Brevet FR3019232A1 — publié le 20151002

Moteur thermique à piston et à allumage par compression équipé d'un système de démarrage en conditions sévères DOMAINE TECHNIQUE L'invention est relative au domaine aéronautique et elle concerne le démarrage en conditions sévères, typiquement en altitude et à basse température ambiante, d'un moteur thermique à piston à allumage par compression tel qu'un moteur Diesel. ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE Un tel moteur fait par exemple partie d'un groupe auxiliaire de puissance équipant un aéronef, un tel groupe comportant un alternateur mis en mouvement par le moteur pour constituer une source électrique autonome. Un tel groupe autonome est alimenté avec le carburant principal disponible à bord de l'aéronef qu'il équipe et on attend de lui qu'il puisse être mis en service et arrêté à la demande de manière fiable. Ce type de groupe auxiliaire peut être sollicité lorsque l'aéronef est au sol pour générer du courant lorsque les moteurs de propulsion sont arrêtés, et il peut aussi être utilisé pour constituer une source électrique servant à démarrer ces moteurs de propulsion. Un tel groupe auxiliaire peut encore être sollicité lorsque l'aéronef est en vol, dans certaines situations d'urgence, pour constituer une source électrique permettant d'alimenter des équipements d'urgence. On attend donc d'un tel groupe auxiliaire de puissance qu'il puisse être mis en service de façon sure y compris en conditions sévères. Néanmoins, le démarrage d'un moteur à pistons à allumage par compression est problématique lorsque les conditions sont sévères, en particulier lorsque la température est basse et/ou lorsque la pression atmosphérique est insuffisante, ce qui correspond notamment au cas d'un aéronef en vol. Les possibilités connues pour faciliter le démarrage sont d'une manière générale trop coûteuses en termes de consommation électrique. Préchauffer tout ou partie du moteur avec un flux d'air chaud ou au moyen de composants internes chauffants, ou encore compresser son air d'admission avec un compresseur électrique durant la phase de démarrage, sont des solutions nécessitant une puissance électrique importante. De plus, dans une situation d'urgence, la réserve et la puissance électrique disponibles peuvent être insuffisantes. RESUME DE L'INVENTION Le but de l'invention est de proposer une solution pour remédier à cet inconvénient en proposant un agencement facilitant le démarrage en conditions sévères d'un moteur thermique à piston à allumage par compression. A cet effet, l'invention a pour objet un moteur thermique à piston pour aéronef, comportant un système d'injection directe pour injecter du carburant liquide dans chaque chambre de combustion de ce moteur fonctionnant en régime permanent selon un mode d'allumage par compression, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens additionnels de démarrage en conditions sévères comprenant un système d'allumage commandé tel qu'un système à bougies d'allumage, et un système d'injection indirecte pulvérisant le carburant dans un conduit d'admission en amont de chaque chambre de combustion. D'une manière générale, l'allumage commandé permet d'apporter l'énergie nécessaire à l'inflammation du mélange moyennant une faible énergie supplémentaire et la vaporisation du carburant est accrue par le système d'injection indirecte dédié au démarrage, ce qui favorise aussi l'inflammation du mélange. L'invention concerne également un moteur tel que défini ci-dessus, comprenant des moyens pour ajouter au carburant d'alimentation du système d'injection indirecte un additif augmentant sa volatilité. L'invention concerne également un moteur tel que défini ci-dessus, comprenant des moyens pour alimenter le système d'injection indirecte avec un carburant de démarrage différent du carburant d'alimentation du système d'injection directe et ayant une plus grande volatilité. L'invention concerne également un moteur tel que défini ci-dessus, équipé d'un réservoir autonome et d'une pompe autonome dédiés l'un et l'autre à l'alimentation du système d'injection indirecte avec le carburant de démarrage. L'invention concerne également un moteur tel que défini ci-dessus, dans lequel le système d'allumage commandé comporte au moins une bougie à étincelles. L'invention concerne également un groupe auxiliaire de puissance destiné à équiper un aéronef, comprenant un moteur thermique tel que défini ci-dessus et un alternateur électrique mis en mouvement par ce moteur thermique. L'invention concerne également un groupe propulsif pour aéronef, comprenant un moteur thermique tel que défini ci-dessus et un système propulsif tel qu'une hélice ou un rotor qui est mis en mouvement par ce moteur thermique. L'invention concerne également un procédé de démarrage d'un moteur tel que défini ci-dessus, comportant une étape d'activation des moyens d'injection indirecte pour injecter du carburant en amont de chaque chambre de combustion et d'activation des moyens d'allumage commandé du moteur, suivie d'une étape d'activation des moyens d'injection directe, suivie d'une étape de désactivation des moyens d'injection indirecte et des moyens d'allumage commandé. DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION L'idée à la base de l'invention est d'adjoindre à un moteur à piston à injection directe et à allumage par compression des moyens additionnels dédiés à la phase de démarrage en conditions sévères et comportant un système d'allumage commandé, par exemple à bougies, couplé à un système d'injection indirecte pour pulvériser du carburant en amont des chambres de combustion afin de favoriser sa vaporisation. Cette architecture permet de démarrer le moteur en conditions de faible pression et/ou de faible température, sans devoir solliciter une source de puissance électrique importante comme ce serait le cas si l'on prévoyait un compresseur électrique pour cette phase de démarrage. L'exemple de moteur selon l'invention qui est repéré par 1 dans la figure unique comporte une chambre de combustion 2 délimitée par une chemise 3 dans laquelle coulisse un piston 4 relié à un vilebrequin 6 par une bielle 7. Le moteur 1 est suralimenté, c'est-à-dire équipé d'un turbocompresseur 8 incluant une turbine 9 et un compresseur 11. Ce moteur est ici agencé pour fonctionner en régime permanent en étant alimenté avec un carburant tel que du gazole ou du kérosène. Ce carburant est stocké dans un réservoir 12 et est acheminé jusqu'au moteur 1 par une pompe 13, pour être injecté dans la chambre de combustion. La partie supérieure de la chambre de combustion est équipée d'un injecteur direct 14, relié à la pompe 13 par une tubulure d'alimentation. Cet injecteur direct 14 est piloté par une unité de commande 16, et il débouche directement dans la chambre de combustion pour y pulvériser directement le carburant, de façon cyclique et séquencée avec les mouvements du piston 4. Dans ce moteur, l'air atmosphérique est comprimé par le compresseur 11 avant d'être conduit dans un collecteur d'admission 17 pour être admis dans la chambre de combustion 2, où il est ensuite brûlé avec le carburant. Les gaz de combustion sont ensuite évacués via un collecteur d'échappement 18 avant d'être conduits vers la turbine 9 du turbocompresseur 8. Lorsque ce moteur est en régime permanent, l'allumage du mélange d'air et de carburant dans la chambre de combustion est déclenché par la seule compression de ce mélange. L'alésage et le volume résiduel de la chambre de combustion 2 ainsi que la course du piston 4 sont ainsi choisis pour offrir un taux de compression suffisant pour provoquer l'allumage par compression du mélange lorsque le moteur est chaud et alimenté avec son carburant 12. Le moteur selon l'invention est également équipé d'un injecteur indirect 19 dédié à son démarrage. Le carburant est acheminé vers cet injecteur indirect 19 par une autre pompe 22 distincte de la pompe 13 du fait que les pressions d'injection sont différentes pour l'injection directe et pour l'injection indirecte. Le moteur comporte ainsi deux systèmes d'injection distincts et indépendants et qui ont chacun une pompe de pressurisation dédiée. Le carburant qui alimente le système d'injection indirecte peut être le même que celui qui alimente le système d'injection directe. Mais il peut être avantageux d'alimenter le système d'injection indirecte avec un carburant de démarrage plus volatil que le carburant d'alimentation de l'injecteur direct. Le carburant de démarrage peut être par exemple le carburant d'alimentation du système d'injection directe mais auquel est ajouté un additif le rendant plus volatil. Il est aussi possible de prévoir un carburant de démarrage tel que de l'essence, complètement différent du carburant d'alimentation de l'injecteur direct pouvant être par exemple du kérosène ou du gazole. Lorsqu'on prévoit un réservoir de démarrage 21 additionnel pour contenir le carburant de démarrage comme dans l'exemple de la figure, celui-ci est dimensionné pour avoir une faible contenance puisqu'il sert uniquement à fournir du carburant pour les phases de démarrage qui sont de courte durée. Complémentairement, la chambre de combustion 2 est équipée dans sa partie supérieure d'une bougie d'allumage 23 alimentée électriquement pour produire des étincelles cycliquement lors de la phase de démarrage du moteur. La bougie d'allumage 23 est pilotée par l'unité de commande 16, de manière synchronisée avec la rotation du vilebrequin du moteur, l'injecteur indirect 19 est lui aussi piloté par l'unité 16, éventuellement de manière synchronisée. Lors des phases de démarrage en conditions sévères, le moteur 1 est alimenté avec le carburant via l'injecteur indirect 19, et l'allumage est déclenché par la bougie 23. Durant cette phase de démarrage, l'alimentation avec l'injecteur direct 14 peut être neutralisé. Le mélange arrivant dans la chambre de combustion 2 est ainsi fortement vaporisé, ce qui facilite l'initiation de la combustion de prémélange lorsqu'une étincelle est produite par la bougie 23. Dans cette phase, la vaporisation est favorisée par le fait que le carburant est injecté de manière indirecte : l'injecteur indirect 19 débouche non pas dans la chambre de combustion 2, mais dans la conduite d'admission 17 en amont de cette chambre 2. Le carburant dispose ainsi d'un temps supplémentaire pour se vaporiser avant explosion puisqu'il bénéficie de tout le temps de cheminement vers la chambre de combustion 2 et du temps de compression du piston pour que s'opère cette vaporisation. Ainsi, lors d'un démarrage en conditions sévères, le moteur est alimenté en carburant par injection indirecte et il fonctionne en allumage commandé. L'allumage et l'injection sont alors pilotés par l'unité de commande 16 qui peut neutraliser l'injecteur 14 durant cette phase, et le carburant est apporté et pressurisé par la pompe dédiée repérée par 22. Cette combustion entretenue durant le démarrage permet la montée en régime et en température du moteur et de son turbocompresseur. En pratique, l'injection indirecte permet d'améliorer la préparation du mélange d'air et de carburant, et la bougie permet d'aider le début de l'inflammation, de sorte que l'injection directe n'a pas nécessairement besoin d'être neutralisée durant la phase de démarrage. L'injection indirecte et l'allumage commandé peuvent ainsi être utilisés pour favoriser l'allumage du carburant apporté par injection directe. Lorsque le moteur est parvenu à démarrer dans ces conditions, et une fois que les conditions d'auto-inflammation du carburant principal sont atteintes, le moteur est commuté vers son mode de fonctionnement normal. Dans ce fonctionnement normal, le moteur est en mode d'allumage par compression et il est alimenté uniquement via l'injecteur direct 14 activé et piloté par l'unité de commande 16. En mode de fonctionnement normal, l'unité de commande 16 désactive l'injecteur indirect 19 et la bougie d'allumage 23. La transition depuis le mode de fonctionnement de démarrage vers le mode de fonctionnement normal peut être déclenchée lorsque le moteur a atteint un certain régime et/ou une certaine température, ou tout autre paramètre ou ensemble de paramètres pertinent. L'invention est particulièrement adaptée aux moteurs à allumage par compression ayant un faible rapport volumétrique, ce qui est le cas des moteurs à hautes performances fortement suralimentés. Dans ce cas, la marge à l'auto-allumage du carburant de type essence est augmentée, ce qui permet d'augmenter la puissance admissible dans le mode de combustion en injection indirecte et donc d'apporter plus d'énergie au turbocompresseur au moment de la transition vers la combustion par injection directe. REVENDICATIONS1. Moteur thermique (1) à piston (4) pour aéronef, comportant un système d'injection directe (12, 13, 14) pour injecter du carburant liquide dans chaque chambre de combustion (2) de ce moteur (1) fonctionnant en régime permanent selon un mode d'allumage par compression, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens additionnels de démarrage en conditions sévères comprenant un système d'allumage commandé (16, 14) tel qu'un système à bougies d'allumage (23), et un système d'injection indirecte (16, 19, 21, 22) pulvérisant le carburant dans un conduit d'admission (17) en amont de chaque chambre de combustion (2). 2. Moteur selon la revendication 1, comprenant des moyens pour ajouter au carburant d'alimentation du système d'injection indirecte (19, 21, 22) un additif augmentant sa volatilité. 3. Moteur selon la revendication 1 ou 2, comprenant des moyens (21, 22) pour alimenter le système d'injection indirecte (19) avec un carburant de démarrage différent du carburant d'alimentation du système d'injection directe (14) et ayant une plus grande volatilité. 4. Moteur selon l'une des revendications précédentes, équipé d'un réservoir autonome (21) et d'une pompe autonome (22) dédiés l'un et l'autre à l'alimentation du système d'injection indirecte. 5. Moteur selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le système d'allumage commandé comporte au moins une bougie à étincelles (23). 6. Groupe auxiliaire de puissance destiné à équiper un aéronef, comprenant un moteur thermique selon l'une des revendications précédentes et un alternateur électrique mis en mouvement par ce moteur thermique. 7. Groupe propulsif pour aéronef, comprenant un moteur thermique selon l'une des revendications 1 à 5 et un système propulsif tel qu'une hélice ou un rotor mis en mouvement par ce moteur thermique. 8. Procédé de démarrage d'un moteur tel que défini dans l'une des revendications 1 à 5, comportant une étape d'activation des moyens d'injection indirecte pour injecter du carburant en amont de chaque chambre de combustion et d'activation des moyens d'allumage commandé du moteur, suivie d'une étape d'activation des moyens d'injection directe, suivie d'une étape de désactivation des moyens d'injection indirecte et des moyens d'allumage commandé.10