FR2774126A1 - METHOD FOR OPERATING AN INTERNAL COMBUSTION AND INJECTION ENGINE - Google Patents
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Abstract
Pendant le fonctionnement en frein moteur, du gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne et à injection est retenu et une soupape de frein moteur est ouverte.Afin de refroidir les buses des injecteurs au cours du fonctionnement en frein moteur du moteur à combustion interne, une injection de carburant dans la chambre de combustion s'effectue, après la fermeture de la ou des soupapes d'admission, à un moment si précoce de la phase de compression que le mélange air-carburant n'est pas encore inflammable. Cette injection s'effectue notamment dans une plage précédant de 60degre d'angle de vilebrequin le PMH.Applicable aux moteurs Diesel équipés d'un turbocompresseur de suralimentation.During engine brake operation, exhaust gas from an internal combustion and injection engine is retained and an engine brake valve is opened to cool the injector nozzles during engine brake operation of the internal combustion, fuel is injected into the combustion chamber after the intake valve (s) are closed at such an early point in the compression phase that the air-fuel mixture is not yet flammable . This injection takes place in particular in a range preceding by 60degree of crankshaft angle the TDC. Applicable to Diesel engines fitted with a turbocharger.
Description
L'invention concerne un procédé pour faireThe invention relates to a method for making
fonctionner un moteur à combustion interne, en particu- operate an internal combustion engine, in particular
lier un moteur Diesel, comprenant des injecteurs, des soupapes d'admission et d'échappement et un dispositif pour retenir le gaz d'échappement en vue d'un fonctionnement en frein moteur, procédé selon lequel une injection de carburant dans un espace délimité par link a diesel engine, comprising injectors, intake and exhaust valves and a device for retaining the exhaust gas for engine braking operation, method according to which injection of fuel into a space delimited by
un piston et un allumage spontané du mélange air- a piston and spontaneous ignition of the air-
carburant s'effectuent dans la phase de compression, le gaz brûlé produit étant ensuite expulsé à travers une soupape d'échappement, et selon lequel une soupape prévue pour le fonctionnement en frein moteur est fuel are carried out in the compression phase, the burnt gas produced being then expelled through an exhaust valve, and according to which a valve intended for engine brake operation is
ouverte lors du fonctionnement en frein moteur. open during engine brake operation.
La pratique a montré que pendant le fonctionnement en frein moteur d'un moteur à combustion interne, en particulier d'un moteur Diesel, avec retenue de gaz d'échappement par un volet de retenue de gaz d'échappement, par la turbine à gaz d'échappement d'un turbocompresseur de suralimentation ou par une liaison prévue entre le moteur et le turbocompresseur et contenant un volet de retenue de gaz d'échappement en aval de la turbine du turbocompresseur, des Practice has shown that during the engine brake operation of an internal combustion engine, in particular a diesel engine, with exhaust gas retention by an exhaust gas retention flap, by the gas turbine exhaust from a turbocharger or by a link provided between the engine and the turbocharger and containing an exhaust gas retaining flap downstream of the turbocharger turbine,
problèmes se posent au niveau des buses des injecteurs. problems arise with the injector nozzles.
En effet, les buses, en particulier les calottes des buses d'injecteurs, présentent souvent des détériorations dues à un échauffement excessif, liées à des formations de calamine qui proviennent de résidus de carburant, surtout dans l'espace mort s'il s'agit de buses à trous borgnes, ou de fuites provenant d'aiguilles d'injection ne fermant pas complètement ou se levant de façon incontrôlée de leur siège pendant la phase de fonctionnement en frein moteur sans combustion In fact, the nozzles, in particular the caps of the injector nozzles, often exhibit deterioration due to excessive heating, linked to the formation of scale which comes from fuel residues, especially in the dead space if there is any acts of blind hole nozzles, or leaks from injection needles which do not close completely or rise uncontrollably from their seat during the engine braking operation phase without combustion
de carburant.fuel.
Comme, en raison des exigences sévères aux- As, due to the severe requirements to-
quelles doit répondre la puissance du frein moteur, les sections des fentes de passage des volets de retenue de gaz d'échappement doivent être conçues très petites, le débit d'air du moteur diminue très fortement à cause des contre-pressions élevées produites dans le moteur et du faible taux de remplissage ainsi provoqué. L'air chaud refoulé à travers une soupape de frein moteur dans le canal de sortie est soumis, pendant ce processus, à des recyclages qui le ramènent dans les cylindres. Cela signifie que les ouvertures pour la quantité recyclée pourraient être constituées d'une part par les canaux des soupapes de frein moteur ou d'autre part, pour la quantité recyclée principale, par les soupapes d'échappement elles-mêmes. En effet, il n'est pas toujours garanti que les soupapes d'échappement s'ouvrent seulement selon le cycle habituel de renouvellement des gaz. Des ondes de pression occasionnent fréquemment des phases d'ouverture incontrôlée, ce qui entraîne un remplissage des cylindres à partir du système d'échappement, phénomène qui provoque de fortes élévations de la which must respond to the power of the engine brake, the sections of the slots for passage of the exhaust gas retention flaps must be designed very small, the air flow of the engine decreases very strongly because of the high back pressures produced in the engine and the low filling rate thus caused. The hot air discharged through an engine brake valve in the outlet channel is subjected, during this process, to recycling which brings it back into the cylinders. This means that the openings for the recycled quantity could be formed on the one hand by the channels of the engine brake valves or on the other hand, for the main recycled quantity, by the exhaust valves themselves. Indeed, it is not always guaranteed that the exhaust valves open only according to the usual gas renewal cycle. Pressure waves frequently cause uncontrolled opening phases, which leads to filling of the cylinders from the exhaust system, a phenomenon which causes large elevations of the
température dans les cylindres, lesquelles sont co- temperature in the cylinders, which are co-
responsables des problèmes mentionnés plus haut. responsible for the problems mentioned above.
Les échauffements excessifs des buses d'injection, en particulier de leurs calottes, ont pour effet une surcharge mécanique des parois des trous d'injection, surcharge qui est due à la diminution - à mesure que la température s'élève - des caractéristiques de résistance, ou des modifications durables du matériau constitutif des buses. Les conséquences nuisibles en sont des enlèvements de matériau sur les bords des trous d'injection lors du fonctionnement normal avec combustion de carburant, ce Excessive heating of the injection nozzles, in particular of their caps, results in a mechanical overload of the walls of the injection holes, overload which is due to the reduction - as the temperature rises - of the resistance characteristics , or lasting changes in the material of the nozzles. The harmful consequences are removal of material from the edges of the injection holes during normal operation with fuel combustion, this
qui déforme ou modifie très fortement et de façon nui- which distorts or modifies very strongly and in a harmful way
sible le déploiement du jet de carburant injecté. La formation du mélange de carburant est ainsi nettement dégradée, ce qui conduit à des inconvénients considérables au niveau de la consommation de carburant the deployment of the injected fuel jet. The formation of the fuel mixture is thus significantly degraded, which leads to considerable disadvantages in terms of fuel consumption.
et de l'émission de polluants.and the emission of pollutants.
La formation de calamine sur les parois des trous d'injection a également un effet nettement nocif sur l'aptitude fonctionnelle des injecteurs, entraînant les mêmes conséquences pour la consommation et la pollution. La formation de calamine entraîne un bouchage partiel ou même complet des trous d'injection, ce qui peut conduire à des formes asymétriques des jets pendant l'injection de carburant et, par suite, à une formation dégradée du mélange, suivie d'une combustion The formation of scale on the walls of the injection holes also has a clearly harmful effect on the functional capacity of the injectors, with the same consequences for consumption and pollution. The formation of scale leads to partial or even complete blockage of the injection holes, which can lead to asymmetric shapes of the jets during fuel injection and, consequently, to a degraded formation of the mixture, followed by combustion.
incomplète de certains jets coniques. incomplete of certain conical jets.
Les problèmes qui viennent d'être décrits, dans les systèmes de frein moteur utilisant des volets de retenue de gaz d'échappement, se produisent généralement aussi, à des puissances de freinage plus élevées, avec les systèmes de frein moteur qui possèdent une "fente de frein moteur" directement en amont de la roue de turbine ou dont la turbine à gaz d'échappement est munie de grilles de guidage réglables. On a tenté de réduire les fortes sollicitations thermiques des buses d'injection par des dispositions onéreuses, par exemple par la tentative d'évacuer plus rapidement la chaleur engendrée afin d'abaisser les pointes de température. En plus des inconvénients représentés par les coûts plus élevés qui en étaient la conséquence, le résultat obtenu était insuffisant. La présente invention a donc pour but de créer un procédé, du type mentionné au début, qui évite les inconvénients de l'état actuel de la technique et avec lequel soient évitées en particulier les élévations excessives de la température et les The problems which have just been described, in engine brake systems using exhaust gas retention flaps, also generally occur, at higher braking powers, with engine brake systems which have a "slot engine brake "directly upstream of the turbine wheel or the exhaust gas turbine of which is fitted with adjustable guide grids. Attempts have been made to reduce the high thermal stresses of the injection nozzles by costly arrangements, for example by the attempt to dissipate the heat generated more quickly in order to lower the temperature peaks. In addition to the disadvantages represented by the higher costs which were the consequence, the result obtained was insufficient. The object of the present invention is therefore to create a process, of the type mentioned at the start, which avoids the drawbacks of the current state of the art and with which, in particular, excessive rises in temperature and
formations de calamine sur les buses d'injection. scale formation on the injection nozzles.
Conformément à l'invention, partant d'un pro- According to the invention, starting from a pro-
cédé comme spécifié au début, on obtient ce résultat par le fait que, pour refroidir des buses d'injection des injecteurs dans le fonctionnement en frein moteur du moteur à combustion interne, une injection de carburant dans la chambre de combustion s'effectue, après la fermeture de la ou des soupapes d'admission, à un moment si précoce de la phase de compression que le yielded as specified at the start, this is obtained by the fact that, to cool the injection nozzles of the injectors in the engine brake operation of the internal combustion engine, fuel is injected into the combustion chamber after the closure of the intake valve (s) at such an early point in the compression phase that the
mélange air-carburant n'est pas encore inflammable. air-fuel mixture is not yet flammable.
Le procédé d'injection selon l'invention pen- The injection method according to the invention
dant la phase de frein moteur, procure un refroidissement des buses d'injection et empêche la during the engine brake phase, provides cooling of the injection nozzles and prevents
formation de calamine sur elles d'une manière simple. formation of scale on them in a simple way.
Il s'est révélé que de faibles quantités injectées pendant la phase de frein moteur assurent déjà l'effet de refroidissement désiré des buses et contribuent ainsi à la préservation d'une haute puissance de freinage, par le frein moteur, grâce au maintien en bon état des buses. Dans la mise en oeuvre de l'invention, les inventeurs exploitent l'effet de refroidissement produit lors de l'évaporation du carburant pour refroidir les buses. Pour cette raison, il est également conforme à l'invention d'effectuer une injection à un moment aussi précoce que possible, en particulier à un moment o une compression perceptible n'a pas encore eu lieu dans l'espace délimité par le piston, de sorte que l'action refroidissante par le carburant injecté peut être utilisée aussi longtemps que possible, avant que ne puisse se produire un allumage, éventuellement sous l'effet d'une compression devenue suffisante à cet effet, surtout s'il s'agit It has been found that small quantities injected during the engine brake phase already provide the desired cooling effect of the nozzles and thus contribute to the preservation of a high braking power, by the engine brake, by maintaining good nozzle status. In implementing the invention, the inventors exploit the cooling effect produced during the evaporation of the fuel to cool the nozzles. For this reason, it is also in accordance with the invention to carry out an injection at a time as early as possible, in particular at a time when a perceptible compression has not yet taken place in the space delimited by the piston, so that the cooling action by the injected fuel can be used as long as possible, before ignition can occur, possibly under the effect of compression which has become sufficient for this purpose, especially if it is
d'un moteur Diesel.of a Diesel engine.
Il est préférable de produire l'injection peu It is best to produce the injection shortly
après la fermeture de la soupape d'admission correspon- after closing the corresponding intake valve
dante. Selon un mode de mise en oeuvre préféré du procédé de l'invention, l'injection de carburant s'effectue peu après la fermeture de la ou des soupapes d'admission dans une plage précédant de 60 d'angle de dante. According to a preferred embodiment of the method of the invention, the fuel injection is carried out shortly after the closing of the intake valve (s) in a range preceding by 60 of angle of
vilebrequin le PMH (point mort haut) du piston. crankshaft the TDC (top dead center) of the piston.
Comme, avec des volets conventionnels de retenue de gaz d'échappement en phase frein moteur, le débit d'air du moteur est très faible, des mélanges inflammables sont formés déjà avec de petites quantités de carburant injectées. Par une injection précoce avancée, le point central de la combustion peut être placé avant le point mort haut, ce qui procure l'effet supplémentaire de l'application directe d'un couple de freinage dû à la combustion - au vilebrequin. La combustion pendant l'ouverture permanente de la soupape Since, with conventional exhaust gas retention flaps in the engine brake phase, the engine air flow is very low, flammable mixtures are already formed with small amounts of fuel injected. By advanced early injection, the central point of combustion can be placed before top dead center, which provides the additional effect of the direct application of a braking torque due to combustion - to the crankshaft. Combustion during permanent opening of the valve
prévue pour le fonctionnement en frein moteur, c'est-à- designed for engine brake operation, i.e.
dire de la soupape de frein moteur, laquelle peut être réalisée sous la forme d'un étranglement constant ou d'une soupape de frein moteur à commande cadencée, est soutenue de manière avantageuse, pendant la phase frein moteur, par la forte turbulence de l'écoulement dans la chambre de combustion, par l'écoulement sortant et le recyclage des gaz brûlés chauds à travers la soupape de frein moteur, ou éventuellement aussi à travers la ou les soupapes d'échappement. Le cas échéant, on peut éventuellement utiliser aussi, en tant que soupape de frein moteur, une soupape d'échappement qui est say of the engine brake valve, which can be realized in the form of a constant throttle or of a clocked engine brake valve, is advantageously supported, during the engine brake phase, by the strong turbulence of the flow in the combustion chamber, by the outgoing flow and recycling of the hot burnt gases through the engine brake valve, or possibly also through the exhaust valve or valves. If necessary, an exhaust valve can also be used as an engine brake valve.
commandée en conséquence.ordered accordingly.
Le document DE 44 25 956 Al décrit un procédé pour faire fonctionner un moteur Diesel, selon lequel, lors du fonctionnement du moteur Diesel en frein moteur, une injection de carburant s'effectue pendant la phase de compression, dans une plage précédant d'au moins 20 d'angle de vilebrequin le point mort haut Document DE 44 25 956 A1 describes a method for operating a diesel engine, according to which, during the operation of the diesel engine with engine brake, a fuel injection takes place during the compression phase, in a range preceding at least minus 20 crankshaft angle top dead center
(PMH), avec un allumage spontané du mélange air- (TDC), with spontaneous ignition of the air-
carburant. Cependant, cette mesure était prévue pour renforcer la puissance du frein moteur. Le refroidissement de buses d'injection et l'empêchement d'une formation de calamine ne sont pas prévus par cette mesure et ne pourraient d'ailleurs pas être fuel. However, this measure was intended to increase the power of the engine brake. The cooling of injection nozzles and the prevention of scale formation are not provided for by this measure and could not moreover be
obtenus par elle avec un résultat satisfaisant. obtained by it with a satisfactory result.
Conformément à un développement avantageux de l'invention, ce procédé connu peut cependant être combiné de façon surprenante avec la présente invention. D'après cette combinaison, à la suite de l'injection très précoce de carburant pour refroidir les buses d'injection, l'allumage du mélange d'air et de carburant injecté est effectué à un moment ultérieur, par exemple dans une plage précédant d'au moins 20 d'angle de vilebrequin le point mort haut, ou In accordance with an advantageous development of the invention, this known method can however be surprisingly combined with the present invention. According to this combination, following the very early injection of fuel to cool the injection nozzles, the ignition of the mixture of air and injected fuel is carried out at a later time, for example in a range preceding at least 20 crankshaft angle top dead center, or
aussi plus tard encore.also later still.
Le début de l'injection pour refroidir les buses, peut s'effectuer déjà, par exemple, 100 ou même déjà 150 avant le PMH, c'est-à-dire peu après la The start of the injection to cool the nozzles can already take place, for example, 100 or even already 150 before TDC, that is to say shortly after the
fermeture de la soupape d'admission correspondante. closing of the corresponding intake valve.
Cette mesure permet d'obtenir un refroidissement optimal des buses d'injection. Un tel refroidissement est déjà réalisable, avec un rendement suffisamment bon, par de petites quantités injectées. Le cas échéant, il n'est pas non plus nécessaire d'injecter du carburant à chaque cycle, mais seulement à chaque This measure allows optimal cooling of the injection nozzles. Such cooling is already achievable, with a sufficiently good yield, by small quantities injected. If necessary, it is also not necessary to inject fuel at each cycle, but only at each
deuxième ou troisième cycle.second or third cycle.
Dans certains cas, il n'est pas non plus exclu qu'une injection de carburant après le point mort haut puisse, dans une variante du procédé ou en plus de l'injection précoce, procurer des avantages en différents cas. Etant donné que, dans la phase de détente, une In certain cases, it is also not excluded that an injection of fuel after top dead center may, in a variant of the process or in addition to the early injection, provide advantages in different cases. Since, in the relaxation phase, a
grande partie de l'air s'est déjà écoulée hors du cy- much of the air has already flowed out of the cy-
lindre ou de l'espace délimité par le piston, à travers la soupape de frein moteur, une adaptation du rapport air/carburant pourrait ainsi s'effectuer en vue de l'obtention de quantités injectées minimales avec lesquelles la combustion complète du carburant est encore maintenue. Cette mesure serait utilisable dans ce qu'on appelle aussi des turbosystèmes de frein moteur, dans lesquels la turbine à gaz d'échappement est mise en oeuvre également pour un fonctionnement en frein moteur, afin d'améliorer le comportement de réponse du turbocompresseur de suralimentation. Le procédé d'injection de carburant selon l'invention, pendant la phase frein moteur, permet aussi d'obtenir, de manière avantageuse, une nouvelle conception des autres composants pour le fonctionnement en frein moteur. C'est ainsi que, par exemple, la section du volet de retenue de gaz d'échappement pourrait être agrandie, ce qui diminuerait la sensibilité de ce composant et augmenterait le débit d'air. lindre or space delimited by the piston, through the engine brake valve, an adaptation of the air / fuel ratio could thus be carried out in order to obtain minimum injected quantities with which the complete combustion of the fuel is still maintained. This measure could be used in so-called engine brake turbosystems, in which the exhaust gas turbine is also used for engine brake operation, in order to improve the response behavior of the turbocharger. . The fuel injection method according to the invention, during the engine brake phase, also makes it possible to advantageously obtain a new design of the other components for engine brake operation. Thus, for example, the section of the exhaust gas retaining flap could be enlarged, which would decrease the sensitivity of this component and increase the air flow.
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