EP1279802A1 - Procédé de dispositif de contrôle de la combustion pour un moteur à combustion interne - Google Patents

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EP1279802A1
EP1279802A1 EP02291797A EP02291797A EP1279802A1 EP 1279802 A1 EP1279802 A1 EP 1279802A1 EP 02291797 A EP02291797 A EP 02291797A EP 02291797 A EP02291797 A EP 02291797A EP 1279802 A1 EP1279802 A1 EP 1279802A1
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fuel
combustion
mixture
phase
slow oxidation
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IFP Energies Nouvelles IFPEN
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Definitions

  • the present invention relates to a method and a device for controlling combustion for an internal combustion engine.
  • EGR recirculated exhaust gases
  • This combustion is achieved when the homogeneous mixture of fuel, air and possibly recirculated exhaust gases has reached a certain temperature threshold which promotes its combustion by self-ignition (or self-ignition).
  • this type of combustion is characterized by a phase of slow oxidation of the fuel mixture preceding the combustion of this mixture.
  • the present invention proposes to remedy the drawbacks mentioned above by proposing a method of controlling the combustion which makes it possible to obtain the desired timing of this combustion.
  • a method of controlling the combustion by self-ignition of a homogeneous fuel mixture for an internal combustion engine comprising a combustion chamber inside which is carried out a phase of slow oxidation of said mixture beforehand. of the combustion of this mixture, is characterized in that a specific quantity of fuel is introduced into the combustion chamber during the slow oxidation phase of the fuel mixture to lengthen the duration of this phase.
  • the determined quantity of fuel can be introduced during at least one fuel injection.
  • a quantity of fuel less than or equal to 10 mm 3 can be introduced.
  • This quantity of fuel introduced can be between 1 and 8 mm 3 .
  • a fuel mixture comprising fuel, air and recirculated exhaust gases can be produced in the combustion chamber.
  • a fuel mixture can be produced with a maximum rate of recirculated exhaust gases of the order of 0.7.
  • the fuel introduced can be of the petrol or diesel type.
  • the invention also relates to a device for controlling the combustion by self-ignition of a homogeneous fuel mixture for an internal combustion engine comprising a combustion chamber inside which is carried out a phase of slow oxidation of said mixture preceding combustion of the fuel mixture, characterized in that it comprises means for controlling the injection of a determined quantity of fuel during the slow oxidation phase of this mixture.
  • the control means can be the engine computer controlling the fuel injectors.
  • curves A and B show the evolution of the pressure P (in bars) in a combustion chamber of an internal combustion engine of diesel type, as a function of the angle of the crankshaft V (in degrees)
  • curves A ′ and B ′ the evolution of the release of energy E inside this chamber as a function of the crankshaft angle and this respectively without and with the method according to the invention.
  • the combustion chamber is generally delimited by the upper face of a piston, the wall of a cylinder inside which this piston slides, in a linear reciprocating movement, and the internal face of a cylinder head closing the cylinder.
  • curve A shows the evolution of the pressure prevailing in the combustion chamber with a fuel mixture with a richness of the order of 0.96 and comprising diesel fuel, air and a recirculated exhaust rate corresponding to approximately 70% of the total mixture.
  • the fuel is introduced into the combustion chamber by a first injection then, around 320 ° of crankshaft angle, by a second injection to obtain, at approximately 360 °, which corresponds to the high compression dead center (TDC), the almost homogeneous mixture between fuel, air and recirculated gases.
  • TDC high compression dead center
  • the pressure in the combustion chamber will increase substantially linearly to reach a maximum in the vicinity of the top dead center.
  • the applicant has planned to introduce into the combustion chamber, during the slow oxidation phase of the fuel mixture and at a determined time in this phase, a determined quantity of fuel .
  • This fuel is introduced either by a single injection or by a multitude of injections.
  • This late introduction of fuel thus makes it possible to absorb part of the energy released into the combustion chamber by the fuel mixture in the slow oxidation phase, this absorbed energy being used for vaporization of the fuel injected late.
  • This absorbed energy is then reconstituted during the continuation of the process of slow oxidation of the fuel mixture by causing an extension of the duration of this slow oxidation and this, until reaching the necessary characteristics (temperature in particular) to start the combustion of the mixture carbide. Thanks to this, the start of the combustion of the fuel mixture will be offset by the lengthening of the duration of the slow oxidation.
  • the fuel mixture of curves A and A ′ contains around 70% of recirculated exhaust gases and has a richness of the order of 0.96. After combustion of this mixture, the emissions of carbon oxides (CO) were of the order of 40g / kWh.
  • the slow oxidation phase of the fuel mixture begins earlier (around 335 ° of crankshaft angle) and the start of combustion generally occurs after an angular displacement of the crankshaft of about 15 °, which brings the start of combustion in the chamber to around 350 °.
  • the maximum peak of energy release is obtained when the piston has not reached its top dead center position, which causes a disturbance of the engine, in particular in terms of efficiency.
  • the start of the slow oxidation of the fuel mixture also takes place early (point O2) around 335 ° of crankshaft angle but, thanks at the introduction of a determined quantity of fuel into the combustion chamber, the duration of the slow oxidation period is lengthened (indicated OL2 in the figure) to end at point C of the start of combustion of the fuel mixture identical to that of curve A '.
  • this amount of fuel introduced late is less than or equal to 50% of the total amount of fuel introduced and preferably is between 10 to 40% of this total amount.
  • the total quantity as mentioned includes or the fuel injection carried out beforehand in the slow oxidation phase to obtain the homogeneous fuel mixture and the or the injection made during the slow oxidation phase.
  • the quantity of fuel introduced (in two injections) during the slow oxidation phase is 3 mm 3 or approximately 37%.
  • the applicant injected the fuel during the slow oxidation phase at a crankshaft angle corresponding to approximately -15 ° relative to the top dead center.
  • the quantity of fuel injected has the consequence of absorbing a quantity of energy (shown by an arrow D in the figure) generated by the slow oxidation of the fuel mixture and then the energy absorbed is reconstituted during the continuation of this phase until the fuel mixture has obtained all the characteristics so that its combustion takes place at point C.
  • the same pressure and energy release characteristics can be obtained with the same crankshaft angles as a mixture with a high rate of recirculated gases and that with a fuel mixture containing a lower rate of gas. exhaust recirculated and with a lower richness of the mixture.
  • carbon monoxide (CO) emissions have been greatly reduced with an emission of around 29g / kWh.
  • the present invention can be applied to fuel mixtures with a fuel of gasoline or diesel type.
  • this process applies for low or medium engine loads and, for heavy loads, conventional combustion processes will be used.
  • the invention as described above will be applied to an internal combustion engine which will include the control means necessary to contain the parameters of the late injection (time of the late fuel injection, quantity of fuel, number of injections, ...) and order the associated fuel injectors that this engine usually contains.
  • the engine computer which most internal combustion engines include will contain the parameters and control the fuel injectors accordingly.

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Abstract

La présente invention concerne un procédé de contrôle de la combustion par auto-inflammation d'un mélange carburé homogène pour un moteur à combustion interne comportant une chambre de combustion à l'intérieur de laquelle se réalise une phase d'oxydation lente dudit mélange au préalable de la combustion de ce mélange. Selon l'invention, on introduit, dans la chambre de combustion, une quantité déterminée de carburant pendant la phase d'oxydation lente de ce mélange pour allonger la durée de cette phase. <IMAGE>

Description

  • La présente invention se rapporte à un procédé et un dispositif de contrôle de la combustion pour un moteur à combustion interne.
  • Elle porte plus particulièrement sur la combustion d'un mélange homogène du carburant avec l'air admis ou avec un mélange d'air et de gaz d'échappement recirculés (EGR).
  • La réduction des émissions de polluants générées par les moteurs à combustion interne associée à une réduction de la consommation est un souci constant des développeurs de moteurs à combustion interne.
  • Dans de nouvelles générations de moteurs, il est prévu, pour les faibles et moyennes charges, de remplacer la combustion du mélange carburé, enflammé conventionnellement soit par compression soit par une bougie, par une combustion de type allumage par compression d'une charge homogène.
  • Ceci est connu notamment pour les moteurs Diesel sous le vocable anglais de « Homogeneous Charge Compression Ignition » (en abrégé H.C.C.I) et pour les moteurs à essence pour un mode de combustion baptisé Contrôle de l'Auto Inflammation (en anglais « Controlled Auto Ignition » C.A.I).
  • Cette combustion est atteinte lorsque le mélange homogène de carburant, d'air et éventuellement de gaz d'échappement recirculés a atteint un certain seuil de température qui favorise sa combustion par auto-inflammation (ou auto-allumage).
  • Généralement, ce type de combustion se caractérise par une phase d'oxydation lente du mélange carburé précédant la combustion de ce mélange.
  • Grâce à ce genre de combustion, il est possible de réduire fortement les émissions d'oxydes d'azote (NOx) et de particules émises par le moteur.
  • Cependant, cette combustion présente un certain nombre d'inconvénients non négligeables.
  • En effet, il est nécessaire d'obtenir un bon calage de la combustion, c'est à dire de déterminer l'instant exact où le mélange carburé va s'auto-enflammer, de manière à ce que cette combustion se fasse notamment lorsque la position du piston a atteint sa position adéquate à l'instant où le mélange carburé a toutes les caractéristiques physico-chimiques requises pour s'auto-enflammer.
  • Pour ce faire, il existe de nombreux moyens, tel que l'admission de vapeur d'eau ou l'utilisation de gaz d'échappement recirculés dans la chambre de combustion.
       Le moyen le plus souvent utilisé pour obtenir le calage souhaité consiste à admettre ou à retenir dans la chambre de combustion des gaz d'échappement issus du moteur, dénommés gaz d'échappement recirculés, avec un fort taux pour caler la combustion à l'instant souhaité.
       Ces gaz d'échappement recirculés permettent de « calmer » la combustion, car ils réduisent la teneur en oxygène (O2) du mélange carburé.
  • Cependant, ces taux élevés de gaz d'échappement recirculés entraînent des richesses élevées des mélanges carburés, richesses qui s'approchent de la stoechiométrie, ce qui réduit d'autant plus la plage de fonctionnement du moteur. En effet, au-delà d'une richesse supérieure à 0,96 le mélange carburé ne contient plus suffisamment d'oxygène pour brûler correctement.
       De plus, à cause de ces richesses élevées, les émissions de polluants tels que l'oxyde de carbone (CO), les hydrocarbures imbrûlés (HC) et les fumées sont de hautes amplitudes.
  • La présente invention se propose de remédier aux inconvénients mentionnés ci-dessus en proposant un procédé de contrôle de la combustion qui permet d'obtenir le calage souhaité de cette combustion.
  • A cet effet, un procédé de contrôle de la combustion par auto-inflammation d'un mélange carburé homogène pour un moteur à combustion interne comportant une chambre de combustion à l'intérieur de laquelle se réalise une phase d'oxydation lente dudit mélange au préalable de la combustion de ce mélange, est caractérisé en ce qu'on introduit, dans la chambre de combustion, une quantité déterminée de carburant pendant la phase d'oxydation lente du mélange carburé pour allonger la durée de cette phase.
  • De manière avantageuse, on peut introduire la quantité déterminée de carburant lors d'au moins une injection de carburant.
  • Préférentiellement, on peut introduire une quantité du carburant inférieure ou égale à 10 mm3.
  • Cette quantité de carburant introduite peut être comprise entre 1 et 8 mm3.
  • De manière préférentielle, on peut réaliser dans la chambre de combustion un mélange carburé comprenant du carburant, de l'air et des gaz d'échappement recirculés.
  • On peut réaliser un mélange carburé avec un taux maximum de gaz d'échappement recirculés de l'ordre de 0,7.
  • Le carburant introduit peut être du type essence ou de type diesel.
  • L'invention concerne également un dispositif de contrôle de la combustion par auto-inflammation d'un mélange carburé homogène pour un moteur à combustion interne comportant une chambre de combustion à l'intérieur de laquelle se réalise une phase d'oxydation lente dudit mélange précédant la combustion du mélange carburé, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de commande d'injection d'une quantité déterminée de carburant pendant la phase d'oxydation lente de ce mélange.
  • Les moyens de commande peuvent être le calculateur moteur contrôlant les injecteurs de carburant.
  • Les autres caractéristiques et avantages de l'invention vont ressortir à la lecture de la description qui va suivre et à laquelle est annexée la figure unique qui montre les courbes de pression et de dégagement d'énergie présents dans la chambre de combustion en fonction de l'angle du vilebrequin.
  • Sur cette figure, les courbes A et B montrent l'évolution de la pression P (en bars) dans une chambre de combustion d'un moteur à combustion interne de type diesel, en fonction de l'angle du vilebrequin V (en degré), et les courbes A' et B' l'évolution du dégagement d'énergie E à l'intérieur de cette chambre en fonction de l'angle de vilebrequin et cela respectivement sans et avec le procédé selon l'invention.
  • La chambre de combustion est généralement délimitée par la face supérieure d'un piston, la paroi d'un cylindre à l'intérieur duquel coulisse ce piston, dans un mouvement linéaire alternatif, et la face interne d'une culasse venant fermer le cylindre.
  • Pour des raisons de simplification, il est fait mention dans la description de l'angle du vilebrequin mais il est clair que cet angle correspond à une position précise du piston qui se déplace dans le cylindre sous l'effet d'un système bielle-manivelle que commande le vilebrequin.
  • Comme visible sur la figure unique, la courbe A (en pointillé) montre l'évolution de la pression régnant dans la chambre de combustion avec un mélange carburé avec une richesse de l'ordre de 0,96 et comprenant du carburant diesel, de l'air et un taux de gaz d'échappement recirculés correspondant à environ 70% du mélange total.
       Aux environs de 260° d'angle du vilebrequin, le carburant est introduit dans la chambre de combustion par une première injection puis, aux environs de 320° d'angle du vilebrequin, par une deuxième injection pour obtenir, à environ 360°, qui correspond au point mort haut compression (PMH), le mélange quasi homogène entre le carburant, l'air et les gaz recirculés. Conjointement, la pression dans la chambre de combustion va croître de manière sensiblement linéaire pour atteindre un maximum au voisinage du point mort haut. A partir de cette position, cette pression va décroître pour atteindre sensiblement la pression atmosphérique aux environs de 420° d'angle de vilebrequin.
       Simultanément et en se rapportant à la courbe A' (en pointillé), le dégagement d'énergie dans cette chambre de combustion va être sensiblement nul à la fin de la deuxième injection (aux environ de 320° d'angle de vilebrequin) jusqu'aux alentours de 340° d'angle de vilebrequin. Puis, à partir de ce point, le mélange carburé homogène, sous l'effet notamment de la compression, subit une phase d'oxydation lente qui débute au point O1 et perdure pendant une certaine durée (indiquée OL1 sur la figure) tout en précédant le début de la combustion de ce mélange carburé (signalé par la flèche C sur la figure). Cette combustion entraîne un fort dégagement d'énergie jusqu'aux environs de 360° d'angle de vilebrequin (PMH), puis l'énergie emmagasinée dans la chambre de combustion va décroître jusqu'à atteindre une valeur quasi nulle aux environs de 400° d'angle de vilebrequin.
  • Il est clair que si l'on souhaite décaler le moment C où va débuter la combustion du mélange carburé de manière à améliorer le rendement du moteur, la solution la plus utilisée consiste à augmenter le taux de gaz d'échappement recirculés présent dans la chambre de combustion et de ce fait les émissions de polluants tels que les oxydes de carbone vont augmenter rapidement.
  • Pour obtenir un calage souhaité tout en diminuant les émissions de polluants, le demandeur a prévu d'introduire dans la chambre de combustion, pendant la phase d'oxydation lente du mélange carburé et à un moment déterminé de cette phase, une quantité déterminée de carburant.
  • Cette introduction de carburant se fera soit par une seule injection soit par une multitude d'injections.
  • Cette introduction tardive de carburant permet ainsi d'absorber une partie de l'énergie dégagée dans la chambre de combustion par le mélange carburé en phase d'oxydation lente, cette énergie absorbée étant utilisée pour la vaporisation du carburant injecté tardivement.
       Cette énergie absorbée est ensuite reconstituée lors de la poursuite du processus d'oxydation lente du mélange carburé en entraînant un allongement de la durée de cette oxydation lente et ce, jusqu'à atteindre les caractéristiques nécessaires (température notamment) pour entamer la combustion du mélange carburé.
       Grâce à cela, le début de la combustion du mélange carburé sera décalé par l'allongement de la durée de l'oxydation lente.
  • A titre d'exemple, le demandeur a procédé à des essais avec un procédé de combustion de mélange carburé connu (courbes A et A' en trait pointillé) et avec le procédé selon l'invention (courbes B et B' en trait plein sur la figure).
  • Comme déjà mentionné, le mélange carburé des courbes A et A' contient environ 70% de gaz d'échappement recirculés et a une richesse de l'ordre de 0,96. Après combustion de ce mélange, les émissions d'oxydes de carbone (CO) ont été de l'ordre de 40g/kWh.
  • Durant ces essais, il a été prévu de diminuer de manière non négligeable le taux de gaz d'échappement recirculés (taux au voisinage de 60%) du mélange carburé et cela a entraîné comme avantage de diminuer de manière conséquente la richesse de ce mélange (de l'ordre de 0,91) ce qui, grâce au procédé du demandeur, a donné comme résultats les courbes B et B'.
  • Normalement, de par la diminution du taux de gaz recirculés et conséquemment de par la présence en plus grande quantité d'oxygène, la phase d'oxydation lente du mélange carburé débute plus tôt (aux alentours de 335° d'angle de vilebrequin) et le début de la combustion se produit généralement après un débattement angulaire du vilebrequin d'environ 15°, ce qui amène le début de la combustion dans la chambre aux alentours de 350°. Durant le processus de combustion, le pic maximum de dégagement d'énergie est obtenu alors que le piston n'a pas atteint sa position de point mort haut, ce qui entraîne une perturbation du moteur, notamment au niveau du rendement.
  • Selon le procédé utilisé par le demandeur et en se référant à la courbe B', le début de l'oxydation lente du mélange carburé se fait également de manière précoce (point O2) aux alentours de 335° d'angle de vilebrequin mais, grâce à une introduction de quantité déterminée de carburant dans la chambre de combustion, la durée de la période d'oxydation lente est allongée (indiquée OL2 sur la figure) pour se terminer au point C du début de la combustion du mélange carburé identique à celui de la courbe A'.
  • De manière générale, cette quantité de carburant introduite tardivement est inférieure ou égale à 50% de la quantité totale de carburant introduite et préférentiellement est comprise entre 10 à 40% de cette quantité totale.
       La quantité totale telle que mentionnée comprend les ou l'injection de carburant effectuée au préalable de la phase d'oxydation lente pour obtenir le mélange carburé homogène et les ou l'injection faite pendant la phase d'oxydation lente.
  • Plus précisément, il est prévu d'introduire une quantité de carburant inférieure ou égale à 10 mm3 et de préférence comprise entre 1 et 8 mm3.
  • A titre d'exemple, lors d'essais effectués par le demandeur, sur une quantité totale de carbure injecte de 8,6 mm3, la quantité de carburant introduite (en deux injections) pendant la phase d'oxydation lente est de 3 mm3 soit environ 37%.
       Pour ces essais, le demandeur a injecté le carburant pendant la phase d'oxydation lente à un angle de vilebrequin correspondant à environ -15° par rapport au point mort haut.
  • Comme visible sur la courbe B' de la figure, la quantité de carburant injecté a pour conséquence d'absorber une quantité d'énergie (montrée par une flèche D sur la figure) générée par l'oxydation lente du mélange carburé puis l'énergie absorbée est reconstituée pendant la poursuite de cette phase jusqu'à ce que le mélange carburé ait obtenu toutes les caractéristiques pour que sa combustion se fasse au point C.
  • A partir de ce point, le dégagement d'énergie est quasiment identique à celui du mélange carburé décrit en relation avec la courbe A'.
  • De plus, comme visible sur la figure et en se rapportant à la courbe B, cette dernière suit sensiblement l'évolution de la courbe A et permet ainsi d'obtenir les mêmes caractéristiques de pression régnant dans la chambre de combustion.
  • Ainsi grâce à l'invention, on peut obtenir les même caractéristiques de pression et de dégagement d'énergie avec les mêmes angles de vilebrequin qu'un mélange avec un fort taux de gaz recirculés et cela avec un mélange carburé contenant un taux moindre de gaz d'échappement recirculés et avec une richesse du mélange plus faible.
       De plus, grâce au procédé du demandeur, les émissions d'oxyde de carbone (CO) ont été fortement diminuées avec une émission de l'ordre de 29g/kWh.
  • Bien entendu, la présente invention peut s'appliquer à des mélanges carburés avec un carburant de type essence ou diesel.
  • Ainsi, pour un mélange d'essence, d'air et de gaz recirculés, le début de la combustion par auto-inflammation est précédé, comme dans les exemples décrits ci-dessus, par une phase d'oxydation lente de ce mélange.
  • De ce fait, on peut introduire une quantité déterminée d'essence (en une ou plusieurs injections) pour rallonger cette phase d'oxydation lente et caler ainsi le début de la combustion à l'instant souhaité.
  • Préférentiellement, ce procédé s'applique pour des faibles ou moyennes charges du moteur et, pour les fortes charges, il sera utilisé les procédés de combustion classiques.
  • L'invention telle que décrite ci-dessus sera appliquée à un moteur à combustion interne qui comportera les moyens de commande nécessaires pour contenir les paramètres de l'injection tardive (moment de l'injection tardive du carburant, quantité de carburant, nombre d'injections, ...) et commander en conséquence les injecteurs de carburants associés que comporte habituellement ce moteur.
  • Avantageusement, il sera utilisé le calculateur moteur que comporte la plupart des moteurs à combustion interne pour contenir ces paramètres et commander les injecteurs de carburant en conséquence.

Claims (10)

  1. Procédé de contrôle de la combustion par auto-inflammation d'un mélange carburé homogène pour un moteur à combustion interne comportant une chambre de combustion à l'intérieur de laquelle se réalise une phase d'oxydation lente dudit mélange au préalable de la combustion de ce mélange, caractérisé en ce qu'on introduit, dans la chambre de combustion, une quantité déterminée de carburant pendant la phase d'oxydation lente du mélange carburé pour allonger la durée de cette phase.
  2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on introduit la quantité déterminée de carburant lors d'au moins une injection de carburant.
  3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'on introduit une quantité du carburant inférieure ou égale à 10 mm3.
  4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'on introduit une quantité de carburant comprise entre 1 et 8 mm3.
  5. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on réalise dans la chambre de combustion un mélange carburé comprenant du carburant, de l'air et des gaz d'échappement recirculés.
  6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'on réalise un mélange carburé avec un taux maximum de gaz d'échappement recirculés de l'ordre de 0,7.
  7. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on introduit du carburant de type essence.
  8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'on introduit du carburant de type diesel.
  9. Dispositif de contrôle de la combustion par auto-inflammation d'un mélange carburé homogène pour un moteur à combustion interne comportant une chambre de combustion à l'intérieur de laquelle se réalise une phase d'oxydation lente dudit mélange précédant la combustion du mélange carburé, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de commande d'injection d'une quantité déterminée de carburant pendant la phase d'oxydation lente de ce mélange.
  10. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé les moyens de commande sont le calculateur moteur contrôlant les injecteurs de carburant.
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