EP1611327A1 - Moteur a combustion interne a essence et a auto-allumage - Google Patents

Moteur a combustion interne a essence et a auto-allumage

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EP1611327A1
EP1611327A1 EP04721915A EP04721915A EP1611327A1 EP 1611327 A1 EP1611327 A1 EP 1611327A1 EP 04721915 A EP04721915 A EP 04721915A EP 04721915 A EP04721915 A EP 04721915A EP 1611327 A1 EP1611327 A1 EP 1611327A1
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EP
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cylinder
combustion
combustion chamber
engine
engine according
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Withdrawn
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EP04721915A
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German (de)
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Inventor
Thierry Duverger
Elodie Deharte
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PSA Automobiles SA
Original Assignee
Peugeot Citroen Automobiles SA
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Publication date
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    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
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    • F02B23/08—Other engines characterised by special shape or construction of combustion chambers to improve operation with positive ignition
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    • F02B47/04—Methods of operating engines involving adding non-fuel substances or anti-knock agents to combustion air, fuel, or fuel-air mixtures of engines the substances being other than water or steam only
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    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • IX invention relates more particularly to an internal combustion engine, gasoline and self-ignition comprising at least one cylinder, a cylinder head closing the cylinder, a piston mounted sliding in the cylinder, a combustion chamber defined in the cylinder between an upper face of the piston and a lower face of the cylinder head, a means of injecting petrol into the combustion chamber, intake and exhaust valves selectively closing the combustion chamber, an injection pump intended to supply the pressurized petrol injector.
  • An object of the present invention is to overcome all or part of the drawbacks of the prior art noted above.
  • the internal combustion, petrol and self-ignition engine according to the invention is essentially characterized in that the pressure of the fuel supplied to the injector exceeds 250 bars.
  • the invention may include one or more of the following characteristics:
  • the engine comprises means for supercharging the intake air intended to supply the combustion chamber,
  • the quantity of petrol delivered by the pump by means of injection for a combustion cycle is fractionated in the form of a plurality of partial and distinct injections
  • the engine uses a residual gas rate greater than 20%, and preferably greater than 50% (in particular at low load), the engine uses a variable compression rate,
  • the engine is of direct injection of the type in particular with direct jet or pseudo-direct jet or deflected jet, the engine has a variable distribution system to ensure internal recirculation of the exhaust gases.
  • the internal combustion engine with direct petrol injection and self-ignition comprises at least one cylinder 1, a cylinder head 2 closing off the cylinder 1, a piston 3 slidably mounted in the cylinder 1 and connected to a crankshaft (not shown).
  • a combustion chamber 4 is defined between an upper face 30 of the piston 3 and a lower face 20 of the cylinder head 2.
  • a petrol injection means 5 such as an injector is placed in the cylinder head 2 so as to open into the combustion chamber 4.
  • the engine comprises an injection pump 8 intended to supply the injector 5 with fuel. under pressure.
  • the engine also comprises intake 7 and exhaust 8 valves, intended to selectively close passages between the combustion chamber 4 and, respectively, an intake duct 9 and an exhaust duct 10.
  • intake 7 and exhaust 8 valves intended to selectively close passages between the combustion chamber 4 and, respectively, an intake duct 9 and an exhaust duct 10.
  • the ignition of the air-fuel mixture is obtained spontaneously in at least one engine operating range thanks to the thermodynamic conditions in the combustion chamber 4.
  • the engine also includes an ignition means 6 such as a spark plug intended to produce an ignition of the air-gasoline mixture in the combustion chamber 4 during the operating ranges known as "very low load” or "very high load” during which spontaneous inflammation is not possible or not desired.
  • the pressure of the gasoline supplied to the injector 5 exceeds 250 bars.
  • the pressure of the gasoline supplied to the injector 5 is between 300 and 2000 bars.
  • the pressure of the gasoline supplied to the injector 5 reaches or exceeds 500 bars.
  • the injection according to the invention ensures rapid atomization of the petrol into fine droplets and gives the injected petrol a large amount of movement.
  • An increase in the speed of penetration of petrol into the chamber is thus obtained thanks to the invention.
  • This more efficient penetration of petrol into the combustion chamber makes it possible to improve and reduce the time taken to homogenize the air-petrol mixture. Pollutant releases such as NOx and particles are thus reduced compared to the prior art.
  • the invention thus allows better control and piloting of the start of combustion of the air-fuel mixture.
  • the Applicant has found that the initiation of combustion is thus closer to the Top Dead Center combustion, which improves the efficiency of the combustion cycle of the engine.
  • this injection is carried out in a time interval between 60 degrees crankshaft before the Top Dead Center of the combustion cycle and 20 degrees after the latter.
  • the quantity of gasoline delivered by the pump 8 to the injector 5 for a combustion cycle is fractionated in the form of a plurality of injections partial and distinct.
  • at least one partial injection is delivered during the air intake phase into the combustion chamber 4, to form an air-gasoline mixture; and at least a partial injection is delivered around the Top Dead Center, that is to say at a time interval between 60 degrees crankshaft before the Combustion Dead Center and 20 degrees crankshaft after the latter, to control the combustion of the mixture .
  • the engine has a variable distribution system to ensure internal recirculation of exhaust gases (IGR).
  • IGR exhaust gases

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Abstract

L'invention concerne un moteur à combustion interne, a essence et à auto-allumage comprenant au moins un cylindre (1), une culasse (2) obturant le cylindre (1), un piston (3) monté coulissant dans le cylindre (1), une chambre de combustion (4) définie dans le cylindre (1) entre une face supérieure (30) du piston (3) et une face inférieure (20) de la culasse (2), un moyen d'injection (5) d'essence dans la chambre de combustion (4), des soupapes d'admission (7) et d'échappement (8) obturant sélectivement la chambre de combustion (4), une pompe (8) d'injection destinée à fournir à l'injecteur (5) de l'essence sous pression, l'inflammation du mélange air-essence étant obtenue spontanément dans au moins une plage de fonctionnement du moteur grâce aux conditions thermodynamiques dans la chambre de combustion (4), caractérisé en ce que la pression de l'essence fournie a l'injecteur (5) dépasse 250 bars.

Description

Moteur à combustion interne à essence et à auto-allumage
L'invention se rapporte à un moteur à combustion interne à essence et à auto-allumage.
IX invention concerne plus particulièrement un moteur à combustion interne, à essence et à auto-allumage comprenant au moins un cylindre, une culasse obturant le cylindre, un piston monté coulissant dans le cylindre, une chambre de combustion définie dans le cylindre entre une face supérieure du piston et une face inférieure de la culasse, un moyen d'injection d'essence dans la chambre de combustion, des soupapes d'admission et d'échappement obturant sélectivement la chambre de combustion, une pompe d'injection destinée à fournir à l'injecteur de l'essence sous pression.
Dans un tel moteur à auto-allumage, l'inflammation du mélange air-essence est obtenue spontanément dans au moins une plage de fonctionnement du moteur grâce aux conditions thermodynamiques dans la chambre de combustion, c'est-à-dire sans apport d'énergie sous la forme d'une étincelle. Pour y parvenir, on peut utiliser notamment un fort taux de gaz résiduels, c'est-à-dire une réutilisation des gaz brûlés issus de la combustion précédente, pour augmenter la température du mélange air- essence . Ainsi, du fait que l'inflammation est fonction des conditions thermodynamiques dans la chambre de combustion (pression, température...), le contrôle de cette combustion et notamment le moment de son déclenchement est difficile à maîtriser précisément.
Ce type de moteur à auto-allumage permet d'obtenir des combustions à très faible niveau d'émissions polluantes, en raison notamment des températures de combustion moins élevées que dans le cas d'une combustion obtenue par allumage commandé via une bougie, grâce à une forte dilution du mélange.
En revanche, en mode injection directe stratifiée (c'est-à-dire en mélange non homogène), le taux d'émission de polluants et notamment de NOx est plus élevé.
Un but de la présente invention est de pallier tout ou partie des inconvénients de l'art antérieur relevés ci-dessus.
A cette fin, le moteur à combustion interne, à essence et à auto-allumage selon l'invention, par ailleurs conforme à la définition générique qu'en donne le préambule ci-dessus, est essentiellement caractérisé en ce que la pression de l'essence fournie à l'injecteur dépasse 250 bars.
Par ailleurs, l'invention peut comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes :
la pression de l'essence fournie à l'injecteur atteint ou dépasse 500 bars,
- l'injection d'essence est réalisée dans un intervalle de temps situé en fin de cycle de compression de la charge par le piston,
- l'injection d'essence est réalisée dans un intervalle de temps compris entre 60 degrés vilebrequin avant le Point Mort Haut du cycle de combustion et 20 degrés vilebrequin après ce Point Mort Haut,
le moteur comporte des moyens de suralimentation de l'air d'admission destiné à alimenter la chambre de combustion,
- au moins dans une plage de fonctionnement du moteur, la quantité d'essence délivrée par la pompe au moyen d'injection pour un cycle de combustion est fractionnée sous la forme d'une pluralité d'injections partielles et distinctes,
- le moteur comporte au moins une injection partielle délivrée pendant la phase d'admission de l'air dans la chambre de combustion ou pendant la première partie de la phase de compression, et au moins une injection partielle délivrée autour du point Mort Haut, c'est-à-dire à un intervalle de temps compris entre 60 degrés vilebrequin avant le Point Mort Combustion et 20 degrés environ après ce Point Mort Haut, le moteur comporte un moyen d'allumage destiné à produire une inflammation du mélange air-essence dans la chambre de combustion lors des plages de fonctionnement dites à très faible charge ou à très forte charge,
- le moteur utilise un taux de gaz résiduels supérieur à 20%, et de préférence supérieur à 50% (notamment à faible charge), le moteur utilise un taux de compression variable,
- le moteur est à injection directe du type notamment à jet direct ou jet pseudo-direct ou jet dévié, le moteur possède un système de distribution variable pour assurer une recirculation interne des gaz d'échappement.
D'autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description ci- après, faite en référence à la figure unique représentant une vue en coupe schématique d'un moteur à combustion interne selon l'invention.
Dans l'exemple de réalisation représenté, le moteur à combustion interne à injection directe essence et à auto-allumage comprend au moins un cylindre 1, une culasse 2 obturant le cylindre 1, un piston 3 monté coulissant dans le cylindre 1 et relié à un vilebrequin (non représenté) . Une chambre de combustion 4 est définie entre une face supérieure 30 du piston 3 et une face inférieure 20 de la culasse 2.
Un moyen d'injection 5 d'essence tel qu'un injecteur est disposé dans la culasse 2 de façon à déboucher dans la chambre de combustion 4. Le moteur comporte une pompe 8 d'injection destinée à fournir à l'injecteur 5 de l'essence sous pression .
Le moteur comprend également des soupapes d'admission 7 et d'échappement 8, destinés à obturer sélectivement des passages entre la chambre de combustion 4 et, respectivement, un conduit d'admission 9 et un conduit d'échappement 10. Classiquement, l'inflammation du mélange air- essence est obtenue spontanément dans au moins une plage de fonctionnement du moteur grâce au conditions thermodynamiques dans la chambre de combustion 4. Le moteur comporte également un moyen 6 d'allumage tel qu'une bougie destinée à produire une inflammation du mélange air-essence dans la chambre de combustion 4 lors des plages de fonctionnement dites à "très faible charge" ou à "très forte charge" pendant lesquelles l'inflammation spontanée n'est pas possible ou pas souhaitée.
Selon l'invention, la pression de l'essence fournie à l'injecteur 5 dépasse 250 bars. Dans un mode de réalisation préféré, la pression de l'essence fournie à l'injecteur 5 est comprise entre 300 et 2000 bars. Par exemple, la pression de l'essence fournie à l'injecteur 5 atteint ou dépasse 500 bars.
L'injection selon l'invention assure une atomisation rapide de l'essence en fines gouttelettes et confère à l'essence injectée une quantité de mouvement importante. Un accroissement de la vitesse de pénétration de l'essence dans la chambre est ainsi obtenu grâce à l'invention. Cette pénétration plus efficace de l'essence dans la chambre de combustion permet d'améliorer et de réduire le délai d'homogénéisation du mélange air-essence. Les rejets polluants tels que les NOx et les particules sont ainsi diminués par rapport à l'art antérieur.
L'injection d'essence peut être réalisée dans un intervalle de temps situé pendant le cycle de compression de la charge par le piston 3, et de préférence en fin de cycle de compression.
L'invention permet ainsi un meilleur contrôle et pilotage du début de la combustion du mélange air-essence. La demanderesse a constaté que le déclenchement de la combustion est ainsi plus proche du Point Mort Haut combustion, ce qui permet d'améliorer le rendement du cycle de combustion du moteur.
Par exemple, cette injection est réalisée dans un intervalle de temps compris entre 60 degrés vilebrequin avant le Point Mort Haut du cycle de combustion et 20 degrés après ce dernier.
Par ailleurs, dans les moteurs à injection directe essence et auto-allumage classiques, l'auto-in lammation du mélange air-essence se produit essentiellement dans les plages de fonctionnement dites à "moyenne charge" ou "faible charge", et notamment aux régimes moteurs compris entre 1000 et 4500 tr./min environ. Le moteur selon l'invention permet un élargissement de la plage de fonctionnement en auto-allumage vers les faibles charges et vers le ralenti (vers les régimes inférieurs à 1000 tr./min.) et vers les fortes charges, notamment aux régimes moteur élevés (régimes supérieurs à 4500 tr . /min) . En effet, aux faibles charges, l'injection à très haute pression selon l'invention permet de diminuer le besoin en gaz résiduels.
De même, dans les charges plus élevées, l'injection à très haute pression selon l'invention permet une homogénéisation suffisante du mélange air-essence pour permettre un auto allumage, même dans le cas d'une injection relativement tardive.' Comme représenté à la figure, l'invention peut s'appliquer avantageusement à un moteur suralimenté, c'est-à-dire comprenant des moyens 11 de suralimentation de l'air d'admission destiné à alimenter la chambre de combustion 4, tels qu'un turbo-compresseur .
Dans une forme de réalisation particulièrement avantageuse, au moins dans une plage de fonctionnement du moteur, la quantité d'essence délivrée par la pompe 8 à l'injecteur 5 pour un cycle de combustion est fractionnée sous la forme d'une pluralité d'injections partielles et distinctes. Par exemple, au moins une injection partielle est délivrée pendant la phase d'admission de l'air dans la chambre de combustion 4, pour former un mélange air- essence; et au moins une injection partielle est délivrée autour du point Mort Haut, c'est-à-dire à un intervalle de temps compris entre 60 degrés vilebrequin avant le Point Mort Combustion et 20 degrés vilebrequin après ce dernier, pour contrôler la combustion du mélange.
De préférence, le moteur possède un système de distribution variable pour assurer une recirculation interne des gaz d'échappement (IGR) .

Claims

REVENDICATIONS
1. Moteur à combustion interne, à essence et auto-allumage comprenant au moins un cylindre (1), une culasse (2) obturant le cylindre (1), un piston (3) monté coulissant dans le cylindre (1), une chambre de combustion (4) définie dans le cylindre (1) entre une face supérieure (30) du piston (3) et une face inférieure (20) de la culasse (2), un moyen d'injection (5) d'essence dans la chambre de combustion (4), des soupapes d'admission (7) et d'échappement (8) obturant sélectivement la chambre de combustion (4), une pompe (8) d'injection destinée à fournir à l'injecteur (5) de l'essence sous pression, l'inflammation du mélange air-essence étant obtenue spontanément dans au moins une plage de fonctionnement du moteur grâce aux conditions thermodynamiques dans la chambre de combustion (4), caractérisé en ce que la pression de l'essence fournie à l'injecteur (5) dépasse 250 bars .
2. Moteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la pression de l'essence fournie à l'injecteur (5) atteint ou dépasse 500 bars.
3. Moteur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'injection d'essence est réalisée dans un intervalle de temps situé en fin de cycle de compression de la charge par le cylindre (3 ) .
4. Moteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'injection d'essence est réalisée dans un intervalle de temps compris entre 60 degrés vilebrequin avant le Point Mort Haut du cycle de combustion et 20 degrés vilebrequin après ce Point Mort Haut.
5. Moteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens (11) de suralimentation de l'air d'admission destiné à alimenter la chambre de combustion (4) .
6. Moteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que, au moins dans une plage de fonctionnement du moteur, la quantité d'essence délivrée par la pompe (8) au moyen d'injection (5) pour un cycle de combustion est fractionnée sous la forme d'une pluralité d'injections partielles et distinctes .
7. Moteur selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comporte au moins une injection partielle délivrée pendant la phase d'admission de l'air dans la chambre de combustion (4) ou pendant la première partie de la compression, et au moins une injection partielle délivrée autour du Point Mort Haut, c'est-à-dire à un intervalle de temps compris entre 60 degrés vilebrequin avant le Point Mort Haut Combustion et 20 degrés après ce Point Mort Haut Combustion.
8. Moteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comporte un moyen (6) d'allumage destiné à produire une inflammation du mélange air-essence dans la chambre de combustion (4) lors des plages de fonctionnement dites à très faible charge ou à très forte charge.
9. Moteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il utilise un taux de gaz résiduels supérieur à 20%, et de préférence supérieur à 50%.
10. Moteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il utilise un taux de compression variable.
11. Moteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est du type à jet direct ou jet pseudodirect ou à jet dévié.
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