulure T1 à partir d'un réservoir 13 de capacité importante, par exemple de 100 litres, alors que l'alcool, qui est sensiblement moins consommé, par exemple vingt fois moins que l'essence, est puisé depuis un réservoir 14 de capacité réduite, par exemple de 5 litres, en liaison avec la tubulure T2. 30 Les carburants sont aspirés à partir des réservoirs 13 et 14 par des pompes 15 et 16 basse pression, après avoir été filtrés à travers des filtres F. Les tubulures T1 et T2 sont couplées à des rampes communes 17 et 18 (connues également sous l'appellation « common rail » en terminologie anglaise) via des électrovannes EV de contrôle de débit et des pompes de pressurisation 19 et 20. 35 Les rampes 17 et 18 sont couplées à chaque cylindre Cl à C4, du moteur « M » via un injecteur à clapet 21 selon l'invention, à partir des tubulures d'injection, respectivement T1 et T2. En variante, l'injection d'essence peut se faire sans rampe commune 17, c'est-à-dire directement dans les injecteurs à partir de la tubulure T1. Une unité de commande électronique 25, en abrégé ECU, contrôle la pressurisation des pompes 19 et 20, les électrovannes EV, les limiteurs de pression 26 dans les rampes 17 et 18, et les soupapes d'injection 24i et d'échappement 24e dans les chambres de combustion 6 des cylindres Cl à C4, en fonction notamment des données fournies par des capteurs de pression et de température 27p et 27T. Avantageusement, du fait d'un débit plus important en essence, la taille des pompes 15 et 19 est sensiblement supérieure à celle des pompes 16 et 20. Pour la même raison, le volume de la rampe commune d'essence 17 est sensiblement supérieur à celui de la rampe d'alcool 18. Les injecteurs à clapet 21 montés sur chaque cylindre Cl à C4 sont maintenant détaillés en référence à la figure 2. Chaque injecteur 21 reçoit l'alcool et l'essence à travers des embouts flexibles E1 et E2 des tubulures d'injection T1 et T2 provenant des rampes 17 et 18. Un clapet 22 est monté en pivotement sur une rotule « R » autour d'un axe X pour obturer les tubulures T1 ou T2 en comprimant l'un ou l'autre des embouts E1, E2 en fonction de la différence de pressions exercée entre les carburants dans les tubulures. Le passage d'une obturation à l'autre est conditionné par un tarage à l'aide d'un moyen de contre-pression, un ressort hélicoïdale 23 dans l'exemple illustré, de sorte que la pression d'alcool soit supérieure à celle de l'essence pour que l'alcool soit injecté. La différence de pressions, correspondant au tarage, traduit la différence de débits entre l'alcool et l'essence. Ainsi dans cet exemple, la tare est réglée sur 30 Bar et le passage d'une injection d'essence par ouverture de la tubulure T1 et obturation de la tubulure T2 - à une injection d'alcool - par ouverture de la tubulure T2 et obturation de la tubulure T1 - est opéré par pivotement (flèche F1) du clapet 22 autour de l'axe X lorsque la pression d'alcool dans la tubulure T2 (par exemple : 140 Bar) devient supérieure de plus de 30 Bar à la pression d'essence dans la tubulure T1 (par exemple : 100 Bar). Inversement, lorsque la pression d'alcool diminue (par exemple : 110 Bar) et s'écarte de celle d'essence (par exemple : 100 Bar) de moins de 30 Bar, le clapet 22 libère la tubulure d'essence T1 et obture la tubulure d'alcool T2. Avec cet obturateur à clapet, Il est possible d'effectuer un changement de carburant, d'essence à alcool, de manière « douce » ou « brutale ». Pour un changement doux, il suffit de décroître lentement la pression en essence ou d'augmenter lentement la pression en alcool jusqu'au pivotement du clapet 22. Pour effectuer un changement brutal, il suffit de décharger brusquement en vidant la tubulure d'essence T1, par exemple par une action de type vidange de pompe: la pression d'essence baisse alors rapidement. Pour augmenter la réactivité, il est possible d'augmenter simultanément la pression d'alcool afin de compenser les temps de réponse des pompes. Les vitesses de variation de pression des carburants dans les tubulures sont réglées par l'unité de commande 25 en variant les débits des carburants. Le carburant qui provient de la tubulure non obturée par le clapet 22 est injecté dans la chambre de combustion de chaque cylindre Cl à C4 via un canal d'injection 30 unique, avec un débit régulé par la soupape 24i via l'unité 25 (figure 1). Le volume transitoire « V » de passage entre les tubulures T1 et T2 et le canal d'injection 30 est minimisé, par exemple par un fond concave, de manière à disposer le plus rapidement possible d'alcool et donc de minimiser le temps de réponse. Dans le cas où un turbocompresseur 2 est utilisé, le temps de réponse du système d'injection est borné par le temps de réponse du turbocompresseur 2. En référence au diagramme de la figure 3, qui illustre la charge « Lw » correspondant au couple moteur demandée dans une phase d'accélération en fonction du temps « t », des seuils d'inversion inférieur S;nf et supérieur SsUp de l'injecteur à clapet 21 (figure 2) ont été reportés. Un seuil médian Sm est également reporté. Il correspond au passage effectif d'une injection de carburant à l'autre. En début de demande de charge pour effectuer une forte accélération, le point courant de la courbe de charge « L » subit un gradient G+ dans la portion de courbe (flèche L1) qui traverse le seuil d'inversion inférieur Sie Au niveau de ce seuil, la commande de pressurisation de l'unité 25 (figure 1) agit pour que la différence des pressurisations d'alcool et d'essence devienne supérieure au tarage, 30 Bar dans l'exemple. Le temps de réponse dans cette phase d'accélération dépend des valeurs du niveau du seuil Sint et du gradient G+. De même, lors de la phase de décélération qui suit la phase d'accélération, le point courant de la courbe « L » subit un gradient G- dans la portion de courbe (flèche L2) qui traverse le seuil d'inversion supérieur SsUp. Le temps de réponse dans cette phase de décélération dépend, de manière similaire à la phase d'accélération, des valeurs du niveau du seuil Ssup et du gradient G-. Le dimensionnement du système d'injection - composé d'un dimensionnement hydraulique et d'un dimensionnement de vanne - pilote les valeurs des gradients G+ et G- et les valeurs des seuils S;nf et SsUp. Le dimensionnement du système d'injection suit la règle des temps de réponse, en abrégé TR, d'un système au regard du temps de réponse total, en abrégé TRTOTAL, de ce système. Cette règle, appliquée à un système d'injection selon l'invention, fait intervenir les temps de réponse des circuits hydrauliques TRHYDRAuuQUE du système et le temps de réponse de l'injecteur à vanne TRVANNE par la relation suivante : TRHYDRAULIQUE + TRVANNE En cas d'utilisation d'un turbocompresseur, le temps de réponse total TRTOTAL est borné par le temps de réponse du turbo TRTURBO ; les temps de réponse d'un système d'injection selon l'invention obéissent alors à la relation : TRHYDRAULIQUE + TRVANNE REVENDICATIONS1. Procédé de régulation d'injection d'essence et d'alcool d'un moteur à combustion interne (M), caractérisé en ce qu'une injection directe de carburant unique alimente le moteur, le carburant étant soit de l'alcool au-dessus d'un seuil de charge critique (Sm) soit de l'essence au-deçà de cette valeur de seuil, et en ce que le moteur (M) est alimenté en carburant parmi l'une de deux voies d'injection directe (T1, T2) en alcool et en essence, cette alimentation du moteur (M) basculant directement d'un carburant à l'autre du fait que l'ouverture d'une voie d'injection (T1, T2) actionne (22) la fermeture simultanée ou quasi-simultanée de l'autre voie d'injection (T2, T1). 2. Système d'injection apte à mettre en oeuvre le procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte deux voies d'alimentation du moteur (M) en carburants (T1, T2), chaque voie étant équipée d'une commande de pressurisation (19, 20) d'un carburant, de l'essence par une voie (T1) et de l'alcool par l'autre voie (T2), les deux voies (T1, T2) étant couplées à une voie d'injection unique (30) par cylindre du moteur (M) via un injecteur à vanne à trois voies (21) équipé d'un mécanisme (22) qui, par pivotement lorsque des seuils d'inversion de charge (Sint+ Ssup) déterminés par une unité de commande (25) sont atteints, ouvre l'une des voies d'alimentation (T1, T2) tout en obturant quasi-simultanément l'autre voie (T2, T1). 3. Système d'injection selon la revendication précédente, dans lequel les vannes (21) et les commandes de pressurisation (19, 20) sont dimensionnées pour que la somme des temps de réponse des circuits hydrauliques (TRHVDRAULIQUE) et des injecteurs à vanne (TRVANNE) soit inférieure au temps de réponse total TRTOTAL du système d'injection entre les deux seuils d'inversion (Sm, Ssup) du mécanisme à vanne (22). 4. Système d'injection selon la revendication précédente, dans lequel le temps de réponse total TRToTAi_ reste borné par le temps de réponse TRTURBO d'un turbocompresseur (40) équipant le moteur (M) en liaison avec la voie d'alimentation en essence (T1). 5. Système d'injection selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, dans lequel le mécanisme de l'injecteur à vanne (21) est un clapet pivotant (22) muni d'un moyen de tarage. 6. Système d'injection selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, dans lequel au moins la voie d'alimentation en alcool (T2) est couplée à une rampe commune (17, 18), la rampe étant ensuite couplée à un injecteur à vanne (21) par cylindre (Cl à C4). 7. Système d'injection selon l'une quelconque des revendications 2 à 6, dans lequel les pompes de pressurisation (19, 20) sont réglées selon une loi de commande à partirdes valeurs des seuils d'inversion (Sinf, Ssup), du temps de réponse des pompes (19, 20) et de la valeur de tarage pour minimiser le temps de réponse du mécanisme à vanne (22).