EP1859133A1 - Procede de controle de l'injection du carburant pour un moteur a combustion interne et moteur utilisant un tel procede - Google Patents

Procede de controle de l'injection du carburant pour un moteur a combustion interne et moteur utilisant un tel procede

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EP1859133A1
EP1859133A1 EP06709299A EP06709299A EP1859133A1 EP 1859133 A1 EP1859133 A1 EP 1859133A1 EP 06709299 A EP06709299 A EP 06709299A EP 06709299 A EP06709299 A EP 06709299A EP 1859133 A1 EP1859133 A1 EP 1859133A1
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EP
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fuel
piston
injection
cylinder
injector
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP06709299A
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German (de)
English (en)
Inventor
Alain Ranini
Sébastien Potteau
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IFP Energies Nouvelles IFPEN
Original Assignee
IFP Energies Nouvelles IFPEN
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Filing date
Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • Y02T10/40—Engine management systems

Definitions

  • a method of controlling fuel injection for an internal combustion engine and engine using such a method is disclosed.
  • the present invention relates to a fuel injection control method for an internal combustion engine, particularly direct injection, and a motor using such a method.
  • a homogeneous mode for low and medium engine loads, with a fuel injection to obtain a homogeneous mixture of fuel with air or with a mixture of air and recirculated exhaust gas before the start of operation. combustion.
  • the other combustion mode called conventional combustion, consists of an injection of the fuel around the top dead center of the piston and diffusion combustion, this mode being preferably used at high loads.
  • Such a type of engine as better described in French Patent Applications Nos. 2,818,324 and 2,818,325, comprises at least one cylinder, a piston sliding in this cylinder, a combustion chamber delimited on one side by the upper face of the cylinder.
  • piston comprising a stud disposed in the center of a concave bowl and at least one injector for injecting fuel with an angle of
  • CD tablecloth less than or equal to 2Arctg - where CD is the diameter of the cylinder and F la
  • the fuel is conventionally injected into the combustion chamber in a single sequence but burns only after a certain period of time associated with the combustion. interaction of the fuel jets with the piston wall, existing with the type of homogeneous combustion developed by the applicant.
  • the present invention proposes to overcome the drawbacks enumerated above by means of a method which makes it possible to introduce the fuel so as to reduce the self-ignition time of the latter.
  • the present invention relates to a fuel injection control method for an internal combustion engine, especially direct injection, comprising at least one cylinder, a piston sliding in this cylinder and comprising a stud arranged in a bowl. concave, a fuel injector and a combustion chamber, characterized in that, for very high engine loads, a first quantity of fuel is injected for a piston position between 35 and 70 ° before the top dead center. of this piston, followed by the injection of at least a second quantity of fuel, the first quantity of fuel being less than the second and that the fuel is injected into said combustion chamber with an injector having
  • CD a web angle (a-i) less than or equal to lArctg - where CD is the diameter of the
  • IF cylinder and F the distance between the point of origin of the fuel jets from the injector and the position of the piston corresponding to a crankshaft angle of 50 ° with respect to the top dead center (TDC) of the piston.
  • the second amount of fuel can be continued after the top dead center of the piston.
  • the fuel can be injected with a ratio between the first quantity of fuel and the second quantity of 1/10 to 1/20.
  • the invention also relates to an internal combustion engine, in particular direct injection engine comprising at least one cylinder, a piston sliding in this cylinder, a combustion chamber delimited on one side by the upper face of said piston comprising a stud arranged in the center of a concave bowl and a fuel injector, characterized in that it comprises a
  • Injector CD having a lap angle (ai) less than or equal to lArctg - where CD is
  • FIG. 1 shows schematically an internal combustion engine according to the invention
  • FIG. 2 is a graph showing the reduction of combustion noise by using the method according to the invention
  • FIG. 3 is also a graph showing the power levels generated by the engine with and without the process. of the invention.
  • a direct injection diesel internal combustion engine comprises at least one cylinder 10 of diameter CD and a cylinder head 12 carrying air intake means and exhaust gas exhaust means, here respectively at least one intake manifold 14 for a gaseous fluid, such as air or a mixture of air and recirculated flue gas (EGR), at least one exhaust pipe 16 of flue gas, the pipes being controlled by opening or closing, by an intake valve 18 and an exhaust valve 20.
  • a gaseous fluid such as air or a mixture of air and recirculated flue gas (EGR)
  • EGR recirculated flue gas
  • the cylinder head also carries a fuel injector 22 which is preferably disposed coaxially with the axis of the cylinder and comprises in the vicinity of its nose 24 a plurality of orifices through which the fuel is sprayed into the combustion chamber 26, according to jets 28.
  • the combustion chamber is delimited by the upper face of a piston 30, sliding alternately rectilinear in the cylinder 10, the inner face of the cylinder head 12 facing this piston and the circular wall of the cylinder 10 between the two faces.
  • the upper face of the piston comprises a concave bowl 32 inside which a pin 34 is arranged being located substantially in the center of this bowl and rising towards the cylinder head 12.
  • the fuel injector 22 is typical low angle ply a- ⁇ . This angle ai is chosen so that the wall of the cylinder 10 is never wetted by the fuel for any position of the piston 30 between + 50 ° and + ⁇ or between
  • CD denotes the diameter (in mm) of the cylinder 10 and F the distance (in mm) between the point of origin of the fuel jets 28 and the position of the piston corresponding to a crankshaft angle of 50 °, then the lap angle ai (in
  • nappe angle it is understood the angle at the top that forms the cone coming from the injector and whose imaginary peripheral wall passes through all the axes of the fuel jets 28.
  • the angular range for the lap angle ⁇ 1 is at most 120 ° and preferably between 40 ° and 100 °.
  • This engine also comprises a control and calculation unit 36, called engine ECU, which is connected by conductors (for some bi-directional) to the various organs and sensors of the engine (shown schematically by the box 38 in the figure) so as to be able to receive the various signals emitted by these sensors, such as the position of the piston 30 via a position sensor connected to the crankshaft that usually comprises this engine, to process them by calculation and then to control the organs of this engine to ensure its proper operation.
  • This unit also receives indications on the request of the driver, for example the position of the accelerator pedal 40. Based on this information and indications, the engine computer 36, which contains tables or maps, sends instructions to the various organs. engine to meet the driver's demand.
  • This unit is particularly suitable for controlling the parameters of the fuel injection, such as the amount of fuel injected into the combustion chamber by the injector 22 as well as the injection moment in the usual cycle of combustion of the engine.
  • the unit 36 is connected by control lines 42 to the various control members (not shown) of the injectors 22.
  • the unit 36 knows at all times the operating state of the engine and the driver's request.
  • the computer controls the injection of fuel so as to obtain a homogeneous fuel mixture in Ia combustion chamber while avoiding that fuel wets the walls of the cylinder.
  • the computer 36 controls the injector 22 so as to achieve, before the piston reaches its top dead point combustion, a first fuel injection, said primary injection, then at least a second fuel injection, called the main injection, in greater quantity.
  • the ratio between the primary injection and the main injection is about 1/10 to 1/20.
  • the primary injection is not too early so as to avoid any wetting of the wall by the fuel.
  • the unit 36 receives instructions from the support on the accelerator pedal by the driver, as the depression of the pedal and the speed of the depression. These instructions are analyzed and compared by the computer based on maps contained in this unit. In the case where the unit deduces that the instructions received correspond to a request for very high loads, the unit 36 controls the primary injection of fuel for a position of the piston between 35 and 70 ° before the PMH then realizes the beginning the main injection between 20 to 35 ° before the top dead center (TDC) of the piston and continues this main injection after TDC, if necessary.
  • TDC top dead center
  • the first amount of fuel injected can burn and increases the pressure and temperature of the mixture present in the combustion chamber.
  • the following main fuel injection is performed in a chamber with consequent pressure / temperature parameters so that this fuel can burn in a conventional manner with a reduced self-ignition time.
  • the primary injection of fuel thus makes it possible to reduce the combustion noise by about 2 dB (FIG. A1 bar for a fuel injection without primary injection and the B1 bar for a fuel injection with primary injection) and to increase the engine power by about 4% (Figure 3: A2 bar for a fuel injection without primary injection and the bar B2 for a fuel injection with primary injection).

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Abstract

La présente invention concerne un procédé de contrôle de l'injection du carburant pour un moteur à combustion interne, notamment à injection directe, comprenant au moins un cylindre (10), un piston (30) coulissant dans ce cylindre et comprenant un téton (34) disposé dans un bol concave (32), un injecteur (22) de carburant et une chambre de combustion (26). Selon l'invention, pour les très fortes charges du moteur, l'on injecte une première quantité de carburant pour une position du piston (30) comprise entre 35 et 70 ° avant le point mort haut de ce piston, suivie de l'injection d'au moins une deuxième quantité de carburant, la première quantité de carburant étant inférieure à la deuxième et en ce que l'on injecte le carburant dans ladite chambre de combustion avec un injecteur (22) ayant un angle de nappe (a1) CD inférieur ou égal à 2Arctg CD/2F où CD est le diamètre du cylindre (10) et F distance entre le point d'origine des jets de carburant issus de l'injecteur (22) et la position du piston correspondant à un angle de vilebrequin de 50 ° par rapport au point mort haut (PMH) du piston.

Description

Procédé de contrôle de l'injection du carburant pour un moteur à combustion interne et moteur utilisant un tel procédé.
La présente invention se rapporte à un procédé de contrôle de l'injection du carburant pour un moteur à combustion interne, notamment à injection directe, et à un moteur utilisant un tel procédé.
Elle concerne plus particulièrement un procédé pour un moteur Diesel pouvant fonctionner selon deux modes de combustion. Un mode homogène, pour les faibles et moyennes charges du moteur, avec une injection de carburant permettant d'obtenir un mélange homogène de carburant avec de l'air ou avec un mélange d'air et de gaz d'échappement recirculés avant le démarrage de la combustion. L'autre mode de combustion, dit combustion conventionnelle, consiste en une injection du carburant autour du point mort haut du piston et en une combustion par diffusion, ce mode étant préférentiellement utilisé aux charges élevées.
Un tel type de moteur, comme mieux décrit dans les demandes de brevet français N° 2 818 324 et 2 818 325 comprend au moins un cylindre, un piston coulissant dans ce cylindre, une chambre de combustion délimitée sur un côté par la face supérieure du piston comprenant un téton disposé au centre d'un bol concave et au moins un injecteur pour injecter du carburant avec un angle de
CD nappe inférieur ou égal à 2Arctg — où CD est le diamètre du cylindre et F la
IF distance entre le point d'origine des jets de carburant issus de l'injecteur et la position du piston correspondant à un angle de vilebrequin de 50° par rapport au point mort haut.
Ainsi, dans le cas d'injections précoces, c'est-à-dire quand la position du piston est au voisinage de 50° d'angle du vilebrequin pour la phase d'injection choisie par rapport au point mort haut du piston, Ie carburant ne vient pas au contact de la paroi du cylindre et se mélange avec l'air ou le mélange d'air et de gaz brûlés recirculés présent dans la chambre de combustion. Cependant dans le cas de très fortes charges, par exemple à 4000 tr/min pleine charge, le moteur fonctionne en mode de combustion conventionnelle.
Dans ce mode de combustion et compte tenu du taux de compression relativement bas (de l'ordre de 14), le carburant est classiquement injecté dans la chambre de combustion en une seule séquence mais ne brûle qu'après un certain délai lié à l'interaction des jets de carburant avec la paroi du piston, existant avec le type de combustion homogène développé par le demandeur.
Ceci entraîne une diminution des performances, notamment au niveau de la puissance développée.
La présente invention se propose de remédier aux inconvénients énumérés ci-dessus grâce à un procédé qui permet d'introduire le carburant de façon à réduire le délai d'autoinflammation de ce dernier.
A cet effet, la présente invention concerne un procédé de contrôle de l'injection du carburant pour un moteur à combustion interne, notamment à injection directe, comprenant au moins un cylindre, un piston coulissant dans ce cylindre et comprenant un téton disposé dans un bol concave, un injecteur de carburant et une chambre de combustion, caractérisé en ce que, pour les très fortes charges du moteur, l'on injecte une première quantité de carburant pour une position du piston comprise entre 35 et 70° avant le point mort haut de ce piston, suivie de l'injection d'au moins une deuxième quantité de carburant, la première quantité de carburant étant inférieure à la deuxième et en ce que l'on injecte le carburant dans ladite chambre de combustion avec un injecteur ayant
CD un angle de nappe (a-i) inférieur ou égal à lArctg — où CD est le diamètre du
IF cylindre et F la distance entre le point d'origine des jets de carburant issus de Pinjecteur et la position du piston correspondant à un angle de vilebrequin de 50° par rapport au point mort haut (PMH) du piston.
De manière préférentielle, on peut débuter l'injection de la deuxième quantité de carburant entre 20 à 35° avant le point mort haut du piston. On peut poursuivre l'injection de la deuxième quantité de carburant après le point mort haut du piston.
On peut injecter le carburant avec un ratio entre la première quantité de carburant et la deuxième quantité compris de 1/10 à 1/20.
L'invention concerne également un moteur à combustion interne, notamment à injection directe comprenant au moins un cylindre, un piston coulissant dans ce cylindre, une chambre de combustion délimitée sur un côté par la face supérieure dudit piston comprenant un téton disposé au centre d'un bol concave et un injecteur de carburant, caractérisé en qu'il comprend un
CD injecteur ayant un angle de nappe (ai) inférieur ou égal à lArctg — où CD est
2F le diamètre du cylindre et F la distance entre le point d'origine des jets de carburant issus de l'injecteur et la position du piston correspondant à un angle de vilebrequin de 50° par rapport au point mort haut, et des moyens de commande et de calcul pour injecter, lors de très fortes charges du moteur, une première quantité de carburant pour une position du piston comprise entre 35 et
70° avant le point mort haut de ce piston, suivie de l'injection d'au moins une deuxième quantité de carburant, la première quantité de carburant étant inférieure à la deuxième.
Les autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description donnée ci-après à partir d'un exemple non limitatif de réalisation, en se référant aux dessins annexés où :
- la figure 1 montre schématiquement un moteur à combustion interne selon l'invention ;
- la figure 2 est un graphique montrant la réduction du bruit de combustion grâce à l'utilisation du procédé selon l'invention et - la figure 3 est également un graphique sur lequel apparaissent les niveaux de puissance générée par le moteur avec et sans le procédé de l'invention. En se référant à la figure 1 , un moteur à combustion interne Diesel à injection directe comprend au moins un cylindre 10 de diamètre CD et une culasse 12 portant des moyens d'admission d'air et des moyens d'échappement des gaz brûlés, ici respectivement au moins une tubulure d'admission 14 pour un fluide gazeux, tel que de l'air ou un mélange d'air et de gaz brûlés recirculés (EGR), au moins une tubulure d'échappement 16 de gaz brûlés, les tubulures étant commandées en ouverture, ou en fermeture, par une soupape d'admission 18 et une soupape d'échappement 20. La culasse porte également un injecteur de carburant 22 qui est préférentiellement disposé coaxialement à l'axe du cylindre et comporte au voisinage de son nez 24 une multiplicité d'orifices à travers desquels le carburant est pulvérisé dans la chambre de combustion 26, selon des jets 28. La chambre de combustion est délimitée par la face supérieure d'un piston 30, coulissant de manière alternative rectiligne dans le cylindre 10, la face interne de la culasse 12 en regard de ce piston et la paroi circulaire du cylindre 10 comprise entre les deux faces. En outre, la face supérieure du piston comporte un bol concave 32 à l'intérieur duquel un téton 34 est disposé en étant situé sensiblement au centre de ce bol et en s'élevant vers la culasse 12.
Comme mieux décrit dans les brevets français N° 2 818 324 et 2 818 325 du demandeur, qui sont inclus par référence dans la présente demande, l'injecteur de carburant 22 est de type à faible angle de nappe a-\. Cet angle ai est choisi pour que la paroi du cylindre 10 ne soit jamais mouillée par le carburant pour toute position du piston 30 comprise entre + 50° et +α ou entre
-50° et -ce , où α représente l'angle du vilebrequin pour la phase d'injection choisie par rapport au point mort haut du piston, cet angle α étant supérieur à
50° et inférieur ou égal à 180° pour obtenir une combustion de type homogène.
Si CD désigne le diamètre (en mm) du cylindre 10 et F la distance (en mm) entre le point d'origine des jets de carburants 28 et la position du piston correspondant à un angle de vilebrequin de 50°, alors l'angle de nappe a-i (en
degré) sera inférieur ou égal à 2Arctg .
2F
Par angle de nappe, il est entendu l'angle au sommet que forme le cône issu de l'injecteur et dont la paroi périphérique fictive passe par tous les axes des jets de carburant 28.
Avantageusement, la fourchette angulaire pour l'angle de nappe ai est au plus de 120° et préférentiellement entre 40° et 100°.
Ce moteur comprend également une unité de commande et de calcul 36, dénommé calculateur moteur, qui est reliée par des conducteurs (pour certains bidirectionnels) aux différents organes et capteurs du moteur (schématisés par la boite 38 sur la figure) de façon à pouvoir recevoir les différents signaux émis par ces capteurs, comme la position du piston 30 via un capteur de position lié au vilebrequin que comporte habituellement ce moteur, pour les traiter par calcul et ensuite commander les organes de ce moteur pour assurer son bon fonctionnement. Cette unité reçoit également des indications sur la demande du conducteur, par exemple la position de la pédale d'accélérateur 40. En fonction de ces informations et indications, le calculateur moteur 36, qui contient des tables ou cartographies, envoie des instructions aux différents organes du moteur pour pouvoir répondre à la demande du conducteur.
Cette unité est notamment adaptée à contrôler les paramètres de l'injection de carburant, tels que la quantité de carburant injectée dans la chambre de combustion par l'injecteur 22 ainsi que le moment d'injection dans le cycle habituel de combustion du moteur. Pour cela, l'unité 36 est reliée par des lignes de commandes 42 aux différents organes de commandes (non représentés) des injecteurs 22.
Ainsi en fonctionnement, l'unité 36 connaît à tous moments l'état de fonctionnement du moteur et la demande du conducteur.
De ce fait, pour les faibles et moyennes charges, le calculateur commande l'injection de carburant de façon à obtenir un mélange carburé homogène dans Ia chambre de combustion tout en évitant que ce carburant mouille les parois du cylindre.
Pour les très fortes charges, pour une rotation du moteur généralement au voisinage de 4000 tr/min, Ie calculateur 36 commande l'injecteur 22 de façon à réaliser, avant que le piston n'atteigne sa position de point mort haut combustion, une première injection de carburant, dite injection primaire, puis au moins une seconde injection de carburant, dite injection principale, en quantité plus grande. Le ratio entre l'injection primaire et l'injection principale est d'environ 1/10 à 1/20. L'injection primaire n'est pas trop précoce de façon à éviter tout mouillage de paroi par le carburant.
Par très fortes charges, il est entendu le domaine d'utilisation du moteur allant des très fortes charges jusqu'à la pleine charge.
En pratique, l'unité 36 reçoit des instructions provenant de l'appui sur la pédale de l'accélérateur par le conducteur, comme l'enfoncement de cette pédale ainsi que la vitesse de cet enfoncement. Ces instructions sont analysées et comparées par le calculateur en fonction de cartographies contenues dans cette unité. Dans le cas où l'unité déduit que les instructions reçues correspondent à une demande de très fortes charges, l'unité 36 commande l'injection primaire de carburant pour une position du piston comprise entre 35 et 70° avant le PMH puis réalise le début de l'injection principale entre 20 à 35° avant le point mort haut (PMH) du piston et poursuit cette injection principale après Ie PMH, si nécessaire.
Grâce à cela, la première quantité de carburant injectée peut brûler et permet d'augmenter la pression et la température du mélange présent dans la chambre de combustion. L'injection principale de carburant qui suit est réalisée dans une chambre avec des paramètres pression/température conséquents pour que ce carburant puisse brûler de manière conventionnelle avec un délai d'autoinflammation réduit.
Comme illustré sur les figures 2 et 3, l'injection primaire de carburant permet ainsi réduire le bruit de combustion de l'ordre de 2 dB (figure 2 avec la barre A1 pour une injection de carburant sans injection primaire et la barre B1 pour une injection de carburant avec injection primaire) et d'augmenter la puissance du moteur d'environ 4 % (figure 3 : barre A2 pour une injection de carburant sans injection primaire et la barre B2 pour une injection de carburant avec injection primaire).
La présente invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation décrits ci-dessus mais englobe toutes variantes et tous équivalents.

Claims

REVENDICATIONS
1) Procédé de contrôle de l'injection du carburant pour un moteur à combustion interne, notamment à injection directe, comprenant au moins un cylindre (10), un piston (30) coulissant dans ce cylindre et comprenant un téton
(34) disposé dans un bol concave (32), un injecteur (22) de carburant et une chambre de combustion (26), caractérisé en ce que, pour les très fortes charges du moteur, l'on injecte une première quantité de carburant pour une position du piston (30) comprise entre 35 et 70° avant le point mort haut de ce piston, suivie de l'injection d'au moins une deuxième quantité de carburant, la première quantité de carburant étant inférieure à la deuxième et en ce que l'on injecte le carburant dans ladite chambre de combustion avec un injecteur (22)
CD ayant un angle de nappe (a-i) inférieur ou égal à 2Arctg — où CD est le
IF diamètre du cylindre (10) et F la distance entre le point d'origine des jets de carburant issus de l'injecteur (22) et la position du piston correspondant à un angle de vilebrequin de 50° par rapport au point mort haut (PMH) du piston.
2) Procédé selon la revendication 1 , caractérisé en ce que l'on débute l'injection de la deuxième quantité de carburant entre 20 à 35° avant le point mort haut du piston.
3) Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'on poursuit l'injection de la deuxième quantité de carburant après le point mort haut du piston.
4) Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'on injecte le carburant avec un ratio entre la première quantité de carburant et la deuxième quantité compris de 1/10 à 1/20.
5) Moteur à combustion interne, notamment à injection directe comprenant au moins un cylindre (10), un piston (30) coulissant dans ce cylindre, une chambre de combustion (26) délimitée sur un côté par la face supérieure dudit piston comprenant un téton (34) disposé au centre d'un bol concave (32) et un injecteur (22) de carburant, caractérisé en qu'il comprend un injecteur (22)
CD ayant un angle de nappe (ai) inférieur ou égal à 2Arctg — où CD est le
1,F diamètre du cylindre (10) et F la distance entre le point d'origine des jets de carburant issus de l'injecteur et la position du piston (30) correspondant à un angle de vilebrequin de 50° par rapport au point mort haut (PMH), et des moyens de commande et de calcul (36) pour injecter, lors des très fortes charges du moteur, une première quantité de carburant pour une position du piston (30) comprise entre 35 et 70° avant le point mort haut de ce piston, suivie de l'injection d'au moins une deuxième quantité de carburant, la première quantité de carburant étant inférieure à la deuxième.
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