Brevet FR3122217A1 — publié le 20221028

Méthode pour augmenter le rendement et diminuer les émissions d'un moteur à allumage par compression L’invention porte sur une méthode pour augmenter l'efficacité et diminuer les émissions pour un moteur à allumage par compression comprenant au moins un cylindre, la méthode comprenant les étapes de fournir une première charge de combustible gazeux ayant une faible réactivité audit cylindre par l’intermédiaire d’une injection directe; fournir une deuxième charge de combustible liquide ayant une réactivité élevée audit cylindre par l’intermédiaire d’une injection directe, la méthode comprenant en plus une étape de fournir une troisième charge de combustible liquide ayant une faible réactivité audit cylindre par l’intermédiaire d’une injection indirecte. Figure pour l’abrégé: [Fig. 1] Méthode pour augmenter le rendement et diminuer les émissions d'un moteur à allumage par compression Domaine technique de l'invention Cette invention concerne généralement les moteurs à allumage par compression (du type Diesel), et plus spécifiquement les méthodes d'optimisation de la combustion pour les moteurs à allumage par compression utilisant deux ou plusieurs combustibles ayant des réactivités différentes (c’est-à-dire : différents indices de cétane/octane). Etat de la technique Actuellement, les moteurs à combustion interne utilisés dans les véhicules commerciaux moyens et lourds et les engins de chantier non routiers utilisent principalement le gazole et le gaz naturel comme combustibles en mode de fonctionnement dit de bicarburation. Afin de répondre au renforcement progressif des réglementations en matière d'émissions, les moteurs à combustion interne actuels utilisent principalement la technologie d'injection directe à haute pression dans les cylindres avec du gazole comme combustible unique et/ou la technologie d'injection indirecte en amont de la soupape d’admission avec du gaz naturel comme combustible. Le moteur à combustion interne qui utilise le gazole comme combustible unique utilise une technologie d'injection à rampe commune à haute pression. Son efficacité de combustion est fondamentalement inférieure à 39%, et il émet une certaine quantité de particules et d'oxydes d'azote, ce qui est très polluant pour l'air. Afin de compenser les défauts des moteurs à combustion interne à allumage par compression, un système de post-traitement de plus en plus complexe et coûteux est nécessaire. Avec l'ajustement de la structure énergétique nationale et l'augmentation des exigences en matière d'émissions, le moteur à combustion interne traditionnel avec de l’essence ou du diesel comme combustible unique comme moyen de combustion va progressivement diminuer, alors que le gaz naturel est abondant en Chine et dans le reste du monde, et qu’il sera progressivement utilisé comme combustible alternatif pour le marché du diesel. Actuellement, un petit nombre de moteurs à combustion interne au gaz naturel sont des moteurs à injection d'air, avec allumage par bougie d'allumage. Son efficacité de combustion est inférieure à 36%, et sa proportion de méthane CH 4 non brûlé est directement rejeté, ce qui pollue l'air et rend difficile de respecter les exigences en matière d'émissions qui augmentent progressivement. Une technologie d'injection directe dans le cylindre qui permet d'obtenir une double injection de combustible peut non seulement améliorer l'efficacité de la combustion jusqu'à 42 % et plus, mais aussi réduire les émissions de particules et d'oxydes d'azote. Il s'agit d'un système d'injection plus propre et plus économique pour les moteurs à combustion interne. Cependant, les injecteurs bicarburant existants n'ont pas encore atteint la maturité d'une production à grande échelle. Bien que deux injections de combustible puissent être réalisées, leur structure est encombrante et leur vitesse de réponse est lente, . Les performances etles possibilités de traitement de ces produits présentent de grandes marges d’amélioration. La publication scientifique "Advance combustion methods for simultaneous reduction of emissions and fuel consumption of compression ignition engines", Volume 17, Issue 3, 1 March 2015, Art. No. 811, Pages 615-625, traite le domaine général de la combustion avancée, c'est-à-dire la combustion à basse température (LCT) et l'allumage par compression à réactivité contrôlée (RCCI) dans un moteur à allumage par compression. En particulier, le document souligne que l'allumage par compression à réactivité contrôlée est obtenu en utilisant des combustibles de réactivités différentes. Par exemple, le document mentionné indique que du gaz de pétrole liquéfié (GPL) à faible réactivité a été injecté avec de l'air, et que du diesel à forte réactivité a été injecté dans le cylindre. Le pourcentage de GPL a varié de 0 à 40 % avec un pas de 10 %. Ce document divulgue le principe général du mélange d'une charge de combustible gazeux, du type GPL, à faible réactivité, et d'une charge de combustible liquide, dans ce cas le gazole, à haute réactivité. Toutefois, il convient de noter que le résumé de ce document ne révèle pas, ni ne suggère, l'intégration d'une première charge de combustible liquide à faible réactivité, telle que l'essence ou l'alcool, ni l'ordre et le type d'injection "indirecte ou directe" desdites charges. Le document WO2011130791 divulgue un système d'alimentation à deux types de combustible pour alimenter un système d'injection directe d'un moteur à allumage par compression. Ce système est capable de fournir deux types de combustible : le premier peut être liquide et le deuxième est gazeux (gaz liquéfié). Plus précisément, ce document prévoit d’utiliser le gazole comme une charge liquide et le GPL comme une charge gazeuse. De plus, cette invention propose un système de mélange de combustibles au moyen d’un mélangeur de combustibles pour recevoir le gazole et le GPL. Les deux combustibles sont ensuite introduits dans la chambre de combustion au moyen d’un système d’injection directe. Le système de mélange de combustibles est configuré pour réguler un rapport de quantités entre le gazole et le combustible gazeux liquéfié du mélange de combustible liquide, qui est fourni à la deuxième étape du système d'alimentation en combustible mixte, à une valeur de rapport comprise entre 10% et 50% de gazole et entre 90% et 50% de combustible gazeux liquéfié, les pourcentages étant en masse. La présente invention a pour objet d’éliminer les défauts des solutions existantes de l’état de la technique, c’est-à-dire d’augmenter le rendement et de diminuer les émissions d’un moteur à allumage par compression sans avoir les défauts des systèmes de mélange des combustibles et de post-traitement des systèmes connus. Présentation de l’invention Dans ce contexte, la présente invention propose une solution technique qui envisage des méthodes d’optimisation de la combustion par l’utilisation de multiples combustibles, ayant des réactivités différentes (c’est-à-dire : différents indices de cétane/octane) pour augmenter le rendement et diminuer les émissions d’un moteur à allumage par compression. Selon un premier aspect, l'invention fournit une méthode pour augmenter le rendement et diminuer les émissions d'un moteur à allumage par compression comprenant au moins un cylindre, la méthode comprenant les étapes consistant à : fournir une première charge de combustible gazeux ayant une faible réactivité audit cylindre par injection directe, fournir une deuxième charge de combustible liquide ayant une réactivité élevée audit cylindre par injection directe, caractérisée en ce que la méthode comprend en outre une étape consistant à fournir une troisième charge de combustible liquide ayant une faible réactivité audit cylindre par injection indirecte. Selon un deuxième aspect, la charge de combustible gazeux ayant une faible réactivité comprend du gaz de pétrole liquéfié (GPL), la charge de combustible liquide ayant une réactivité élevée comprend du gazole et la charge de combustible liquide ayant une faible réactivité comprend de l'essence ou des alcools (méthanol, éthanol). Les problèmes actuels des crises énergétiques induites par l'épuisement des réserves de pétrole associées aux conséquences dramatiques du réchauffement climatique induit par l'accumulation dans l'atmosphère des gaz nocifs comme le CO 2 à fort potentiel d'effet de serre ont orienté la recherche et l'industrie de production des combustibles vers l'utilisation des biocarburants. Ces combustibles, comme les biodiesels, ont été généralement adoptés pour remplacer au moins partiellement, dans différentes fractions, le combustible diesel (gazole) classique. La méthode de la présente invention combine a) la technologie de l'allumage réactif par compression contrôlée (RCCI) qui est appliquée dans le fonctionnement des moteurs à allumage par compression afin d'assurer des performances mécaniques élevées, un rendement élevé et de faibles émissions, b) des combustibles à faible teneur en carbone qui sont directement et/ou indirectement injectés dans le cylindre du moteur, c) un mélange air-combustible ayant une homogénéité suffisamment bonne avant l'allumage et d) des biocombustibles liquides hautement réactifs avec une très bonne capacité de stockage des émissions de CO 2, conduisant à des réductions significatives des émissions de CO 2 . L'objet de l'invention consiste en des procédés pour augmenter le rendement et diminuer les émissions d'un moteur à allumage par compression en utilisant une combinaison d’une première charge de combustible gazeux ayant une faible réactivité - de type gaz de pétrole liquéfié (GPL) injecté directement dans le cylindre, une deuxième charge de combustible liquide ayant une réactivité élevée - de type gazole injecté directement dans le cylindre et une troisième charge de combustible liquide ayant une faible réactivité - de type essence ou alcool (méthanol, éthanol) injecté indirectement dans le cylindre. Présentation des figures Maintenant, un mode de réalisation préféré de l'invention sera décrit en relation avec le dessin d'accompagnement dans lequel: La est une vue schématique montrant une coupe longitudinale d’un moteur à allumage par compression, apte à la mise en œuvre de la méthode de la présente invention; Description détaillée L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description suivante d'un mode de réalisation non limitatif de l'invention. Les technologies d'injection, pour gérer et contrôler la formation du mélange air-carburant et la combustion dans les moteurs à allumage par compression, telles que l'allumage par compression à réactivité contrôlée (RCCI), ont montré un potentiel impressionnant pour augmenter l'efficacité des moteurs à allumage par compression jusqu'à 55% - 60% avec les effets correspondants sur la réduction du CO 2 du réservoir à la roue. La représente une coupe longitudinale d’un moteur à allumage par compression, pour mettre en oeuvre la méthode de la présente invention. Une première charge de combustible gazeux ayant une faible réactivité et une deuxième charge de combustible liquide ayant une réactivité élevée sont injectées par injection directe par l’intermédiaire d’un injecteur bicarburant 4 dans la chambre de combustion 1 définie par le cylindre 3 et le piston 2 dans la culasse 7 du moteur. Une troisième charge de combustible liquide ayant une faible réactivité est injecté par injection indirecte dans le collecteur d’admission 6 par l’intermédiaire d’un injecteur 5. La première charge de combustible gazeux ayant une faible réactivité comprend du gaz de pétrole liquéfié (GPL), la deuxième charge de combustible liquide ayant une réactivité élevée comprend du gazole et la troisième charge de combustible liquide ayant une faible réactivité comprend de l'essence ou au moins un type d’ alcool (méthanol, éthanol). Avantageusement, l’injecteur bicarburant 4 est situé dans une position centrale pour une meilleure combustion. Dans un mode de réalisation non représenté, l’injection directe de la première charge de combustible gazeux ayant une faible réactivité et l’injection directe de la deuxième charge de combustible liquide ayant une réactivité élevée est faite en utilisant deux injecteurs distints plutôt qu’un injecteur bicarburant. La méthode RCCI utilise deux agents d'alimentation ayant une réactivité différente, de sorte que la combustion combinée et le dégagement de chaleur à l'intérieur du cylindre du moteur peuvent efficacement assurer le maintien de faibles niveaux de température (LTC - la combustion à basse température est un concept appliqué pour limiter la concentration de NOx). Les deux différents agents réactifs suivent des procédures d'alimentation distinctes pour accéder au cylindre : l'agent à faible réactivité, à basse pression par fumigation ou avec un combustible d’injection indirecte (par exemple essence, alcools) et l'agent a réactivité élevée, sous des valeurs de pression élevées et extrêmement élevées par injection directe (par exemple, gazole, biodiesel). Des études sur l'évaluation du cycle de vie ont souligné que, sur une analyse du puits au réservoir, les biocarburants ont un grand potentiel pour devenir une alternative viable aux combustibles pétroliers, principalement en tant que combustible neutre en CO 2 et renouvelable. Une amélioration de la qualité d'allumage peut être obtenue en augmentant le taux d'alcool, avec un indice d'octane plus élevé dans le combustible mixte. L'utilisation de ces combustibles alternatifs a confirmé d'autres effets remarquables en étant capable de réduire les émissions de CO, THC ou NOx en fonction de la quantité de biocarburant dans le mélange. L'utilisation du gazole comme combustible de base dans un moteur à allumage par compression fonctionnant selon les stratégies du RCCI, avec de petits suppléments de combustible à faible réactivité ayant un indice d'octane élevé comme l'essence, les alcools (comme le méthanol, l'éthanol), le gaz de pétrole liquéfié (GPL), par l’intermédiaire de l'injection indirecte en amont de la soupape d’admission et/ou par l’intermédiaire de l'injection directe dans le cylindre, représente une tentative de réduire les émissions de CO 2 et de polluants réglementés. Le retard d'allumage augmente avec le taux de combustible à faible réactivité, en raison de son faible capacité d'auto-inflammation. L'injection indirecte est unitaire par rapport à l'injection directe qui est divisée en plusieurs parties dans le même cycle moteur. En outre, cette méthode proposée par les déposants de la présente invention permet de réduire les émissions de CO 2 en utilisant des combustibles gazeux à faible réactivité comme le GPL à la place de combustibles liquides à faible réactivité. Il est connu que les combustibles gazeux à faible réactivité mentionnés ont un rapport élevé entre le nombre d'atomes d'hydrogène et de carbone de leur molécule, ce qui entraîne également une réduction des émissions de CO 2 . Cette méthode consiste à injecter le combustible gazeux à faible réactivité à haute pression directement dans le cylindre du moteur (injection directe), par l’intermédiaire d’un double injecteur, sans pertes en termes de remplissage du cylindre avec de l'air ou un mélange air-combustible. Ainsi, le phénomène de remplacement de la charge fraîche (air ou mélange air-combustible dans le cas d'une injection indirecte de combustible liquide à faible réactivité) par le combustible gazeux à faible réactivité est évité, tout comme la diminution du rendement. Le combustible liquide à faible réactivité est injecté indirect en amont de la soupape d’admission, pendant la course d'admission du moteur, suffisamment tôt pour obtenir une homogénéité suffisamment bonne du mélange air-combustible avant l'injection directe du combustible liquide a haute réactivité, afin de réduire les émissions de particules, de monoxyde de carbone (CO) et d'hydrocarbures non brûlés (HC). Cette méthode vise l'utilisation de différents combustibles comme: -les combustibles liquides à faible réactivité comme l’essence, les alcools (le méthanol, l'éthanol); -les combustibles gazeux à faible réactivité (gaz de pétrole liquéfié (GPL)); -les combustibles liquides à haute réactivité comme le gazole. Le scénario d’alimentation en combustible de la méthode de la présente invention est le suivant: -d’abord une injection directe d'un premier combustible gazeux ayant une faible réactivité, une injection directe d'un second combustible liquide ayant une réactivité élevée et une injection indirecte d’un troisième combustible liquide ayant une faible réactivité L'invention est utile dans l'industrie automobile pour réduire les émissions de CO 2 en augmentant l'efficacité et en diminuant les émissions polluantes réglementées d'un moteur à allumage par compression. Méthode pour augmenter l'efficacité et diminuer les émissions pour un moteur à allumage par compression comprenant au moins un cylindre, la méthode comprenant les étapes suivantes: -fournir une première charge de combustible gazeux ayant une faible réactivité audit cylindre par l’intermédiaire d’une injection directe; -fournir une deuxième charge de combustible liquide ayant une réactivité élevée audit cylindre par l’intermédiaire d’une injection directe; caractérisée en ce que la méthode comprend en plus une étape de fournir une troisième charge de combustible liquide ayant une faible réactivité audit cylindre par l’intermédiaire d’une injection indirecte. Méthode selon la revendication 1 dans laquelle -la charge de combustible gazeux ayant une faible réactivité comprend du gaz de pétrole liquéfié (GPL); -la charge de combustible liquide ayant une réactivité élevée comprend du gazole; -la charge de combustible liquide ayant une faible réactivité comprend de l'essence ou de l’alcool (méthanol, éthanol).