Brevet FR3029574A1 — publié le 20160610

La présente invention concerne un moteur à explosion, à carburant essence, et du type à injection directe. De manière connue, et illustré à la figure 1, un moteur à explosion à carburant essence et à injection directe 1 comprend, dans la ligne d'admission de carburant 5, en 5 amont direct des injecteurs 7 qu'elle alimente, une chambre 6 comprenant du carburant sous pression, encore dénommée rail commun 6. Chaque injecteur 7, lorsqu'il est commandé/ouvert, prélève du carburant dans ce rail commun 6 pour le délivrer, sous pression dans un cylindre 2. En parallèle, non représenté, de l'air est admis dans le cylindre 2, au moyen d'une soupape. Le mélange air/carburant s'effectue alors 10 directement dans le cylindre 2, au contraire d'un moteur à injection indirecte où un dispositif, tel un carburateur ou des injecteurs, assure le mélange air/carburant en amont et injecte ce mélange dans le cylindre. Un moteur à essence et à injection directe 1 selon l'art antérieur fonctionne aujourd'hui avec une pression carburant maximale dans le rail commun 6 de l'ordre 15 de 200 à 250 bars. L'injection directe est privilégiée aujourd'hui en ce qu'elle permet avantageusement de réduire notablement la quantité de carburant brulé et ainsi la consommation du moteur 1. Cependant, la moins bonne préparation du mélange air/carburant entraîne une plus mauvaise combustion, entrainant une pollution, à l'instar 20 des moteurs Diesel, principalement sous forme de particules. De nouvelles contraintes réglementaires, à l'horizon 2017, visant principalement ces particules, nécessitent de réduire le nombre de particules rejetées dans l'atmosphère. Afin de réduire le nombre de particules, une première approche consiste à 25 augmenter la pression carburant maximale. En effet l'augmentation de la pression carburant améliore la pulvérisation et ainsi le mélange du carburant avec l'air lors de l'injection et permet une meilleure combustion. Des solutions avec une pression carburant maximale de l'ordre de 350 à 500 bars sont actuellement investiguées. L'augmentation de la pression carburant maximale s'accompagne cependant de problèmes technologiques 30 de criticité croissante. Afin de réduire le nombre de particules, une autre approche consiste à monter sur la ligne d'échappement un filtre à particules. Un tel filtre à particules (FAP, ou gaz particule filter, GPF en anglais), de manière connue, capte les particules, constituées majoritairement de carbone imbrulé, lorsqu'elles sont émises et les stocke afin 35 d'empêcher qu'elles ne se répandent dans l'atmosphère. Ces particules captées et 3029574 2 stockées sont ensuite pyrolisées, lors de phases moteurs plus propices, afin de régénérer le filtre à particules. Un filtre à particules peut ainsi typiquement être mis en place sur la ligne d'échappement d'un moteur à essence et à injection directe selon l'art antérieur, fonctionnant avec une pression carburant maximale de l'ordre de 200 à 250 bars. Le principal inconvénient de cette deuxième approche et le coût supplémentaire, non négligeable, d'un filtre à particules. Aussi, selon une approche ingénieuse, la présente invention se propose de tirer bénéfice de la présence d'un filtre à particules pour modifier un moteur à essence à 10 injection directe, et plus particulièrement sa ligne d'admission de carburant, de manière à le simplifier et à en réduire le coût. L'invention a pour objet un moteur à explosion à essence à injection directe, dont la ligne d'échappement comprend un filtre à particule et dont la ligne d'admission de carburant est conçue et dimensionnée pour fonctionner à une pression carburant 15 comprise entre 70 et 150 bars, préférentiellement égale à 100 bars. Selon une autre caractéristique, la pression carburant dans le rail commun d'injection est constante. Selon une autre caractéristique, la ligne d'admission de carburant comprend un régulateur de pression mécanique. 20 Selon une autre caractéristique, les composants de pilotage des injecteurs sont dimensionnés pour un courant de l'ordre de 10A. Selon une autre caractéristique, le calculateur de contrôle moteur est dimensionné pour ne pas piloter un régulateur de pression carburant. Selon une autre caractéristique, le calculateur de contrôle moteur est 25 dimensionné pour ne pas interfacer un capteur de pression carburant et ne pas traiter un signal de pression carburant. Selon une autre caractéristique, le rail commun ne comporte pas de capteur de pression carburant. D'autres caractéristiques, détails et avantages de l'invention ressortiront plus 30 clairement de la description détaillée donnée ci-après à titre indicatif en relation avec des dessins sur lesquels : - la figure 1 illustre un moteur à explosion à essence à injection directe selon l'art antérieur, - la figure 2 illustre un moteur à explosion à essence à injection directe selon 35 l'invention. 3029574 3 Sur ces figures une même référence désigne un élément identique ou similaire. Un élément référencé x à la figure 1 est homologue d'un élément référencé 20+x à la figure 2. Sur les deux figures, un trait continu figure une conduite de fluide, ici du carburant, un trait d'axe figure une connexion électrique, et un double trait figure une 5 liaison mécanique. L'invention, dont un mode de réalisation est illustré à la figure 2, concerne un moteur à explosion à essence à injection directe 21. Ce moteur 21 est plus aisément compris en référence à un moteur à explosion à essence à injection directe 1 selon l'art antérieur. Aussi, en référence à la figure 1, est préalablement décrit un tel moteur à explosion à essence à injection directe 1 selon l'art antérieur. Un moteur à explosion à carburant essence et à injection directe 1 selon l'art antérieur comprend, dans la ligne d'admission de carburant 5, encore dénommé ligne d'injection 5, en amont direct des injecteurs 7 qu'elle alimente, une chambre 6 comprenant du carburant sous pression, encore dénommée rail commun 6. Chaque injecteur 7, lorsqu'il est commandé/ouvert, prélève du carburant dans ce rail commun 6 pour le délivrer, sous pression dans un cylindre 2. En parallèle, non représenté, de l'air est admis dans le cylindre 2, au moyen d'une soupape. Le mélange air/carburant s'effectue alors directement dans le cylindre 2. Un moteur à essence et à injection directe 1 ne comporte pas d'équipement particulier dans sa ligne d'échappement 3. Aussi, afin de réduire le nombre de particules émises, un moteur à essence et à injection directe 1 fonctionne aujourd'hui avec une pression carburant dans le rail commun 6 maximale la plus élevée possible, et au moins de l'ordre de 200 à 250 bars. Pour cela, la ligne d'admission de carburant 5 comprend typiquement un étage basse pression ou de gavage 8 et un étage haute pression 9. L'étage basse pression 8 comprend une pompe basse pression ou pompe de gavage 13 prélevant du carburant depuis un réservoir/bâche 12 et le transmettant, après compression, à l'étage haute pression 9. Un limiteur de pression basse pression 14 assure la sécurité de l'étage basse pression 8 en retournant le carburant à la bâche 12 si la pression dépasse un seuil de tarage dudit limiteur 14. La pression de travail typique de l'étage basse pression 8 est de l'ordre de 5bars. L'étage haute pression 9 comprend une pompe haute pression 16 recevant le carburant transmis par l'étage basse pression 8 et le transmettant, après compression, au rail commun 6. Un limiteur de pression haute pression 17 assure la sécurité de l'étage haute pression 8 en retournant le carburant à l'amont de la pompe haute pression 16 si la pression dépasse un seuil de tarage dudit limiteur 17. Le limiteur haute pression 17 n'est 3029574 4 pas prévu pour déclencher en fonctionnement nominal, mais uniquement en conditions exceptionnelles. Aussi est-il typiquement taré à une pression nettement supérieure à la pression maximale, par exemple 300 bars pour une pression maximale de 250 bars. La pompe haute pression 16 est avantageusement entrainée mécaniquement, 5 tel que figuré par un trait double, via un vilebrequin ou un arbre à cames, par le moteur 1. La pression carburant maximale de l'ordre de 200 à 250 bars nécessite que les composants de la ligne d'admission de carburant 5, et particulièrement les composants 15-17 de l'étage haute pression 9, mais encore le rail commun 6 et les injecteurs 7, soient dimensionnés pour de telles pressions. 10 De plus, une augmentation de la pression carburant s'accompagne désavantageusement d'une augmentation de la consommation de carburant et d'une augmentation du bruit produit par les injecteurs 7. Aussi, la pression carburant est pilotée au plus juste en fonction du besoin (couple, régime moteur, etc.), avec une pression variant en permanence entre une pression basse de l'ordre de 50 bars et la pression 15 maximale. Ceci nécessite un pilotage asservi de la pression carburant, selon une dynamique importante. Ceci nécessite typiquement un régulateur de pression 15 haut de gamme, pilotable en temps réel. Ce pilotage est typiquement réalisé par le calculateur de contrôle moteur 10 au moyen d'un asservissement. Cet asservissement nécessite, afin de fournir un signal de pression carburant, un capteur de pression carburant 11, typiquement 20 disposé au niveau du rail commun 6. Ceci nécessite encore une interface entre le calculateur de contrôle moteur 10 et ledit capteur de pression carburant 11. La technicité du régulateur de pression 15 pilotable électriquement, ajoutée aux pressions de travail élevées, rendent ce composant très coûteux. Le régulateur de pression 15 pilotable électriquement et la pompe haute pression 16 peuvent être intégrés 25 en un seul composant. Le moteur à explosion à essence à injection directe 1 dans son mode de réalisation selon l'art antérieur ayant été décrit, l'amélioration proposée par l'invention afin de proposer un moteur à explosion à essence à injection directe 21, peut être décrite, en référence à la figure 2. 30 Un moteur à essence et à injection directe 21 selon l'invention comprend avantageusement, dans la ligne d'échappement 23, un filtre à particules 24. Du fait de la présence d'un tel filtre à particules 24, il est possible de dégrader les performances de combustion du moteur 21 conduisant à une augmentation du nombre de particules, puisque une grande majorité des particules sont captées par le filtre à particules 24. Aussi 35 une dégradation causée par une réduction de la pression de carburant dans le rail commun 26 est acceptable en ce qu'elle n'occasionne qu'une augmentation du nombre de particules. 3029574 5 Un moteur à explosion à carburant essence et à injection directe 21 selon l'invention comprend, dans la ligne d'admission de carburant 25, encore dénommé ligne d'injection 25, en amont direct des injecteurs 27 qu'elle alimente, une chambre/rail commun 26 comprenant du carburant sous pression. Chaque injecteur 27, lorsqu'il est 5 commandé/ouvert, prélève du carburant dans ce rail commun 26 pour le délivrer, sous pression dans un cylindre 22. En parallèle, non représenté, de l'air est admis dans le cylindre 22, au moyen d'une soupape. Le mélange air/carburant s'effectue alors directement dans le cylindre 22. Un moteur à essence et à injection directe 21 fonctionne avantageusement 10 avec une pression carburant dans le rail commun 26, nettement réduite comparativement à l'art antérieur, comprise entre 70 à 150 bars. Préférentiellement, cette pression carburant est égale à 100 bars. Pour cela, la ligne d'admission de carburant 25 comprend typiquement un étage basse pression ou de gavage 28 et un étage haute pression 29. 15 L'étage basse pression 28 est sensiblement identique à l'étage basse pression 8. Il comprend une pompe basse pression ou pompe de gavage 33, un réservoir/bâche 32 et un limiteur de pression basse pression 34, assurant les mêmes fonctions que dans l'art antérieur. La pression de travail typique de l'étage basse pression 28 est de l'ordre de 5 bars. 20 L'étage haute pression 29 comprend une pompe haute pression 36 et un limiteur de pression haute pression 37 assurant les mêmes fonctions que dans l'art antérieur. La pompe haute pression 36 est avantageusement entrainée mécaniquement, tel que figuré par un trait double, via un vilebrequin ou un arbre à cames, par le moteur 1. La pression carburant nettement réduite, permet avantageusement un 25 dimensionnement plus faible des composants de la ligne d'admission de carburant 25, et particulièrement les composants 36-38 de l'étage haute pression 29, mais encore le rail commun 26 et les injecteurs 27. De plus, la pression nettement réduite n'occasionne plus les inconvénients de consommation augmentée et de bruit des injecteurs. Il s'ensuit avantageusement que la 30 pression carburant n'a plus besoin d'être pilotée au plus juste en fonction du besoin. Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, la pression de carburant peut être constante. Aussi le régulateur de pression 15, électriquement pilotable, de manière asservie en fonction d'un signal de pression carburant mesuré, haut de gamme, de l'art 35 antérieur, peut, selon l'invention, avantageusement être remplacé par un régulateur de pression 38 mécanique, auto asservi sur une consigne de pression carburant constante, indiquée, par exemple, par un ressort de tarage. 3029574 6 La technicité, nettement réduite d'un tel régulateur de pression 38 mécanique, rend ce composant nettement moins coûteux. Le régulateur de pression 38 mécanique et la pompe haute pression 36 peuvent être intégrés en un seul composant. La régulation de la pression carburant dans le rail commun 26 étant assurée 5 sans nécessiter de pilotage électrique, le calculateur de contrôle moteur 30 peut être simplifié en ce qu'il est allégé de tous les éléments, matériels et/ou logiciels, utilisés dans l'art antérieur pour piloter l'ancien régulateur de pression 15. De même le calculateur de contrôle moteur 30 peut être simplifié en ce qu'il est allégé de tous les éléments, matériels et/ou logiciels, utilisés dans l'art antérieur pour 10 interfacer l'ancien capteur de pression carburant 11. Ceci peut permettre une réduction du coût, tant par suppression de composants, que par une descente en gamme, vers un calculateur moins puissant. Un autre avantage de la nette réduction de la pression carburant apparait au niveau de la commande des injecteurs 27. La pression de carburant à couper étant 15 nettement réduite, la puissance électrique de la commande des injecteurs peut aussi être réduite en conséquence. Ainsi, si, à titre indicatif un injecteur 7 coupant une pression carburant élevée de 250 bars selon l'art antérieur nécessite un courant de commande de 16 A, un injecteur 27 coupant une pression carburant faible de 100 bars selon l'invention ne nécessite qu'un courant de commande de 10 A. Il s'ensuit que l'ensemble 20 de la chaine de commande électrique peut être adaptée à une puissance réduite et ainsi voir son coût réduit. Ainsi, à titre indicatif, un convertisseur électrique continu/continu, dimensionné pour une puissance de 65 W selon l'art antérieur, est, toutes choses étant égales par ailleurs, dimensionné pour une puissance de 40 W selon l'invention. 25 II est encore possible à terme d'envisager une nouvelle conception des injecteurs 37 bénéficiant de cette réduction de pression carburant. L'absence de pilotage électrique et donc de nécessité d'un signal de pression carburant, peut encore permettre une suppression du capteur de pression carburant 11 et de toute sa chaine de traitement/conditionnement, avec les gains de coût qui en résultent. REVENDICATIONS1. Moteur à explosion à essence à injection directe (21), caractérisé en ce que la ligne d'échappement (23) comprend un filtre à particule (24) et en ce que la ligne d'admission de carburant (25) est conçue et dimensionnée pour fonctionner à une pression carburant dans le rail commun comprise entre 70 et 150 bars, préférentiellement égale à 100 bars. 2. Moteur selon la revendication 1, où la pression carburant dans le rail commun d'injection (6) est constante. 3. Moteur selon la revendication 1 ou 2, où la ligne d'admission de carburant (25) comprend un régulateur de pression mécanique (38). 4. Moteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, où les composants de pilotage des injecteurs (27) sont dimensionnés pour un courant de l'ordre de 10 A. 5. Moteur selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, comportant un régulateur de pression mécanique, auto asservi sur une consigne de pression carburant constante.