FR2779775A1 - Dispositif et procede d'alimentation en carburant d'un moteur a combustion interne - Google Patents

Abstract

Dispositif d'injection de carburant pour moteur à combustion interne à injection directe, comprenant deux électrovannes 11, 13 disposées en série entre une sortie d'une pompe d'injection à haute pression 4 et un injecteur 15, et un moyen de commande 22 des deux électrovannes 11, 13 apte à commander l'ouverture de l'une des deux électrovannes de façon temporellement décalée par rapport à l'ouverture de l'autre électrovanne pour permettre l'injection de carburant seulement pendant la période d'ouverture simultanée des deux électrovannes 11, 13.

Description

Dispositif et procédé d'alimentation en carburant d'un moteur à

combustion interne.

La présente invention concerne le domaine de l'alimentation en carburant de moteurs à combustion interne pourvus d'une injection,

notamment d'une injection directe.

La pollution atmosphérique est devenue l'un des problèmes majeurs de l'utilisation des moteurs à combustion interne, en particulier dans les villes. Entre autres, cette pollution a pour origine les rejets des véhicules qui sont principalement les particules, les hydrocarbures imbrûlés, les oxydes d'azote, les monoxydes de carbone, et les dérivés du benzène, du toluène et du xylène. Les normes de pollution se durcissent rapidement au fil des années et deviennent fortement contraignantes. La dépollution passe alors par une optimisation poussée de l'injection, de la combustion et par l'adjonction de systèmes de post traitement comme les catalyseurs, l'injection d'air à l'échappement ou la recirculation des gaz d'échappement. Ces sytèmes entraînent un surcoût de développement et de production extrêmement important au point que certains envisagent

l'abandon du moteur diesel pour les véhicules particuliers.

En parallèle à ce phénomène, un certain nombre de carburants dits "de substitution" ont fait leur apparition, le gaz de pétrole liquéfié, le gaz naturel pour véhicule, etc., installables sur les moteurs à allumage commandé. Pour l'instant, les moteurs à cycle diesel ne disposent pas de

carburant équivalent.

Le diméthyl-éther (DME), utilisé comme gaz propulseur dans les aérosols, pourrait être envisagé en remplacement du gazole à condition d'être produit à des coûts raisonnables. Certains essais ont démontré la faisabilité d'utilisation du DME comme carburant. Ces expériences laissent entrevoir une réduction significative des rejets d'oxyde d'azote et de dérivés du benzène, toluène et du xylène, en dessous des normes en vigueur prévues pour les années à venir. La combustion du DME ne fabriquerait quasiment pas de particules, principal défaut reproché aujourd'hui au gazole. Enfin, le DME aurait peu tendance à former des peroxydes au contact de l'air et de la lumière et aurait un temps de vie

inférieur à une huitaine de jours s'il venait à être rejeté dans l'atmosphère.

Sa biodégrabilité est donc beaucoup plus satisfaisante que celle de la

majorité des autres carburants.

Le DME, de formule CH3-O-CH3, est un gaz à température ambiante liquéfiable sous une pression de vapeur de 5 bars environ, ce qui est relativement proche du gaz de pétrole liquéfié et permet d'envisager un stockage dans des conditions similaires à celui-ci. La température d'ébullition est de -24,9 C à la pression atmosphérique. Le DME est produit industriellement à partir de gaz naturel ou de biomasse et serait plus facilement transportable par voie maritime que le gaz naturel qui doit

être liquéfié à -162 C.

La masse volumique du DME est de 670 kg/m3 à 20 C et son pouvoir calorifique est de 28,43 MJ/kg, ces deux valeurs étant inférieures à celle du gazole. Il faut donc augmenter les volumes injectés pour disposer d'une énergie équivalente dans les cylindres d'un moteur. Par contre, le DME présente un indice de cétane qui mesure la capacité d'un carburant à l'auto-inflammation supérieur à 100 contre environ 48 pour le gazole. Le DME peut donc se satisfaire de systèmes d'injection moins performants que ceux exigés pour le gazole. L'absence de suie à l'échappement rend envisageable l'augmentation du temps d'injection d'o une baisse de la pression maximale dans la chambre de combustion entraînant une sollicitation moindre des matériaux. Enfin, le DME permettrait de se passer du préchauffage lors du démarrage à froid du moteur et donc de supprimer les bougies de préchauffage. Le fait que le DME soit un gaz à température ambiante entraîne une très bonne vaporisation de celui-ci dans les cylindres. Son injection ne nécessite donc pas des pressions aussi élevées que les 1400 bars du gazole, 200 à 300

bars devant s'avérer suffisants.

Les propriétés du DME telles que sa compressibilité, son module d'élasticité et sa masse volumique fluctuent fortement avec la température. Il faut donc, soit arriver à maintenir celle-ci dans une fourchette acceptable, soit réaliser un système d'injection fonctionnant malgré ces variations. En particulier, ce problème se pose pour l'injection d'une énergie, et donc d'une masse, fixée, alors que l'injection est pilotée en temps, donc en volume. Il pourra s'avérer nécessaire d'utiliser une

correction liée à une mesure de température.

La viscosité du DME étant très faible, estimée aux alentours de 0,2 cSt à 20 C contre environ 3 pour le gazole, ce carburant n'est pas apte à

assurer la lubrification des pompes basse et haute pression de l'injection.

Il est néanmoins possible d'ajouter au DME un composé augmentant le pouvoir lubrifiant, et ce, dans des proportions n'entrainant pas

d'augmentation significative des rejets.

Enfin, le DME présente une tendance marquée à fuir au niveau du nez des injecteurs en particulier. Ces fuites risquent de perturber le fonctionnement du moteur, voire de remettre en cause la sécurité de l'installation et de ses utilisateurs. Si une légère fuite au nez de l'injecteur entre chaque injection modifie la quantité de carburant introduite dans le cylindre et donc la combustion dans celui-ci, les conséquences des fuites lorsque le moteur est à l'arrêt peuvent être plus graves. En effet, une fuite de liquide sous l'action de la pression résiduelle du circuit d'injection qui se mesure en centaines de bars, engendre après vaporisation la présence d'un gros volume de gaz dans la chambre de combustion en raison de la détente du gaz et de la multiplication de son volume par un facteur de l'ordre de 300. Ce phénomène peut entraîner l'auto-allumage ou une

explosion au démarrage suivant.

On connait des systèmes d'injection adaptés au DME basés sur des systèmes à rampe unique d'injection directe travaillant à des pressions de l'ordre de 200 à 300 bars. Ces architectures possèdent l'avantage de permettre une circulation du fluide compatible avec un système de refroidissement simple, d'être pilotable à partir d'un calculateur intégrant l'ensemble des particularités du DME dont la correction de température, et de séparer la valeur du temps d'injection de la variable pression

d'injection afin d'augmenter le nombre de degrés de liberté du système.

AVL List et AVL Powertrain Engineering proposent un système d'injection intégrable sur un véhicule particulier, mais utilisant des composants très coûteux. Placées sur chaque ligne reliant la rampe d'injection et des injecteurs passifs, des électrovannes pilotées ultra rapides et supportant 300 bars commandent l'injection. Leur temps d'ouverture et de fermeture est inférieur à 400 Is à 2500 tr/minute pour les véhicules industriels et à 200 gIs à 4800 tr/minute pour les véhicules particuliers, avec des temps de commutation de l'ordre, respectivement, de 150 Its et 80 gIs. Un système de purge est mis en place afin de ramener la pression dans les injecteurs à quelques dizaines de bars entre deux injections. Il est réalisé à l'aide d'une dérivation située après l'électrovanne de commande des injecteurs qui est connectée, par l'intermédiaire d'un détendeur, à une ligne de retour moyenne pression. A l'arrêt du moteur, un deuxième système de purge réduit la pression dans la

ligne à la pression atmosphérique.

Dans une variante, on vide le circuit dans un réservoir additionnel qui recueille le DME gazeux qui est ensuite liquéfié et renvoyé dans le réservoir principal par un compresseur. Dans une autre variante, on utilise un canister qui stocke le DME gazeux. Pour réduire la capacité de ce dernier, une vanne supplémentaire est activée uniquement à l'arrêt du moteur. Elle réduit la partie du circuit ramenée à la pression atmosphérique. Le gaz présent dans le canister est ensuite aspiré dans le collecteur d'admission via un doseur. Celui-ci implique que le canister ait une capacité de stockage de trois à cinq fois le volume de purge du circuit pour supporter plusieurs arrêts successifs du moteur, par exemple en cas de mauvais démarrage, et que le calculateur gère une stratégie complexe

de purge et de mise en route du moteur.

De telles solutions ne sont pas optimisées en coût et semblent difficilement implantables sur des véhicules particuliers en raison de leur

volume et de leur masse.

La présente invention a pour objet de résoudre les problèmes des systèmes décrits ci-dessus et de proposer un dispositif et un procédé d'injection de carburant économiques et écartant le danger présenté par

les fuites de carburant au nez de l'injecteur.

Le dispositif d'injection de carburant pour moteur à combustion interne à injection directe, selon l'invention, comprend deux électrovannes disposées en série entre une sortie d'une pompe d'injection à haute pression et un injecteur, et un moyen de commande des deux électrovannes apte à commander l'ouverture de l'une des électrovannes de façon temporellement décalée par rapport à l'ouverture de l'autre électrovanne, pour permettre l'injection de carburant seulement pendant la période d'ouverture simultanée des deux électrovannes. On évite ainsi l'utilisation d'électrovannes ultrarapides et onéreuses, un faible temps d'injection pouvant être obtenu au moyen de deux électrovannes plus

lentes et donc plus économiques.

Dans un mode de réalisation de l'invention, l'injecteur est mécanique. Dans un mode de réalisation de l'invention, le dispositif comprend un limiteur de débit en communication avec une portion de conduite disposée entre les deux électrovannes, et avec le réservoir de carburant. Le tarage du limiteur de débit est effectué de façon qu'il soit fermé lorsque la pression dans la ligne d'injection est proche de celle pilotant l'ouverture de l'injecteur et ouvert si la pression est plus faible. Le limiteur de débit peut être prévu avec une fuite calibrée à l'état fermé pour permettre une diminution progressive de la pression entre les deux électrovannes lorsqu'elles sont à l'état fermé. La pression baisse donc progressivement par la fuite du limiteur de débit jusqu'à provoquer

l'ouverture de ce dernier et l'écoulement du carburant vers le réservoir.

L'invention a également pour objet un procédé d'injection de carburant dans un moteur à combustion interne à injection directe, dans lequel on commande l'ouverture d'une première électrovanne de façon temporellement décalée par rapport à une deuxième électrovanne disposée en série avec la première, pour permettre l'injection de carburant en provenance d'une pompe d'injection à haute pression seulement

pendant la période d'ouverture simultanée des deux électrovannes.

Dans un mode de réalisation de l'invention, après la fermeture des deux électrovannes, la pression entre les électrovannes chute à une valeur proche de la pression régnant dans le réservoir de carburant du moteur. Dans un mode de réalisation de l'invention, le carburant utilisé comprend au moins 50% de diméthyl-éther, le diméthyl-éther pouvant être additionné de composants améliorant certaines de ses caractéristiques, notamment sa viscosité, sans diminuer de façon pénalisante ses

performances en matière de pollution.

La présente invention sera mieux comprise à l'étude de la

description détaillée d'un mode de réalisation pris à titre d'exemple

nullement limitatif et illustré par les dessins annexés, sur lesquels: la figure 1 est une vue schématique du circuit d'alimentation d'un moteur, selon l'invention; la figure 2 est un diagramme temporel de fonctionnement du circuit d'alimentation de la figure 1, le moteur étant en fonctionnement; la figure 3 est un diagramme similaire à celui de la figure 2, dans le cas d'un arrêt du moteur; et la figure 4 est un diagramme similaire à celui de la figure 2, dans

le cas du démarrage du moteur.

Comme on peut le voir sur la figure 1, le circuit d'alimentation en carburant du moteur comprend un réservoir de carburant 1, dans lequel est immergée une pompe de gavage 2, également appelée pompe basse pression, qui envoie le carburant dans une conduite 3 reliée à une pompe haute pression 4. La pompe haute pression 4 est reliée par une conduite 5 à une rampe d'injection 6. La rampe d'injection 6 est pourvue d'un régulateur 7 avec une conduite 8 de retour au réservoir 1, la conduite 8

étant pourvue d'un clapet anti-retour 9.

A partir de la rampe d'injection 6, s'étendent des systèmes d'injection associés individuellement à chaque cylindre du moteur. Sur la figure 1, quatre de ces systèmes d'injection sont représentés. Seul l'un

d'entre eux sera décrit dans ce qui suit, les autres étant identiques.

A partir de la rampe d'injection 6, s'étend une conduite 10 amenant le carburant à une première électrovanne 11. La sortie de la première électrovanne 1 1 est reliée à une conduite 12 également reliée à l'entrée d'une deuxième électrovanne 13. La sortie de la deuxième électrovanne 13 est reliée à une conduite 14 amenant le carburant à un injecteur mécanique 15 pourvu d'une aiguille mobile 16 dont le

déplacement dépend de la pression fournie à l'injecteur 15.

Un limiteur de débit 17 est relié en entrée à la conduite 12 commune aux électrovannes 11 et 13, et en sortie au réservoir 1 par l'intermédiaire d'une conduite 18 et d'un clapet anti-retour 19. Le clapet anti-retour 19 peut être commun pour tous les limiteurs de débit du circuit d'alimentation. Une conduite 20 de retour au réservoir 1 par l'intermédiaire d'un clapet anti-retour 21 est également reliée à l'injecteur

15.

Une unité de commande électronique 22 est reliée par une ligne 23 à la première électrovanne 11, par une ligne 24 à la deuxième électrovanne 13, par une ligne 25 à la rampe d'injection 6 et par une ligne 26 au régulateur 7. L'unité de commande 22 est prévue pour piloter les temps d'ouverture et de fermeture des première et seconde électrovannes

11 et 13.

Les électrovannes 11 et 13 sont pilotées de façon déphasée, ce qui permet de commander l'injection en les sollicitant à des fréquences nettement inférieures à celles qui seraient nécessaires s'il n'y avait qu'une électrovanne, à savoir une vingtaine de millisecondes entre l'ouverture et la fermeture pour les véhicules industriels et une dizaine de millisecondes pour les véhicules particuliers, avec des temps de commutation

respectivement aux alentours de 150 gs et 80 gs.

Ainsi, la pompe de gavage 2 alimente le circuit d'injection, par

exemple avec du diméthyl-éther, sous une pression supérieure à 10 bars.

La pompe à haute pression 4 comprime ensuite le fluide et vient gaver la rampe d'injection 6 formant un réservoir tampon. La pression dans la rampe d'injection 6 est stabilisée par le régulateur de pression 7 qui peut

être soit piloté par l'unité de commande 22, soit taré à une pression fixe.

Le tarage du limiteur de débit 17 est effectué de sorte qu'il soit fermé lorsque la pression dans la conduite 12 est proche de celle pilotant

l'ouverture de l'injecteur 15 et ouvert si la pression est plus faible.

Lorsque le moteur est en fonctionnement, en prenant comme état de départ la première électrovanne 11 fermée et la seconde électrovanne 13 ouverte, l'injecteur 15 n'est pas alimenté en carburant sous haute pression. Il est donc fermé. La pression dans la conduite 12, dans la conduite 14 et dans l'injecteur 15 est proche de celle du réservoir 1. On se trouve ici à l'étape A de la figure 2. Puis, la première électrovanne 11 passe à l'état ouvert, la pression dans la conduite 12 puis dans la conduite 14, et dans l'injecteur 15 devient rapidement égale à celle de la rampe 6, ce qui a pour effet de fermer le limiteur de débit 17 et de provoquer la levée de

l'aiguille 16 de l'injecteur 15, donc l'injection (étape B).

Puis, à l'étape C, la deuxième électrovanne 13 passe à l'état fermé, la pression d'injecteur chute, ce qui provoque la fermeture de l'aiguille 16 et la fin de l'injection. La pression dans la conduite 12 reste

égale à celle de la rampe 6. Le limiteur de débit 17 est toujours fermé.

A l'étape D, la première électrovanne 1 1 passe à l'état fermé. La pression dans la conduite 12 chute doucement grâce à la fuite calibrée du limiteur de débit 17. Au bout d'un délai déterminé par la fuite calibrée, le limiteur de débit 17 finit par s'ouvrir, ce qui provoque le retour de la

pression dans la conduite 12 à une valeur proche de celle du réservoir 1.

A l'étape E, la deuxième électrovanne passe à l'état ouvert. Le limiteur de débit 17 reste ouvert. La pression dans la conduite 14 et dans l'injecteur 15 diminue rapidement, évitant ainsi les fuites au nez de

l'injecteur.

Lorsque se produit un arrêt du moteur, et suivant leurs états respectifs, la première électrovanne 1 1 se ferme ou reste fermée et la seconde électrovanne 13 s'ouvre ou reste ouverte. Le carburant sous pression présent dans les conduites 12 et 14 et dans l'injecteur 15 s'écoule vers le réservoir 1 par le limiteur de débit 17. Si, sous l'effet de la chaleur venant du moteur encore chaud, le carburant vient à se dilater ou à se vaporiser dans l'injecteur 15, cela a pour effet de créer une augmentation de volume et de pousser le carburant restant vers le réservoir 1. La pression au nez de l'injecteur 15 tombe à la pression de vapeur saturante dans le réservoir 1, ce qui protège les cylindres du moteur des fuites de carburant. Si une fuite demeure, malgré la pression faible d'environ 5 bars, contre 300 bars pour la haute pression, cette fuite s'effectue sous forme gazeuse. De plus, la masse de carburant pouvant fuir est nettement réduite, à isovolume, si le fluide est gazeux. Les conséquences d'une telle

fuite sur le moteur ne sont alors pas préjudiciables.

Comme on le voit sur la figure 3, lorsque les pressions en amont et en aval du clapet anti-retour 19 se sont équilibrées, celui-ci se ferme et

empêche un retour de carburant intempestif.

La figure 4 montre la stratégie de pilotage des électrovannes lors du démarrage du moteur. Dès le lancement du démarreur, la première électrovanne 1 1 s'ouvre et la seconde électrovanne 13 se ferme ou reste fermée. Sous l'effet de l'augmentation de pression générée par la pompe 4, une partie du carburant gazeux restant dans le circuit est refoulée dans le réservoir 1. L'autre partie se recondense dans la conduite 12. Puis, la seconde électrovanne 13 s'ouvre, et le carburant gazeux restant dans l'injecteur 15 est refoulé vers le réservoir 1 par la conduite 20 de retour de l'injecteur. Puis, la deuxième électrovanne 13 se ferme suivie de la première électrovanne 11. La pression dans la rampe d'injection 6 augmente jusqu'à être suffisante pour piloter l'injection, l'unité de commande 22 peut alors commencer le pilotage d'injection. On veillera à ce que cette purge dure un temps suffisamment court pour que la pression de la rampe 6 n'ait pas le temps de monter suffisamment pour fermer le limiteur de débit 17. Cela évite aussi une levée non voulue de l'aiguille 16 de l'injecteur 15, car le limiteur de débit 17 a une pression de fermeture

inférieure à la pression nécessaire à la levée de l'aiguille 16.

On peut utiliser des injecteurs 15 de différents types, à tétons ou

à trous, à simple ou à double levée.

L'invention permet un fonctionnement satisfaisant de l'injection

au démarrage, en marche et à l'arrêt du moteur.

L'invention permet de résoudre le problème des fuites au nez de l'injecteur, qui sont susceptibles d'endommager le moteur, en réduisant la pression résiduelle à une valeur très faible. On utilise deux électrovannes

relativement lentes et donc bon marché.

L'invention ne nécessite pas de composant supplémentaire pour assurer la purge, tels qu'un réservoir additionnel, un canister, un

compresseur ou un doseur, car les électrovannes assurent cette fonction.

Le pilotage des deux électrovannes nécessite une unité de commande électronique dont la vitesse de fonctionnement est inférieure à celle nécessitée par le pilotage d'une électrovanne unique et est donc d'un coût réduit. L'encombrement présenté par le circuit d'alimentation selon l'invention est très faible, ce qui permet son implantation dans les véhicules particuliers. Les composants ne doivent supporter des pressions que de l'ordre de 300 bars à comparer aux pressions couramment utilisées

de l'ordre de 1400 bars pour l'injection de gazole.

L'invention est adaptée à l'utilisation de carburants de substitution au gazole dans des moteurs à cycle diesel à injection directe ou indirecte et peut aussi s'appliquer à des moteurs à essence, par exemple à allumage commandé, à injection dans l'admission d'air, etc. D'autres

carburants, essence, GPL, gazole, peuvent aussi être utilisés.

Claims (9)

REVENDICATIONS

1. Dispositif d'injection de carburant pour moteur à combustion interne à injection directe, caractérisé par le fait qu'il comprend deux électrovannes (11, 13) disposées en série entre une sortie d'une pompe d'injection à haute pression (4) et un injecteur (15), et un moyen de commande (22) des deux électrovannes apte à commander l'ouverture de l'une des deux électrovannes de façon temporellement décalée par rapport à l'ouverture de l'autre électrovanne pour permettre l'injection de carburant seulement pendant la période d'ouverture simultanée des deux électrovannes.

2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que

l'injecteur est mécanique.

3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait qu'il comprend un limiteur de débit (17) en communication avec une portion de conduite (12) disposée entre les deux électrovannes et avec le

réservoir de carburant.

4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé par le fait qu'un clapet anti-retour (19) est disposé entre le limiteur de débit et le

réservoir de carburant.

5. Dispositif selon la revendication 3 ou 4, caractérisé par le fait que le limiteur de débit est apte à être fermé pour une pression proche de celle provoquant l'ouverture de l'injecteur et à être ouvert pour une

pression inférieure à celle provoquant l'ouverture de l'injecteur.

6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 3 à 5,

caractérisé par le fait que le limiteur de débit est prévu avec une fuite

calibrée à l'état fermé.

7. Procédé d'injection de carburant dans un moteur à combustion interne à injection directe, dans lequel on commande l'ouverture d'une première électrovanne de façon temporellement décalée par rapport à une deuxième électrovanne disposée en série avec la première pour permettre l'injection de carburant en provenance d'une pompe d'injection à haute pression seulement pendant la période d'ouverture simultanée des deux électrovannes.

8. Procédé selon la revendication 7, dans lequel, après la fermeture des deux électrovannes, la pression entre les électrovannes chute à une valeur proche de la pression régnant dans le réservoir de

carburant du moteur.

9. Procédé selon la revendication 7 ou 8, dans lequel le carburant comprend au moins 50% de diméthyl-éther.