FR2948420A1 - Procede de reduction de la consommation et des emissions polluantes d'un moteur froid a allumage commande et a carburant liquide - Google Patents

Abstract

Lors du départ à froid d'un moteur à allumage commandé du carburant se condense sur les parois froides de la chambre de combustion augmentant la consommation et les émissions de carburant imbrulé. L'invention préconise le chauffage de la chambre de combustion (3) de chaque cylindre par l'élément chauffant (18) d'une bougie de préchauffage (1). La température maximale de l'élément chauffant, par une électronique adaptée, est maintenue plus basse avec une marge que la température d'auto-allumage du mélange air/carburant Le flux de chaleur injecté porte les parois de la chambre et le circuit d'admission à une température plus élevée que celle du reste du moteur, permettant au carburant de moins se condenser. L'enrichissement de départ à froid est désactivé partiellement ou totalement et dépend de la température atteinte par les chambres. Les avantages principaux sont une consommation et une pollution réduites. Le dispositif est plus particulièrement destiné à l'automobile.

Description

La présente invention concerne un procédé de réduction de la consommation et des émissions d'hydrocarbures imbrulés d'un moteur froid. Le moteur concerné par l'invention est un moteur thermique à pistons, à allumage commandé et à carburant liquide. Le moteur fonctionne suivant un cycle quatre temps.

Le moteur à allumage commandé est celui dans lequel la combustion interne du mélange air/carburant est déclenchée par une étincelle. Le carburant se présente sous la forme liquide à la température ambiante et à la pression ambiante, pendant l'utilisation. Le moteur peut être alimenté par un carburateur (passé), une injection indirecte essence (présent) ou une injection directe essence (futur possible). L'automobile n'est pas le seul secteur où ce type de moteur est utilisé mais ce secteur sert de support à l'exposé. Le carburant utilisé dans le moteur n'est pas forcément de l'essence. Le mot essence à titre non limitatif selon l'invention, est substitué parfois au mot carburant pour la clarté de l'exposé.

Selon l'Agence de l'Environnement et de la Maîtrise de l'Energie, un moteur à essence pour le premier kilomètre parcouru, consomme de dix à quinze fois plus de carburant qu'à chaud : dix fois en été et quinze fois en hiver. Les causes de cette gabegie sont : -- les lubrifiants sont froids et moins visqueux (pompe à huile) -- le frottement interne est très important (boite à vitesse et moteur) -- le besoin d'accessoires et d'énergie pour conditionner l'habitacle. -- la condensation de l'essence sur les parois -- la mauvaise homogénéisation du mélange -- le rendement de combustion moins bon, -- le film de carburant se déposant, à l'admission avant la soupape -- le carburant en surplus pour le cycle moteur suivant. Un départ à froid entraîne une pollution de l'air et de l'environnement par les hydrocarbures imbrulés hautement cancérigènes : le benzène présent dans le super carburant provoque des leucémies. Les catalyseurs des pots d'échappement ne sont pas actifs au démarrage à froid. Le carburant imbrulé interagit avec l'huile de lubrification. L'essence liquide se trouvant sur les parois des cylindres dissout le film d'huile protecteur. De l'essence imbrulée raclée par les segments du piston, va se mélanger avec l'huile moteur et modifier les caractéristiques de ce lubrifiant.

Ces mauvaises conditions de combustion entrainent un rejet plus important de gaz carbonique. Ces inconvénients disparaissent si le moteur est chaud par exemple : température du liquide de refroidissement supérieure à 60 °C. Dans la conception d'un moteur, tout est fait pour que la montée en température soit rapide.

Le cycle d'essai Européen de mesure de la consommation et des rejets polluants en cycle urbain, débute par un départ à froid , suivi par des périodes de moteur au ralenti et de moments où le véhicule décélère. Selon la définition du départ à froid, par la norme, le moteur doit avoir atteint une température d'équilibre entre 20°C et 30°C soit 25°C. Cette température de départ à froid qui sert à évaluer la consommation des automobiles, n'est pas assez basse pour être représentative. En effet les températures d'ébullition du carburant essence qui est un mélange s'étalent de 25°C à 200°C. En dessous de 25°C sous la pression atmosphérique, tous les corps purs constituant l'essence sont en phase liquide et donc que le phénomène de condensation sera bien plus important. La surconsommation atteint déjà 80% en plus par rapport à la mesure en cycle extra urbain (sans départ à froid ) pour une grosse cylindrée. Quel consommation supplémentaire doit-on encore rajouter à des températures inférieures à 25°C, sachant que les propriétés de l'essence basculent ? Le cycle urbain n'est pas représentatif des micros trajets effectués par l'automobile. Un trajet sur quatre est inférieur à un kilomètre, un trajet sur deux à trois kilomètres. Quand un véhicule effectue des trajets cours, on peut penser que le nombre de démarrage à froid pour un même plein de carburant sont très nombreux et cela réduit d'autant l'autonomie du véhicule. Quels sont les dispositifs ou les évolutions des moteurs qui prennent en compte ou qui essayent de prendre en compte le problème posé ? Le moteur à injection indirecte d'essence constitue un premier progrès, par rapport aux moteurs à carburateur équipés d'un starter, calibrant mieux l'essence injectée lors d'un démarrage à froid. Une évolution moderne des moteurs tend vers une injection directe d'essence dans la chambre de combustion comme pour les moteurs diesel. Dans un moteur diesel, un peu avant que le piston ait atteint le PMH (point mort haut) en fin de compression, on injecte le gasoil qui dans ces conditions s'auto-enflamme. Comme l'atteste les bilans de consommation en cycle urbain, le moteur diesel ne surconsomme pas lors des démarrages à froid, car le carburant est injecté dans l'air chaud en fin de compression et surchauffé avant de brûler. Au contraire dans un moteur classique à essence (carburateur, injection indirecte) le mélange homogène air/carburant froid est admis dans le cylindre froid et ensuite comprimé. Dans un mode d'injection directe essence, l'injection d'essence se fait pendant l'admission, vers un évasement dans le piston qui réoriente le flux vers le haut du cylindre et ensuite l'émulsion est enflammée par la bougie d'allumage. Dans ce mode d'injection directe essence, il est certain que les gouttelettes d'essences se condensent sur les parties froides de la chambre de combustion. Ce mode d'injection directe d'essence permet de s'affranchir de la condensation de l'essence dans le circuit d'admission.

L'efficacité de l'injection directe essence dépend du moment de l'injection durant la phase de compression. Si l'injection est tardive alors l'air dans lequel l'essence est pulvérisée est chaud. L'utilisation de charges stratifiées dans un moteur à injection directe essence, permet de réduire la quantité de carburant nécessaire à la combustion, ce qui entraine une baisse de la consommation. Cependant, l'injection directe essence pose des problèmes de pollution. Comme pour les moteurs diesel, ces moteurs produisent des particules cancérigènes à cause des différences de tailles de gouttelettes injectées. En effet les plus grosses gouttelettes présentent dans le cylindre n'ont pas le temps de s'évaporer et ne sont pas complètement brulées.

Un procédé concerne la taille des gouttelettes d'essence vaporisée par l'injecteur. On augmente la pression de l'injection pour pulvériser des gouttelettes plus fines. La diminution de la cylindrée des petites citadines assure une montée en température plus rapide du moteur. La condensation dans le circuit d'admission est réduite par le réchauffage du collecteur d'admission par des brides de chauffage (résistance chauffante). La mise en oeuvre de pot catalytique pour brûler les vapeurs d'essence, fonctionne seulement quand le catalyseur commence à être chaud. Des dispositifs brevetés tentent de corriger les inconvénients des départs à froid : -1-Réservoir conservant une partie du liquide de refroidissement à une température élevée, que l'on injecte avant le démarrage, dans le circuit de refroidissement pour réchauffer le moteur : Brevet français FR 2905731 procédé et dispositif pour préchauffer le moteur à combustion interne d'un véhicule automobile Le dispositif est efficace mais complexe : réalisation d'un réservoir adiabatique pour conserver au chaud un volume de liquide de refroidissement. -2- Préchauffage de l'air admis : Brevet US 5 908 021. Le dispositif est peu complexe. Il n'empêche pas une condensation sur les parois à l'intérieur du cylindre. L'injection d'un mélange trop chaud dans le cylindre entraine un mauvais taux de remplissage et une perte de puissance. -3- Chauffage par le secteur du liquide refroidissement du bloc moteur par effet joule : Brevet US 4 591 691. Le troisième dispositif nécessite d'être proche d'une installation fixe. -4- Chauffage de l'essence : Brevet US 4 015 567. Le dispositif n'empêche pas une condensation de l'essence sur les parois froides des cylindres et peut entrainer un phénomène de vapor lock .

La solution au problème selon l'invention est le chauffage de la (ou les) chambre(s) de combustion avant un démarrage. Les moteurs à essence possèdent deux principaux modes de refroidissement : le refroidissement par air et le refroidissement par liquide. Les véhicules automobiles modernes ne sont plus refroidit par air. Pour les moteurs à refroidissement par air, un chauffage de la chambre de combustion est relativement plus facile à mettre en oeuvre par rapport aux moteurs à refroidissement par liquide. Dans le refroidissement par liquide, un grand volume de liquide est en contact avec le bloc moteur. Un circuit de liquide refroidissement entoure chaque cylindre. La culasse est aussi traversée par un circuit. Quand le moteur est froid, une thermo valve scinde en deux le circuit de refroidissement pour réaliser un petit circuit de refroidissement afin de diminuer le volume de liquide à chauffer par les cylindres à froid. Le réchauffement du liquide de refroidissement, même limité au petit circuit, est irréaliste à partir de la batterie d'un véhicule car trop énergivore.

Dans le dimensionnement de refroidissement d'un moteur, il est rationnel de refroidir les parois du cylindre d'un moteur à condition de ne pas le faire trop énergiquement. L'expérience montre qu'il est intéressant pendant le fonctionnement du moteur de maintenir les parois autour de 140°C à pour l'intérieur des chemises et autour de 180°C à 280°C pour la culasse alors que le liquide de refroidissement est à 104°C. En dynamique, la température des parois de la chambre combustion est supérieure à celle du liquide de refroidissement. Pour la conception des moteurs on a prévu que l'évacuation de la chaleur de combustion par le liquide de refroidissement présent sur la face externe des chemises, ne soit pas totale. Les canalisations du liquide de refroidissement sont assez éloignées de ou des soupapes d'admission, car ces dernières profitent moins que les soupapes d'échappement, du passage des gaz de combustion surchauffés pendant le cycle d'échappement. La différence de température entre la face interne des chemises et la face externe des soupapes est d'autant plus grande que la quantité de chaleur produite à l'intérieur de la chambre de combustion est importante. Le liquide de refroidissement quand le moteur est en régime de croisière, emporte avec lui le surplus de chaleur que l'on a décidé d'évacuer du moteur, la pompe à eau fait circuler le liquide. Dans un moteur à quatre cylindres de 1200cm3, la chaleur fournie par la combustion du mélange air/carburant pour un cycle dans un cylindre de 300 cm3 est d'environ 900 joules. A une puissance moyenne du moteur correspondant à 2500 tr/mn, est produite une quantité de chaleur de 900x2500/120 = 18750 joules par seconde. L'évacuation par le liquide de refroidissement représente 15% de ces calories soit 2812 joules. L'important n'est pas que l'ensemble du moteur soit chaud mais que le mélange arrivant dans la chambre de combustion rencontre des parois chaudes, une culasse chaude, un piston chaud, un circuit d'admission chaud. Si on prend comme élément chauffant, le crayon d'une bougie de préchauffage alimentée par 12 V et consommant 30A, elle fournit une énergie calorique égale à 320 joules/s, neuf fois moins que la chaleur évacuée par cylindre quand le moteur tourne. Mais le moteur ne tourne pas, la pompe à eau ne fait pas circuler le liquide et les calories ne s'évacuent pas autant. La masse du liquide est immobile, il y a juste des mouvements de convexion dans le liquide de refroidissement qui entrent en jeu. D'autre part l'évacuation maximale de chaleur aura lieu si le piston à l'arrêt se trouve au PMB (point mort bas), c'est-à-dire si la totalité des parois de la chemise est en contact avec l'air chauffé. Le chauffage du piston peut avoir un effet cumulatif si on chauffe plusieurs secondes l'air à son contact, les segments du piston bien qu'étant bon conducteur de la chaleur ne restitue l'intégralité de la chaleur à la chemise. On s'aperçoit ici que la puissance disponible avec une batterie de tension nominale 12 V est limitée car avec 30A, on n'obtient que 320joules/s. Si on utilise une batterie de 24V avec 30A on obtient une puissance instantanée de 640 joules/s plus en adéquation avec la puissance relative au problème posé et surtout si la cylindrée est importante. La différence de température entre les parois interne et le liquide de refroidissement peut être évaluée par calcul. Avec une puissance de l'élément de chauffe de 600 W par cylindre pour un moteur à quatre pistons de 1200 cm3 au bout de trois secondes on obtient une température de 16°C supérieure au liquide de refroidissement, pour les parois internes des cylindres. Si la température ambiante est de 15°C, que la température du moteur initiale est de 15°C alors la température interne de la chambre de combustion sera de 31 °C. Le processus de combustion interne du moteur, fortement exothermique, dès après les toutes premières secondes ou quelques dizaines de cycles moteurs prendra le relais et fournira aisément les calories (en surplus) pour continuer à chauffer la chambre de combustion, le mélange air/carburant admis. Une partie des gaz d'échappement (gaz brulés résiduels) très chauds, à la fin de chaque cycle d'échappement demeure dans la chambre de combustion et participe au maintient de la température d'un cycle moteur au prochain cycle moteur . Le liquide de refroidissement froid prélève malheureusement aussi les calories pourtant précieuses au maintient de la chambre de combustion en température. Le circuit de refroidissement possède pour notre problème une action nuisible. Une fois le moteur devenu chaud, le rôle du circuit de refroidissement devient nominal : l'évacuation des calories en excès produites par le moteur. Il s'agit maintenant de chauffer l'ensemble des éléments de la chambre de combustion : culasse, soupapes, chambre de combustion, piston. Le chauffage d'une partie seulement de ces éléments provoquerait des contraintes thermiques préjudiciables à la tenue des pièces (déformation des pièces, problème d'étanchéité du joint de culasse). La seule manière d'avoir un chauffage homogène est de chauffer le volume contenu dans le cylindre entre la culasse et le piston. Ce volume peut varier car la position du piston à l'arrêt du moteur est aléatoire. Si le piston est au PMH (point mort haut) alors le volume sera le volume résiduel et donc minimal. Si le piston est au PMB (point mort bas) le volume sera le volume de la chambre de combustion plus le volume résiduel. Le piston peut être au milieu ces deux points. Les segments du piston conduisent efficacement la chaleur et tout le volume devrait atteindre une température homogène. Le piston peut masquer la majeure partie de la chemise et empêcher le réchauffage de cette partie par l'air. Pour un moteur à quatre cylindres, la position relative des pistons est liée et vont par deux. Le chauffage de l'air dans le volume, aura pour conséquence que un volume résiduel d'air très chaud va se mélanger avec le mélange admis et augmenter la température de départ avant compression et donc de faciliter l'homogénéité du mélange air/carburant. Le chauffage de l'air peut être entrepris par un élément de chauffage qui sera en contact avec l'air de la chambre de combustion. Pour le moteur à essence (sauf injection directe) le mélange air / essence est homogène dans tout le cylindre et l'élément chauffant est donc forcément en contact avec ce mélange pendant les cycles d'admission et de compression. La température d'auto-inflammation du super à haut indice d'octane 98 est 1000°C. Les températures atteintes par la pointe d'une bougie d'allumage dans la chambre de combustion sont de l'ordre de 870 à 925 °C. C'est la combustion du mélange air-carburant qui fournit à la bougie cette température. La bougie dissipe ensuite une partie de cette chaleur dans son culot. Si la température est élevée en fm de compression dans la chambre de combustion, il est quand même nécessaire d'apporter un surplus de chaleur avec l'étincelle pour faire brûler le mélange air- carburant. Un constructeur de bougie donne une température de 850°C comme température maximale de la bougie et afin d'éviter la zone d'auto-allumage. Dans un exemple non limitatif selon l'invention on pourrait fixer à 850°C, la température maximale de l'élément chauffant. Pour du super à indice d'octane 95 il faudra fixer la température maximale de la 25 même manière que plus haut, en tenant compte que de la température d'auto-inflammation de ce carburant est plus basse que le super 98. Quand le moteur est à injection directe, et si le mélange n'est pas homogène, on peut dans ce cas fixer aussi à titre non limitatif selon l'invention 850°C pour le super 98 (et moins pour le super 95) comme température maximale de l'élément 30 chauffant. Le réchauffage de la chambre de combustion aide l'essence à se vaporiser et diminue le rejet de particules imbrulées. L'élément chauffant que l'on peut compter utiliser fonctionne sur le même principe que les bougies de préchauffage classiquement utilisé dans les moteurs diesel. Ces différents modèles de bougie de préchauffage utilisent l'effet joule 35 généré par le passage d'un courant dans une résistance ; la batterie du véhicule fournissant le courant. Une bougie de préchauffage est munie d'un filament de chauffage enfermé dans le crayon qui forme l'élément chauffant de forme cylindrique. Ce filament constitue l'élément résistant. La bobine résistante située à la pointe constitue l'élément de 40 chauffe. La résistance de chauffage n'est pas directement exposée à la combustion qui se produit dans le cylindre. Le crayon incandescent assure la protection du filament de chauffe contre le carbone produit par la combustion. Nous allons montrer que des bougies de préchauffage existantes pour moteur diesel sont utilisables mais sous certaines conditions.

Le choix d'un type de bougies de préchauffage est déterminé par la température maximale atteinte par l'élément chauffant. Il existe deux types principaux de bougies de préchauffage : ---- métalliques: métalliques standards, métalliques à montée en température rapide : bougie de type QGS (quick glow system), autorégulées. céramiques : céramique standard, autorégulées. Les bougies autorégulées pour moteur diesel conçues actuellement dépassent le seuil de température critique, la température atteint 1050°C voire même 1300°C. Les bougies métalliques standard ont une montée en température trop lente : de 20 à 30 secondes pour atteindre 900°C avant le lancement du moteur.

Il reste les bougies métalliques de type QGS ou céramique non autorégulées. Ces deux types de bougies possibles nécessitent un dispositif de contrôle externe. Les bougies métalliques à montée en température rapide non autorégulée (type QGS) présente une courbe de montée en température connue dans laquelle la résistance augmente avec la température. La température de 850°C est précisément atteinte 3 secondes après la mise sous tension selon le type de bougie, ensuite un dispositif externe effectue la régulation de l'alimentation de manière à ce que la température du crayon de la bougie de préchauffage se maintienne autour de 850°C. Nous allons détailler à titre non limitatif selon l'invention, un système de contrôle de température pour une bougie de préchauffage de type métallique non autorégulées ou à coefficient de température positif. Ces bougies présentent une courbe de montée en température dans laquelle la résistance varie avec la température. Au départ, la résistance est faible pour laisser passer le maximum de courant. Différents systèmes existants permettent de contrôler la température de l'élément chauffant d'une bougie de préchauffage, pendant le préchauffage et/ou le post chauffage ou même pendant les phases de ralenti pour les véhicules diesel. Il est en effet tout à fait possible de réguler plus ou moins précisément la température du crayon de la bougie de préchauffage qui va se retrouver à l'intérieur de la chambre de combustion. Ce dispositif de pilotage pour bougie de préchauffage/post chauffage et pour un moteur à allumage commandé à l'instar des dispositifs existant pour les moteurs diesel peut intégrer aussi les informations en provenance de capteurs en provenance du moteur : capteur de température moteur, capteur de température ambiante, capteur de régime de ralenti, et des signaux en provenance du contacteur de la clé de contact (activation du contact et du démarreur) et aussi actionner un témoin de préchauffage à destination du conducteur.

L'endroit où placer l'élément chauffant est que la partie chauffante débouche dans le volume résiduel de la chambre de combustion. L'élément chauffant traverse la culasse. L'élément chauffant est placé à proximité de ou des soupapes d'admission : exemple non limitatif. Les soupapes d'échappement s'échauffent dès les premiers cycles avec l'expulsion des gaz brulés. Le mélange entrant par la ou les soupapes d'admission, si celle-ci est plus chaude alors la condensation d'essence sera d'autant limitée. La fixation des bougies de préchauffage est effectuée par vissage dans un orifice fileté de la culasse.

La taille réduite des bougies de préchauffage permet notamment de l'insérer dans une chambre de combustion avec injection directe. Dans ce cas dans la chambre de combustion débouchera, la bougie d'allumage, la bougie de préchauffage, l'injecteur, la soupape d'admission, la soupape d'échappement. La taille de ces bougies permet d'envisager un dispositif selon l'invention avec des chambres à combustion avec plusieurs soupapes d'admission (et/ou) d'échappement (et/ou) avec plusieurs bougies d'allumage. Quand un moteur à injection indirecte (qui ne dispose pas du dispositif selon l'invention), pendant la phase de démarrage, pour compenser la condensation de l'essence sur les parois froides de la chambre de combustion, un volume supplémentaire de carburant est injecté momentanément en fonction de la température du moteur. Ce processus est appelé enrichissement de départ à froid. Cet enrichissement de départ à froid est effectué par un thermo contact temporisé et un injecteur de départ à froid. Le thermo contact temporisé est ouvert lorsque la température est supérieure à 35°C.

Une variante, sans injecteur de départ à froid ou injection directe, l'appareil de commande électronique, informé du démarrage à froid par le contacteur et la sonde de température, actionne un temps d'injection plus long. La durée de mise en circuit du thermo contact temporisé dépend de la température de réchauffage du thermo contact temporisé par la chaleur du moteur et par l'élément chauffant électrique incorporé au thermo contact temporisé. Lors d'un départ à froid c'est le chauffage électrique qui est prépondérant pour déterminer la durée de la mise en contact (8 secondes pour -20°C et 2s à 20°C). Ensuite advient la phase de réchauffage. Une première phase d'environ 30 secondes appelée enrichissement de post démarrage intervient. Selon la température on crée un sur débit d'enrichissement de 30% à 60%. Lorsque cette phase est terminée le moteur a besoin d'un léger enrichissement dont la régulation dépend de la température du moteur. L'information sur la température du moteur est donnée par la sonde de température. Quand un moteur est équipé du dispositif de chauffage selon l'invention, le procédé selon l'invention entrain que le dispositif d'enrichissement du mélange air/carburant au démarrage soit désactivé partiellement ou complètement. En effet la température de la chambre de combustion est plus élevée que la température du moteur : dans l'exemple cité plus haut on obtient une température de 16°C supérieure. Le thermo contact temporisé caractérisant un moteur froid devrait s'ouvrir pour une température de 19°C et l'injecteur de départ à froid devrait être activé que pour une température inférieure à 19°C au lieu de 35°C et pour une durée inférieure (2s à 4°C). En ce qui concerne la phase de réchauffage la température du moteur à prendre en compte pour la régulation de l'enrichissement est supérieure de 16°C à la température donnée par la sonde de température moteur. La phase de post chauffage doit durer dans les environ de 30 secondes. L'enrichissement pour la deuxième phase s'interrompra comme auparavant quand la température du régime de croisière sera atteinte. Pour une motorisation sans injecteur de départ à froid ou à injection directe, l'appareil de commande électronique des injecteurs, informé du démarrage à froid par le contacteur et la sonde de température, actionne un temps d'injection plus long. Quand le moteur est équipé du dispositif de chauffage selon l'invention, l'appareil doit minorer le temps d'injection supplémentaire en tenant compte que la température de la sonde de température doit être majorée. Le contacteur de démarrage à froid est activé pour une température plus basse.

Toutes ces corrections sont à faire soit dans le programme du microprocesseur ou microcontrôleur de la carte de régulation qui gère d'injection de carburant, c'est-à-dire tenir compte que la température interne de la chambre de combustion après chauffage est supérieure à celle du reste du moteur . L'ancien paramètre de température moteur était fourni par la sonde de température du moteur. Il faut majorer cette température dans le programme par un delta à déterminer pour chaque moteur ainsi équipé. Ce delta de température à mesurer ou à estimer, correspond à la différence entre la température atteinte par les parois de la chambre de combustion chauffée et la température du liquide de refroidissement mesurée par la sonde. Pour un modèle équipé d'un carburateur alors c'est le dispositif de démarrage à froid (starter) qui est désactivé partiellement ou complètement par réglage. Le thermo contact temporisé qui caractérise un moteur froid doit se déclencher pour une température à déterminer. Sur un moteur donné la température t déclenchait auparavant sa mise en route ; Après équipement avec un dispositif de chauffage selon l'invention alors le thermo contact temporisé devra se déclencher pour une température de t moins le delta de température (à mesurer ou à estimer pour le dimensionnement) entre la température atteinte par les parois de la chambre de combustion chauffée et la température du liquide de refroidissement. Ces modifications entrainent une baisse de la consommation de carburant. L'invention améliore la combustion et le rendement du moteur dans ses phases 40 critiques de fonctionnement et donc diminue la production de gaz carbonique CO2.

Les moteurs utilisant des carburants déjà à l'état de gaz (butane) à la température ambiante d'utilisation du moteur ne sont pas concernés par l'invention. Le carburant peut être un bio carburant par exemple du Superéthanol E85 contenant 85% d'éthanol, 15% d'essence. Son indice d'octane est 104. C'est un équivalent et pas une concentration, qui donne l'aptitude d'un carburant à l'auto-inflammation. Plus cet indice est haut et plus la zone d'auto-inflammation est plus haute en température pour une même compression. Les démarrages à froid sont plus difficiles qu'avec l'essence car le carburant E85 possède une chaleur latente trois fois supérieure. Le E85 absorbe trois fois plus de chaleur dans le cylindre pour se vaporiser que l'essence ce qui entrain un rendement amélioré mais augmente la condensation dans la chambre et le circuit d'admission pendant le départ à froid. Des problèmes de stabilité de ralenti sont aussi constatés même à chaud car au ralenti la chambre de combustion est à une température beaucoup plus basse. La présence de bougie de préchauffage dans un cylindre permet de mesurer un nouveau paramètre de la combustion : la température à l'intérieur du cylindre pendant toutes les phases de régime du moteur. Ce paramètre peut constituer un nouvel élément disponible utile pour un meilleur dosage de l'injection. Si la température du cylindre pendant une phase de ralenti est mesurée en dessous de 450°C (au ralenti) alors on peut déclencher un chauffage du cylindre (ou des cylindres) qui permettra de mieux maintenir le régime de ralenti ou de baisser son nombre de tours par minute et donc de diminuer la consommation. La température d'auto-inflammation du Superéthanol ou d'un autre carburant déterminera de la même manière que pour le super carburant dans l'exposé la température limite à ne pas dépasser par l'élément chauffant en se donnant une marge. On constate ici que le procédé selon l'invention améliore sensiblement le fonctionnement d'un moteur qui consomme un carburant à forte chaleur latente à titre non limitatif selon l'invention par exemple un mélange d'éthanol et d'essence. L'invention améliore la combustion et le rendement du moteur dans ses phases critiques de fonctionnement et donc diminue la production de gaz carbonique. Le moteur peut comporter un ou plusieurs cylindres et autant de chambres de combustions. Les différentes figures illustrent l'invention Le moteur représenté est un moteur à injection indirecte.

La figure 1 représente une chambre de combustion selon l'invention en coupe. Le crayon chauffant (18) de la bougie de préchauffage (1) se trouve dans le volume de la chambre de combustion (3). De la même manière l'extrémité de la bougie d'allumage (2) débouche dans ce volume. Le crayon chauffant (18) de la bougie de préchauffage ne touche aucun élément solide et est en contact uniquement avec le volume libre de la chambre de combustion.

La chambre de combustion est limitée vers le haut par une concavité appartenant au bloc culasse en forme de toit. Ce toit contient deux plans qui se rejoignent au dessus du cylindre de la chemise. La culasse est assemblée avec le bloc chemise avec un joint de culasse (16).

Le toit est constitué par deux plans inclinés : ---- Un premier plan est traversé par la bougie de préchauffage et nommé plan d'admission (12) puisque la soupape d'admission le traverse. Un deuxième plan traversé par la bougie d'allumage et nommé plan d'échappement (13) puisque la soupape d'échappement le traverse.

La chambre de combustion est limitée par le bas par le piston 4 et sur les bords par la paroi de la chemise (42). La bougie de préchauffage est vissée par le filetage (22). La bougie d'allumage est vissée par le filetage (21). La figure 2 représente une vue de dessus du toit, ses deux plans inclinés se rejoignent par la ligne d'intersection (20): Le plan d'admission (12) dans lequel se trouve la soupape d'admission (5) est traversé par la bougie de préchauffage. Le plan d'échappement (13) dans lequel se trouve la soupape d'échappement légèrement plus petite que celle d'admission est traversé par la bougie d'allumage. La proximité de la bougie de préchauffage avec la soupape d'admission permet de réchauffer en priorité cet endroit par conduction thermique et par convexion.

La figure 3 est une vue en coupe de la chemise (17) et de la culasse (10) de la chambre de combustion (3) d'un cylindre d'un moteur (9) à allumage commandé et à refroidissement par liquide de refroidissement (11) équipé d'une bougie de préchauffage (1) selon l'invention. L'agencement des différents éléments de la chambre de combustion est plus aisé à comprendre sur cette figure.

La chambre de combustion est le volume encadré par : le piston (4) au point mort haut, le plan d'échappement, le plan d'admission, la soupape d'échappement (6), la soupape d'admission (5), le joint de culasse (16), la bougie d'allumage (2), la bougie de préchauffage (1) ; si le piston n'est pas au PMH alors il est nécessaire rajouter une partie des parois de la chemise (17) pour encadrer le volume.

La bougie de préchauffage (1) est représentée au premier plan car elle se trouve devant. La soupape d'admission (5). La bougie d'allumage (2) est représentée en pointillée car elle se trouve derrière la soupape d'échappement (6). Ces deux bougies sont vissées dans la culasse (10). Le conduit d'admission (7) et le conduit d'échappement (8) sont présents sur la figure ainsi que l'arbre à came (14) et les cames (15), les culbuteurs (41) .pour montrer que la réalisation d'un tel moteur avec une bougie de préchauffage par cylindre est possible et que les fonctions telles que le coulissement des soupapes n'est pas entravé. Le dispositif d'injection de carburant n'est pas représenté (débouchant plus en amont dans l'admission).

La figure 4 décrit l'anatomie d'une bougie de préchauffage métallique. La bougie de préchauffage est muni d'un filament de chauffage (36) enfermé dans un crayon cylindrique (18), isolé par une poudre isolante (37), ce crayon (18) forme l'élément chauffant et est fabriqué en alliage métallique léger et thermorésistant .La bougie de préchauffage est constitué par une électrode centrale (35) transmettant le courant, un corps métallique (38) portant un filetage (22), un connecteur électrique (40) et une bague isolante (39). La figure 5 représente le schéma électronique d'un dispositif de contrôle minimal permettant la gestion des quatre bougies de préchauffage métalliques destinées à un moteur quatre cylindres. à allumage commandé. Ce dispositif de contrôle pour bougie de préchauffage (1) est constitué par : ----une carte de régulation (23) à microcontrôleur (28) ----un thermo contact (25) de température de liquide de refroidissement (ou du moteur dans le cas d'un refroidissement à air). Le thermo contact reste fermé si la température du liquide de refroidissement (ou du moteur dans le cas d'un refroidissement à air) est en dessous de 60°C. ---- un voyant témoin de préchauffage (11). Le thermo contact est monté de telle façon qu'il soit en contact avec le liquide de refroidissement qui le réchauffe. La température de 60°C est donnée à titre indicatif et non à titre limitatif selon l'invention. La carte de régulation intègre un microcontrôleur (28) avec son environnement fonctionnel, alimentation ; régulateur de tension (31). La carte de régulation possède des entrées isolées par photo coupleurs (32) : signal en provenance du contacteur de la clef de contact indiquant que le démarreur est lancé, signal en provenance du contacteur de la clef de contact indiquant que la clef de contact a été tournée, signal en provenance du thermo contact et des sorties: actionnement du témoin de préchauffage(27) isolé par un photo coupleur, sorties pilotage des bougies de préchauffage (1). La régulation de température est effectuée à l'intérieur de la carte de régulation.

Elle est réalisée avec quatre dispositifs identiques afin d'avoir une régulation de température indépendante pour chaque bougie à titre non limitatif selon l'invention. Chaque dispositif est basé pour la chaîne directe sur la commande ON/OFF de l'alimentation de la bougie de préchauffage et pour la boucle de retour, une tension proportionnelle à la valeur de la résistance de la bougie de préchauffage, cette valeur correspondant à une température. Cette résistance possède un coefficient de température positif et la résistance de la bougie augmente avec la température. Pour le système de contrôle il suffit de prédéterminer la correspondance courbe résistance! température de la bougie de préchauffage. La valeur ohmique correspondant à la température de 850°C sert de valeur de référence ou consigne.

Le pilotage de chaque bougie de préchauffage est effectué par un dispositif de commutation de puissance à semi-conducteur afin d'obtenir des vitesses de commutations élevées avec un transistor de type MOS canal N (30). Afm d'obtenir les vitesses de commutation les plus rapides on utilise un circuit driver de MOS (29) qui permet de délivrer rapidement les courants de commutation nécessaire en rapport à la capacité d'entrée du transistor de puissance MOS. Pendant une durée de 5 ms, la tension batterie (moins la négligeable chute de tension à travers le MOS (0,0060)) est commutée vers la bougie de préchauffage. Pendant une durée de 150 s, la tension batterie est coupée à la bougie de préchauffage et la mesure est effectuée en commutant une source de tension régulée présente à la sortie du Darlington (33) et à la résistance RI . La tension au milieu du pont diviseur représenté par Rl et la résistance de la bougie de préchauffage est proportionnelle à la valeur ohmique X instantanée de la bougie de préchauffage. Cette tension est comparée à une tension prédéterminée telle que R10/Rl 1 = X/R1. Tant que la tension est inférieure, le dispositif de commutation de puissance fournit (par l'intermédiaire microcontrôleur (28)) de l'énergie électrique à la bougie permettant une élévation constante de température et de la résistance. Si la tension devient supérieure alors le dispositif de commutation de puissance coupe la fourniture d'énergie à la bougie de préchauffage et la température s'abaisse (sauf si la combustion du mélange dans la chambre fournit un apport calorique externe au crayon de la bougie) ce qui entrain une baisse de la résistance et donc de la tension au borne du comparateur, ce qui a pour effet le passage du seuil du comparateur dans l'autre sens et le dispositif de commutation est de nouveau activé. Ainsi on a obtenu avec ce dispositif externe un asservissement de la température de l'élément chauffant de la bougie de préchauffage qui est dans la chambre de combustion. Le mécanisme de régulation doit être répliqué pour chaque bougie de préchauffage et être intégré dans un dispositif complet de pilotage. La carte de régulation intègre un microcontrôleur (28) avec son environnement fonctionnel, alimentation : régulateur de tension (33), horloge quartz non représenté ici. Cette carte de régulation effectue la gestion du départ à froid grâce à un programme de gestion suivant les chronogrammes des figures 6 et 7. Les figures 6A 6B 6C 6D expliquent comment la carte de régulation effectue la régulation de température pour chaque bougie. La figure 6A décrit la variation de la résistance de l'élément chauffant avec la 35 température. La figure 6B le courant l'évolution du courant fourni par la carte de régulation. Dans la phase initiale le courant est limité par la résistance de l'élément chauffant qui augmente avec sa température et par la tension de la batterie .quand la température de 850°C est atteinte, la carte de régulation coupe le courant de la batterie à l'élément 40 chauffant.

La figure 6C décrit l'évolution de la tension V au connecteur électrique (FIG 4-40) de chaque bougie de préchauffage. La figure 6D représente l'évolution de la température T d'une bougie de préchauffage. La température de la bougie de préchauffage passe d'une température TO de départ du moteur à la température de 850°C en trois secondes Ensuite la température de 850°C du crayon chauffant de la bougie est maintenue mais dans les limites de la régulation réalisée par la carte de régulation. Les figures 7A 7B 7C 7D 7E représentent le chronogramme de fonctionnement de la carte de régulation (voir figure 5) afin de gérer un départ à froid.

Le signal C en provenance de la clef de contact signalant une mise en préchauffage détermine l'allumage du voyant V et la mise sous tension des bougies de préchauffage si le signal T en provenance du thermo contact (ne pas confondre avec le thermo contact temporisé d'enrichissement de départ à froid vu plus haut) qui est fermé quand tel que la température du liquide de refroidissement (ou du bloc moteur dans le cas d'un refroidissement à air) est en dessous de 60°C. Le voyant de préchauffage est maintenue pendant une durée de 3 s minimum, dès qu'il s'éteint indique au conducteur qu'il doit enclencher le démarreur pour mettre en route. Une fois le démarreur sollicité D la régulation de température des bougies continue pendant un temps Tp (post chauffage) ensuite les bougies de préchauffage sont misent hors tension. Si le moteur ne démarre pas il faut couper le contact et quelques instants et après recommencer. Le moteur tournant la température moteur fini par atteindre ou pas une température supérieure à 60°C (dépend du trajet). Si la température du moteur est encore supérieure à 60°C en cas de redémarrage alors le voyant ne s'allume pas et le démarreur peut être lancé sans attendre, il n'y a pas besoin d'activer le préchauffage. Le dispositif selon l'invention est particulièrement destiné à une amélioration des moteurs thermiques à allumage commandé pendant les phases de démarrage. Le nombre d'automobile dans le monde en 2009 qui roule à l'essence est de 500 millions. Le dispositif selon l'invention améliore aussi le fonctionnement d'un moteur alimenté par un carburant à plus forte chaleur latente que l'essence. Le moteur équipé du dispositif peut avoir une alimentation mixte gaz ou carburant liquide : Le véhicule possédant un moteur équipé d'un dispositif selon l'invention peut posséder une propulsion hybride.35

Claims (7)

1. REVENDICATIONS1) Procédé de réduction de la consommation et des émissions d'hydrocarbures imbrulés d'un moteur froid, ledit moteur étant un moteur thermique à pistons, à allumage commandé et à carburant liquide et fonctionnant suivant un cycle quatre temps, basé sur une désactivation partielle ou totale des dispositifs d'enrichissement à froid et basé sur un dispositif de chauffage électrique de chaque chambre de combustion du moteur, activé en cas de moteur froid, utilisant pour chaque cylindre un élément chauffant contenant un élément résistif de chauffage par effet joule caractérisé en ce que chaque élément chauffant débouche dans le volume de chaque chambre de combustion.
2. 2) Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que le chauffage est activé aussi pendant les phases de ralenti.
3. 3) Procédé selon l'une des revendications 1 à 2, caractérisé en ce que chaque élément chauffant est un crayon de bougie de préchauffage.
4. 4) Procédé selon la revendication 3 caractérisé en ce que la régulation de température est indépendante pour chaque cylindre.
5. 5) Moteur pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le moteur est à carburateur.
6. 6) Moteur pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le moteur est à injection indirecte.
7. 7) Moteur pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications 1 à 4, 25 caractérisé en ce que le moteur est à injection directe