FR2811710A1 - Procede de fonctionnement d'un moteur diesel - Google Patents

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Abstract

L'invention concerne un proc ed e de fonctionnement de moteur diesel, pour lequel en un cycle d'aspiration (A), un cylindre (1) est rempli par de l'air de combustion (12) et en un cycle de compression (K), subs equent au cycle d'aspiration, l'air de compression (12) est comprim e. Du carburant (15) est alors inject e dans le cylindre (1) et le m elange air-carburant (9) est allum e en un intervalle de temps d'allumage (tz ) situ e près de la fin du cycle de compression (K). La quantit e principale de carburant (N) est inject ee de façon temporellement r epartie en un intervalle de temps d'homog en eisation (H), qui s'achève pendant le cycle de compression (K) et un m elange air-carburant (9) non auto-allumable etant produit. Lors de l'intervalle de temps d'allumage (tz ) suivant, un allumage est effectu e par apport d'une energie d'allumage suppl ementaire (Ez ).

Description

L'invention concerne un procédé de fonctionnement d'un
moteur diesel.
Dans les moteurs diesel modernes, l'amélioration du processus de combustion prend une signification croissante, sachant que celui-ci est soumis à des exigences contradictoires, venant du renforcement des prescriptions de protection de l'environnement. Par exemple l'obtention d'un rendement amélioré et, ainsi, par conséquent, d'une diminution de la consommation de carburant peut être obtenu en augmentant la température de combustion. Une augmentation de l'émission d'oxyde d'azote est ainsi cependant provoquée, ce qui est désavantageux. Outre une amélioration du rendement, on peut également prévoir une épuration des gaz d'échappement, par exemple à l'aide d'un catalyseur. Pour obtenir un effet puissant et durable d'un tel catalyseur, celui-ci cependant doit être par moments soumis à un fonctionnement en épuration, lors duquel le
moteur diesel est exploité dans des conditions sous-
stoechiométriques avec un excès de carburant, à la suite de quoi les proportions de carburant non brûlées des gaz d'échappement sont rebrûlées dans le catalyseur. Du fait de l'augmentation ainsi provoquée de la température du catalyseur, il y a certes, par suite, une combustion libre des résidus et ainsi une régénération du catalyseur, cependant ce processus mène également à une diminution du rendement. Une augmentation d'émission en particules de
suie peut également être provoquée de ce fait.
Par le EP 0 967 380 A2, on connaît un moteur diesel ou pour lequel, pour améliorer la consommation de carburant ou
pour diminuer les émissions de substances nocives, une pré-
injection est brièvement effectuée pendant le cycle d'aspiration. La quantité pré-injectée est d'environ 50 % de la quantité globale de carburant que l'on injecte par cycle. Vers la fin du cycle de compression, l'injection principale s'effectue avec les 50 % restant de la quantité de carburant à injecter. Du fait de la pré-injection, il faut obtenir une amélioration de la formation de mélange et ainsi de ce fait une amélioration du rendement ou de l'émission de substances nocives. Le procédé n'est utilisable que dans le cadre d'une plage de fonctionnement limitée. En particulier il y a risque que la quantité pré- injectée ne soit pas allumée par l'injection principale. Il faut, le cas échéant, pour obtenir la combustion complète du carburant global, effectuer une autre injection, environ
après le point mort supérieur.
L'invention a comme but de perfectionner un procédé de fonctionnement d'un moteur diesel de manière à diminuer l'émission de substances nocives dans une large plage de
fonctionnement et d'améliorer le rendement.
Ce problème est résolu par un procédé comprenant les étapes suivantes: a) en un cycle d'aspiration, un cylindre est rempli par de l'air de combustion; b) en un cycle de compression, subséquent au cycle d'aspiration, l'air de compression est comprimé; c) en un intervalle de temps d'homogénéisation, qui s'achève pendant le cycle de compression, une quantité principale de carburant de la quantité de carburant à brûler est injectée dans le cylindre au moyen d'un injecteur, de façon temporellement répartie, un mélange air-carburant non auto-allumable étant produit; d) lors de l'intervalle de temps d'allumage suivant, un allumage du mélange air-carburant est effectué par
apport d'une énergie d'allumage supplémentaire.
Suivant le procédé selon l'invention il est prévu que la quantité principale de carburant à brûler dans un cycle de travail soit injectée de façon temporellement répartie en un intervalle de temps d'homogénéisation qui s'achève pendant un cycle de compression. Grâce à la distribution temporelle, on évite qu'une partie de la quantité de carburant injectée arrive sur la paroi du cylindre et à cet endroit dilue le film d'huile qui y adhère. Dans l'intervalle de temps d'homogénéisation que l'on a avant l'intervalle de temps d'allumage, il règne dans le cylindre une pression relativement faible; malgré cette faible pression, du fait de la distribution temporelle de l'injection d'homogénéisation jusqu'au cycle de
compression, on peut obtenir la formation d'un mélange air-
carburant très homogène. On peut atteindre de ce fait, d'une part, une amélioration du rendement et une diminution de l'émission des substances solides. D'autre part, la formation de mélange se fait pendant l'injection
d'homogénéisation, de manière à produire un mélange air-
carburant qui ne soit pas auto-allumable. On obtient de ce fait la possibilité d'injecter une quantité de carburant particulièrement élevée nettement supérieure à 50 % de la quantité globale, pendant l'intervalle de temps d'homogénéisation, sans avoir à redouter un auto-allumage
incontrôlé. Pour favoriser la sécurité contre tout auto-
allumage incontrôlé, l'injection d'homogénéisation s'effectue de manière qu'alors pratiquement aucune chaleur ne soit dégagée. Pendant l'intervalle de temps d'allumage subséquent il y a alors un allumage contrôlé du mélange air-carburant par apport d'une énergie d'allumage supplémentaire, faisant que le moment de l'allumage peut être choisi de façon précise en fonction des conditions de fonctionnement qui règnent. L'allumage sûr de la quantité globale se trouve simplifié grâce à l'homogénéité de la formation du mélange de la quantité d'injection principale,
pendant l'intervalle de temps d'homogénéisation.
Selon un mode de réalisation préféré l'énergie d'allumage est apportée de façon électrique par exemple au moyen d'une bougie à étincelle ou à incandescence. Selon un autre mode de réalisation du procédé, l'énergie d'allumage est apportée par injection d'une quantité de carburant d'allumage supplémentaire, par une injection d'allumage faisant qu'on peut atteindre un auto-allumage plus sûr, sans dépenser plus au niveau du dispositif. En particulier ce procédé est applicable pour des moteurs diesel déjà existants, sans avoir à modifier la culasse. L'intervalle de temps d'homogénéisation peut être choisit des conditions de fonctionnement et commence de préférence pendant le cycle d'aspiration. En fonction du type d'injecteur utilisé, il peut s'avérer approprié d'injecter la quantité d'injection principale pendant l'intervalle de temps d'homogénéisation, en le faisant par des quantités d'injection partielles spécifiques. En cas d'utilisation d'un injecteur équipé d'une aiguille d'injecteur à commande directe, il peut s'avérer avantageux de procéder à une injection d'homogénéisation continue. L'injection de carburant se fait alors en particulier dans la zone d'étranglement de siège de l'injecteur, faisant qu'on peut accomplir une profondeur de pénétration du jet qui soit faible. Puisque la profondeur de pénétration du jet est faible, on atténue le risque que le carburant se colle sur les parois du cylindre, de sorte que, globalement, on peut obtenir une bonne homogénéisation du mélange air-carburant,
également dans le cas d'une grande quantité injectée.
Selon un mode de réalisation avantageux du procédé, en un intervalle de temps de pré-injection situé entre l'intervalle de temps d'homogénéisation et l'intervalle de temps d'allumage, on effectue une pré-injection pour laquelle un dégagement de chaleur est effectué sans
allumage du mélange air-carburant. Grâce à cette pré-
injection et grâce au dégagement de chaleur lui étant lié, on peut régler dans le mélange air-carburant un niveau d'énergie qui n'est que légèrement inférieur au besoin énergétique d'un auto-allumage. De ce fait, outre une plus grande maîtrise de l'allumage on obtient également une diminution avantage de l'énergie d'allumage à ajouter
nécessairement pour obtenir l'allumage.
Selon un mode de réalisation avantageux du procédé, une post-injection est effectuée après l'intervalle de
temps d'allumage, de manière à donner un rapport air-
carburant sous-stoechiométrique. On peut de ce fait augmenter en cas de besoin la température dans la chambre de combustion. La formation de suie qui est usuellement provoquée de ce fait est alors atténuée du fait de l'amélioration obtenue lors de la formation du mélange dans l'intervalle de temps d'homogénéisation. Le fonctionnement avec une post-injection peut être utilisé de manière appropriée en rapport avec un recyclage des gaz d'échappement, sachant qu'une partie du flux de gaz d'échappement est fournie à l'air de combustion, avec des proportions de carburant imbrûlé. On peut de ce fait obtenir une diminution de l'émission de l'oxyde d'azote. En outre, la post-injection, peut en cas, de besoin s'effectuer pour nettoyer un catalyseur, sachant que l'augmentation, ainsi provoquée, de la température du catalyseur génère une combustion libre dans celui-ci et, ainsi, contribue à améliorer son efficacité. On évite simultanément d'avoir une expulsion excessive de particules de suie. En fonction des conditions de fonctionnement du moteur diesel, il peut s'avérer approprié de faire cesser en cas de besoin l'injection d'homogénéisation et de faire
fonctionner le moteur diesel de la manière déjà connue.
Des exemples de réalisation de l'invention sont explicitées en détail ciaprès à l'aide du dessin, dans lequel: la figure 1 représente schématiquement un moteur diesel pour application du procédé selon l'invention, la figure 2 est un chronogramme schématique, indiquant une succession des différents intervalles de temps, la figure 3 est un chronogramme schématique indiquant une succession d'injections partielles pendant l'intervalle de temps d'homogénéisation, la figure 4 est une variante de la succession d'injection de la figure 3 avec une injection
d'homogénéisation continue et une pré-
injection, la figure 5 représente une autre variante de la succession des injections, avec une post-injection supplémentaire, la figure 6 est un chronogramme schématique, indiquant
l'apport énergétique effectué dans le cylindre.
Dans la représentation schématique de la figure 1 est représenté un moteur diesel muni d'un cylindre 1 et d'un vilebrequin 2. On maintient dans le cylindre 1 un piston 3 déplaçable en direction longitudinale, qui est relié, par une bielle 6, de façon articulée à un vilebrequin monté en rotation dans le carter de vilebrequin 2. Le vilebrequin 4 est susceptible de tourner autour d'un axe de vilebrequin 5. La mobilité longitudinale du piston 3 est limitée par un point mort supérieur OT et un point mort inférieur UT. Lors du déplacement de descente depuis le point mort supérieur OT vers le point mort UT, le piston 3 effectue un cycle de d'aspiration indiqué par la flèche A et, dans la direction inverse, il effectue un cycle de compression indiqué par la flèche K. Pendant le cycle d'aspiration A, on dirige de l'air de combustion 12 par une conduite d'air neuf 7 dans le cylindre A et on le comprime lors du cycle de compression K subséquent. Au moyen d'un injecteur 8, on injecte du carburant 15 dans le cylindre 1. Les gaz d'échappement 13 produits lors de la production sont évacués au moyen d'une conduite de gaz d'échappement 10 et d'un catalyseur 11 disposé dans la conduite de gaz d'échappement 10. La conduite de gaz d'échappement 10 et la conduite d'air neuf 7 sont reliés par une soupape 14, sachant que, en cas de besoin, une quantité partielle de gaz d'échappement 13 peut être amené à l'aire de combustion 12. Une bougie d'allumage 7 est disposée à proximité de
l'injecteur 8.
Dans le chronogramme de la figure 2 est représenté, en fonction du temps t, un cycle d'aspiration A qui s'achève lors de l'atteinte du point mort inférieur UT. Un cycle de compression K lui fait suite entre le point mort inférieur UT et le point mort supérieur OT. Un intervalle de temps d'homogénéisation tH est prévu, qui commence pendant le cycle d'aspiration A et s'achève pendant le cycle de compression K. Vers la fin du cycle de compression K, dans la zone du point mort supérieur OT est situé un intervalle
de temps d'allumage tz. Un intervalle de temps de pré-
injection tv est aménagé entre l'intervalle de temps d'homogénéisation tH et l'intervalle de temps d'allumage tz. A la suite de l'intervalle de temps d'allumage tz est prévu un intervalle de temps de pré-injection tN. Les intervalles de temps représentés peuvent être placés, à distance les uns des autres ou bien en succession directe les uns les autres. Dans l'exemple de réalisation
représenté ils sont en chevauchement mutuel.
Dans le diagramme représenté schématiquement sur la figure 3, la quantité de carburant M injectée par unité de temps est enregistrée en fonction du temps t. L'injection d'homogénéisation H se fait au moyen d'un injecteur 8 à commutation rapide, en plusieurs injections partielles T, et est répartie sur l'intervalle de temps d'homogénéisation tH. L'injection d'homogénéisation H suit dans l'intervalle de temps d'allumage tz une injection d'allumage Z. La quantité globale M de carburant 15 injectée (figure 1) est alors répartie en la quantité principale MH et la petite
quantité d'injection d'allumage Mz.
Dans la variante représentée sur la figure 4 du procédé, l'injection d'homogénéisation H se fait pendant l'intervalle de temps d'homogénéisation tH de façon continue, au moyen d'un injecteur 8 avec l'aiguille d'injecteur à commande directe. Suite à cela, pendant l'intervalle de temps de pré-injection tv est effectuée une pré-injection V. L'allumage effectué dans l'intervalle de temps d'allumage tz se fait par un actionneur 16 à
fonctionnement électrique, selon la figure 1.
La figure 5 représente encore une variante du procédé pour lequel, après avoir effectué une injection principale H continue, sont effectuées une pré-injection V et une injection d'allumage Z. A distance temporelle de cela est situé un intervalle de temps de post-injection tN à l'intérieur duquel, lors d'une post-injection N, est injectée une quantité de postinjection tN. Pour les autres caractéristiques et caractères de référence, la figure 5 coïncide avec les figures 2 à 4 présentées précédemment. En particulier dans les variantes représentées sur les figures 3 à 5 du procédé, l'injection d'homogénéisation du carburant 15 est effectuée dans le cylindre 1 dans la zone d'étranglement de siège de l'injecteur 8, faisant qu'on obtient une profondeur de pénétration particulièrement
faible du carburant 15.
En plus des exemples de réalisation représentés, d'autres combinaisons de l'injection d'homogénéisation H avec une injection d'allumage Z, une préinjection V ou une post-injection N peuvent encore s'avérer appropriées. La quantité de carburant M à brûler se compose des quantités partielles (MH, Mv, MZ) injectées pendant l'injection d'homogénéisation H et la préinjection V et l'injection d'allumage Z. La quantité de post-injection supplémentaire
MN génère lors de la combustion un rapport d'air sous-
stoechiométrique. Les gaz d'échappement 13 alors constitués sont dirigés, selon la figure 1, par un catalyseur 11 dans le but de l'épurer et peuvent être amenés par une soupape 14 à l'air de combustion 12, dans le but de remplir le
cylindre 1.
Le diagramme schématique représenté sur la figure 6 représente la teneur énergétique E dans le cylindre 1 (figure 1), enregistré en fonction d'un axe des temps t dans la zone du cycle de compression K. Pendant l'intervalle de temps d'homogénéisation tH il n'y a pratiquement pas de dégagement de chaleur dans le mélange air-carburant 9 (figure 1) de sorte que, dans cette plage de temps, la teneur énergétique E est déterminée par l'énergie de compression EK. Le besoin énergétique de l'auto-allumage est caractérisé par la ligne Es. L'énergie de compression E K reste audessous de la ligne Es; le
mélange air-carburant 9 donc n'est pas lui-même allumable.
Dans l'intervalle de temps de pré-injection tv est effectuée une préinjection V (figure 4, figure 5) avec un dégagement de chaleur Ev, faisant que la teneur énergétique E est légèrement inférieure au besoin énergétique pour
l'auto-allumage Es sans que se produise d'auto-allumage.
Dans l'intervalle de temps d'allumage tz est adjoint une énergie d'allumage supplémentaire Ez faisant que la teneur énergétique E est supérieure au besoin énergétique pour l'auto-allumage Es et qu'il se produit à l'allumage du mélange air-carburant 9. L'apport de l'énergie d'allumage Ez peut s'effectuer par une injection d'allumage Z, par exemple selon la figure 5, de façon électrique, selon les figures 1 et 3, ou bien également en une combinaison de ces propositions.

Claims (13)

REVENDICATIONS
1. Procédé de fonctionnement de moteur diesel, comprenant les étapes suivantes: a) en un cycle d'aspiration (A), un cylindre (1) est rempli par de l'air de combustion (12); b) en un cycle de compression (K), subséquent au cycle d'aspiration (A), l'air de compression (12) est comprimé; c) en un intervalle de temps d'homogénéisation (t.), qui s'achève pendant le cycle de compression (K), une quantité principale de carburant (M1) de la quantité (M) de carburant (15) à brûler est injectée dans le cylindre (1) au moyen d'un injecteur (8), de façon temporellement répartie, un mélange air-carburant non auto-allumable étant produit; d) lors de l'intervalle de temps d'allumage(tz) suivant, un allumage du mélange air-carburant (9) est effectué par apport d'une énergie d'allumage (Ez) supplémentaire.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce, lors de l'injection de l'homogénéisation (H), pratiquement aucun dégagement de
chaleur n'est effectué.
3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'énergie d'allumage (Ez) est introduite à l'aide d'un actionneur (16) à fonctionnement électrique.
4. Procédé selon l'une quelconque des revendications
1 à 3,
caractérisé en ce que l'énergie d'allumage (Ez) est introduite par injection d'une quantité de carburant d'allumage (MZ) supplémentaire lors d'une injection
d'allumage (Z).
5. Procédé selon l'une quelconque des revendications
1 à 4,
caractérisé en ce que l'intervalle de temps d'homogénéisation (tH) commence pendant le cycle
d'aspiration (A).
6. Procédé selon l'une quelconque des revendications
1 à 5,
caractérisé en ce que l'injection
d'homogénéisation (H) se fait de façon continue.
7. Procédé selon l'une quelconque des revendications
1 à 5,
caractérisé en ce que l'injection d'homogénéisation (H) s'effectue en plusieurs injections
partielles (T).
8. Procédé selon la revendication 6 ou la revendication 7, caractérisé en ce que, lors de l'injection d'homogénéisation (4), l'apport de carburant (15) dans le cylindre (1) est effectué dans la zone d'étranglement de
siège de l'injecteur (8).
9. Procédé selon l'une quelconque des revendications
1 à 8,
caractérisé en ce que, en un intervalle de temps de pré-injection (tv), situé entre l'intervalle de temps d'homogénéisation (tH) et l'intervalle de temps d'allumage (tz), est effectuée une pré-injection (V) d'une quantité de pré-injection (Mv) de carburant (15), sachant qu'un dégagement de chaleur (Ev) est effectué lors de la
pré-injection (V), sans allumage du mélange air-carburant.
10. Procédé selon l'une quelconque des revendications
1 à 9,
caractérisé en ce qu'après l'intervalle de temps
d'allumage (tz) en un intervalle de temps de post-
injection (tN) est effectuée une post-injection (N) d'une quantité de post-injection (MN) de carburant (15), de
manière à obtenir un rapport air-carburant sous-
stoechiométrique.
11. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que les gaz d'échappement (13) produits par la combustion du carburant (15) sont amenés partiellement à l'air de combustion (12) afin de remplir le
cylindre (1).
12. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que la postinjection (N) s'effectue en cas de besoin pour nettoyer un catalyseur (11) prévu
pour les gaz d'échappement (13).
13. Procédé selon l'une quelconque des revendications
1 à 12,
caractérisé en ce que l'injection
d'homogénéisation (H) est cessée en cas de besoin.
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