EP1279802B1 - Procédé de contrôle de la combustion pour un moteur à combustion interne - Google Patents

Procédé de contrôle de la combustion pour un moteur à combustion interne Download PDF

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EP1279802B1
EP1279802B1 EP02291797A EP02291797A EP1279802B1 EP 1279802 B1 EP1279802 B1 EP 1279802B1 EP 02291797 A EP02291797 A EP 02291797A EP 02291797 A EP02291797 A EP 02291797A EP 1279802 B1 EP1279802 B1 EP 1279802B1
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fuel
combustion
mixture
slow oxidation
recirculated exhaust
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Bruno Walter
Bertrand Gatellier
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IFP Energies Nouvelles IFPEN
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Definitions

  • the present invention relates to a method and a combustion control device for an internal combustion engine.
  • It relates more particularly to the combustion of a homogeneous mixture of the fuel with the admitted air or with a mixture of air and recirculated exhaust gas (EGR).
  • EGR recirculated exhaust gas
  • HCCI Homogeneous Charge Compression Ignition
  • Controlled Auto Ignition Controlled Auto Ignition
  • This combustion is achieved when the homogeneous mixture of fuel, air and possibly recirculated exhaust gas has reached a certain temperature threshold which promotes its combustion by auto-ignition (or auto-ignition).
  • this type of combustion is characterized by a slow oxidation phase of the fuel mixture preceding the combustion of this mixture.
  • He is also known, by the document GB-A-2,277,776 , a method for controlling the combustion of an internal combustion engine by means of which a fuel injection is performed during the compression phase for increasing the temperature inside the cylinder and then introducing another quantity of fuel near the high compression dead point to achieve combustion of the fuel mixture.
  • This method also has the disadvantage of not being able to control the setting of the combustion and to be totally dependent on the quality of the first injection which will determine the temperature inside the cylinder.
  • the present invention proposes to overcome the drawbacks mentioned above by proposing a combustion control method which makes it possible to obtain the desired setting of this combustion.
  • a method for controlling the combustion by self-ignition of a homogeneous fuel mixture for an internal combustion engine comprising a combustion chamber inside which a slow oxidation phase of said mixture is carried out beforehand of the combustion of this mixture, is characterized in that a fuel mixture is produced comprising fuel, air and recirculated exhaust gas with a maximum rate of recirculated exhaust gas of the order of 0, 7 and in that is introduced into the combustion chamber, a predetermined amount of fuel during the slow oxidation phase of the fuel mixture to absorb a portion of the energy released into the combustion chamber by the fuel mixture in phase slow oxidation and extend the duration of this phase.
  • a fuel quantity of less than or equal to 10 mm 3 can be introduced.
  • This quantity of fuel introduced may be between 1 and 8 mm 3 .
  • the introduced fuel may be of the gasoline or diesel type.
  • the curves A and B show the evolution of the pressure P (in bars) in a combustion chamber of a diesel-type internal combustion engine, as a function of the angle of the crankshaft V (in degree) , and the curves A 'and B' the evolution of the energy release E inside this chamber as a function of the crank angle and that respectively without and with the method according to the invention.
  • the combustion chamber is generally defined by the upper face of a piston, the wall of a cylinder within which this piston slides in a reciprocating linear movement, and the inner face of a cylinder head to close the cylinder.
  • the 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 about 70% of the total mixture.
  • the fuel is introduced into the combustion chamber by a first injection then, around 320 ° crank angle, by a second injection to obtain, at about 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 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 given moment of this phase, a predetermined amount of fuel .
  • This introduction of fuel will be done either by a single injection or by a multitude of injections.
  • This late introduction of fuel thus makes it possible to absorb a portion of the energy released in the combustion chamber by the fuel mixture in the slow oxidation phase, this absorbed energy being used for the vaporization of the fuel injected late.
  • This absorbed energy is then reconstituted during the continuation of the slow oxidation process of the fuel mixture, resulting in an extension of the duration of this slow oxidation, until the necessary characteristics (in particular temperature) are reached to start the combustion of the mixture. carbide. Thanks to this, the beginning 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 about 70% of recirculated exhaust gas 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 starts earlier (around 335 ° crank angle) and the beginning of the combustion usually occurs after an angular displacement of the crankshaft of about 15 °, which brings about the beginning of the combustion in the chamber around 350 °.
  • the maximum peak of energy release is obtained while the piston has not reached its top dead position, which causes a disturbance of the engine, particularly in terms of efficiency.
  • the beginning of the slow oxidation of the fuel mixture is also early (O2 point) around 335 ° crank angle but, thanks to an introduction of a predetermined 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 beginning of the combustion of the fuel mixture identical to that of the curve A '.
  • this amount of fuel introduced late is less than or equal to 50% of the total quantity of fuel introduced and preferably is between 10 to 40% of this total amount.
  • the total amount as mentioned includes the or fuel injection performed prior to the slow oxidation phase to obtain the homogeneous fuel mixture and the or injection made during the slow oxidation phase.
  • the amount of fuel introduced (in two injections) during the slow oxidation phase is 3 mm. 3 about 37%.
  • the applicant injected the fuel during the slow oxidation phase at a crankshaft angle corresponding to about -15 ° relative to the top dead center.
  • the amount 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 is done at point C.
  • the latter substantially follows the evolution of the curve A and thus provides the same pressure characteristics prevailing in the combustion chamber.
  • the present invention can be applied to fuel mixtures with a gasoline or diesel type fuel.
  • this method applies for low or medium engine loads and, for high loads, it will be used conventional combustion processes.
  • 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 injection of the fuel, quantity of fuel, number of injections, etc.) and consequently control the associated fuel injectors that this engine usually comprises.
  • the engine computer that includes most internal combustion engines to contain these parameters and control the fuel injectors accordingly.

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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.
  • Il est également connu, par le document GB-A-2 277 776 , un procédé de contrôle de la combustion d'un moteur à combustion interne grâce auquel une injection de carburant est réalisée pendant la phase de compression pour augmenter la température à l'intérieur du cylindre puis à introduire une autre quantité de carburant au voisinage du point mort haut compression pour réaliser la combustion du mélange carburé.
    Ce procédé comporte également l'inconvénient de ne pas pouvoir contrôler le calage de la combustion et d'être totalement tributaire de la qualité de la première injection qui va déterminer la température à l'intérieur du cylindre.
  • 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 réalise un mélange carburé comprenant du carburant, de l'air et des gaz d'échappement recirculés avec un taux maximum de gaz d'échappement recirculés de l'ordre de 0,7 et 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 absorber une partie de l'énergie dégagée dans la chambre de combustion par le mélange carburé en phase d'oxydation lente et 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.
  • Le carburant introduit peut être du type essence ou de type diesel.
  • 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 (6)

  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 réalise un mélange carburé comprenant du carburant, de l'air et des gaz d'échappement recirculés avec un taux maximum de gaz d'échappement recirculés de l'ordre de 0,7 et 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 absorber une partie de l'énergie dégagée dans la chambre de combustion par le mélange carburé en phase d'oxydation lente et 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 introduit du carburant de type essence.
  6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'on introduit du carburant de type diesel.
EP02291797A 2001-07-27 2002-07-17 Procédé de contrôle de la combustion pour un moteur à combustion interne Expired - Lifetime EP1279802B1 (fr)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FR0110148A FR2827910B1 (fr) 2001-07-27 2001-07-27 Procede et dispositif de controle de la combustion pour un moteur a combustion interne
FR0110148 2001-07-27
US10/200,505 US6701886B2 (en) 2001-07-27 2002-07-23 Combustion control method and device for an internal-combustion engine

Publications (2)

Publication Number Publication Date
EP1279802A1 EP1279802A1 (fr) 2003-01-29
EP1279802B1 true EP1279802B1 (fr) 2008-03-19

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