FR2973072A1 - Procede de controle d'un moteur a combustible interne suralimente a allumage commande pour vehicule automobile - Google Patents

Abstract

La présente invention concerne un procédé de contrôle d'un moteur à combustion interne suralimenté (10) à allumage commandé pour l'entraînement d'un véhicule automobile et comprenant une ligne d'admission (30) pour au moins un cylindre (12). Selon l'invention, le procédé consiste : - à déterminer le taux d'encrassement de la ligne d'admission, - en cas de dépassement de la valeur seuil de ce taux, à augmenter le débit d'air circulant dans la ligne d'admission d'air pour la nettoyer.

Description

La présente invention se rapporte à un procédé de contrôle de la combustion d'un mélange carburé d'un moteur à combustion interne suralimenté à allumage commandé, notamment de type Essence.

Ce type de moteur comprend au moins un cylindre avec une chambre de combustion renfermant un mélange carburé qui subit une étape de compression puis une étape de combustion sous l'effet d'un allumage commandé, généralement une bougie d'allumage.

Ce mélange carburé peut subir différents types de combustion qui sont la source de différents niveaux de pression à l'intérieur de la chambre de combustion ainsi que de contraintes mécaniques et/ou thermiques dont certains peuvent endommager le moteur.

Ces différents types de combustion concernent la combustion conventionnelle (ou combustion normale), la combustion avec cliquetis et la combustion avec pré-allumage.

La combustion conventionnelle est le résultat de la propagation de la 20 combustion du mélange carburé selon un front de flamme à partir de l'étincelle générée à la bougie. Ce type de combustion n'est pas générateur de risques de détérioration de moteur.

25 L'autre type de combustion est la combustion avec cliquetis qui résulte d'une auto-inflammation indésirable locale dans la chambre de combustion après l'allumage du mélange carburé. Plus précisément, aux environs de la fin de l'étape de compression du mélange carburé par le piston, la bougie est actionnée pour permettre 30 l'allumage de ce mélange carburé. Sous l'effet de la pression générée par le piston et de la chaleur dégagée par le début de la combustion du mélange carburé, il se produit une auto-inflammation brutale et localisée d'une partie du mélange carburé comprimé avant que n'arrive le front de flamme issu de l'allumage du mélange carburé par la bougie. Ceci est plus connu sous le terme de cliquetis et conduit à une augmentation locale de la pression. Ce cliquetis peut engendrer, en cas de répétitions, des effets destructifs sur le moteur et principalement au niveau du piston.

Enfin, la combustion avec pré-allumage est une combustion anormale due à un pré-allumage du mélange carburé avant que la bougie n'initie l'allumage du mélange carburé présent dans la chambre de combustion.

Cette combustion anormale affecte principalement les moteurs qui sont le résultat d'une opération de "miniaturisation", plus connu sous le terme anglais de "downsizing". Cette opération vise à diminuer la taille et/ou la cylindrée du moteur tout en conservant la même puissance et/ou le même couple que des moteurs conventionnels. Généralement, ce type de moteurs est principalement de type essence et est fortement suralimenté. Cette combustion anormale se réalise généralement à fortes charges et à bas régimes de fonctionnement du moteur, lorsque le calage de la combustion du mélange carburé ne peut pas être l'optimum à cause du cliquetis. Compte tenu des fortes pressions et des températures élevées atteintes dans la chambre de combustion par la suralimentation et la compression, un démarrage sporadique ou de façon continue de la combustion du mélange carburé peut se produire, par exemple à partir d'un point chaud de la paroi du cylindre, et cela bien avant le moment où se réalise l'allumage du mélange carburé par la bougie.

Dans le cas où ce pré-allumage se produit de manière violente, aléatoire et sporadique, il est dénommé "claquement" (plus connu sous le terme de "rumble"). Cette combustion avec pré-allumage peut entraîner des niveaux de pressions très élevés (de l'ordre de 120 à 250 bars) ainsi qu'une augmentation des transferts thermiques qui peuvent entraîner une destruction partielle ou totale de l'équipage mobile du moteur, comme le piston ou la bielle.

Ce type de pré-allumage constitue donc actuellement une véritable limite au "downsizing" des moteurs à allumage commandé.

Le demandeur a pu constater que ce pré-allumage peut avoir de multiples 5 origines et que l'encrassement de la ligne d'admission et/ou de la chambre de combustion est une des sources potentielles de ce pré-allumage.

Cette ligne d'admission comporte généralement une canalisation de circulation d'air frais suralimenté aboutissant à un répartiteur d'admission. Des 10 tubulures d'admission partent de ce répartiteur pour déboucher dans la chambre de combustion. Le débouché de ces tubulures est contrôlé par tous moyens d'obturation connus, comme une soupape.

Plusieurs mécanismes peuvent conduire à l'encrassement de tout ou 15 partie des parois des éléments constitutifs de cette ligne d'admission. Par encrassement, il est entendu le dépôt sur ces parois d'impuretés comme des particules, généralement carbonées, de l'huile, des hydrocarbures,... .

En effet, il est possible que l'huile puisse être introduite dans la ligne 20 d'admission, soit lors de la remontée des gaz de carter (connu sous le vocable de gaz de "blow-by") qui sont produits par des fuites de gaz d'échappement au niveau de la segmentation du piston, soit par des fuites d'huile au niveau du palier du turbocompresseur. Il est également possible que le répartiteur d'admission et/ou les tubulures 25 d'admission soient encrassés par des gaz brûlés provenant de la chambre de combustion, notamment si le véhicule fonctionne pendant un temps important à charge partielle. En outre, dans le cas des moteurs à injection indirecte, l'encrassement des conduits d'admission de la culasse et parfois même du répartiteur peut être 30 la conséquence d'une mauvaise préparation du mélange carburé ou d'une mauvaise adéquation entre les injecteurs utilisés, le carburant et la forme des conduits.

Ces impuretés sont ensuite introduites dans la chambre de combustion d'où elles sont la source de combustion non souhaitées.

En ce qui concerne l'encrassement de la ligne d'admission, un procédé d'estimation de l'encrassement du répartiteur admission et des tubulures d'admission est déjà connu par la demande de brevet européen N° 2 161 435. Cette estimation du niveau d'encrassement permet ainsi d'estimer la sensibilité du moteur au pré-allumage. En fonction de cela, il est possible d'agir en conséquence, soit en limitant le gradient de charge du moteur, soit en limitant le remplissage en air de la chambre de combustion du moteur. Cependant, ce brevet ne fait mention d'aucun procédé spécifique pour décrasser la ligne d'admission et cela de manière préventive.

Pour la chambre de combustion, ils existent déjà plusieurs procédés pour estimer son niveau d'encrassement, tel que celui décrit dans la demande de brevet japonais N°2007-224862. Dés que le niveau d'encrassement atteint une valeur seuil, cette chambre de combustion est nettoyée par l'injection d'un liquide, comme du carburant.

Il est également connu par le document US 2006/0266323 d'utiliser la synergie entre le moteur électrique et le moteur thermique lorsque le véhicule est de type hybride. Ce procédé propose de mettre en rotation le vilebrequin du moteur thermique, lorsque celui-ci est normalement à l'arrêt, par l'intermédiaire du moteur électrique. Dans cette configuration, comme aucune combustion ne se produit à l'intérieur de la chambre de combustion, l'air qui y est introduit permet d'assécher les dépôts présents dans cette chambre pour les décoller des parois.

Cette méthode, bien que donnant satisfaction, a cependant des inconvénients non négligeables.

En effet, cette méthode ne permet pas de décrasser la ligne d'admission mais uniquement la chambre de combustion. De plus, étant donné que la rotation du vilebrequin du moteur thermique se réalise sans combustion, il n'est pas possible de brûler non seulement les dépôts d'impuretés qui sont présents dans la chambre de combustion mais aussi ceux qui proviennent de la ligne d'admission. En outre, il y a un risque que les dépôts d'impuretés présents dans la ligne d'admission se retrouvent transportés dans la chambre de combustion et puissent favoriser l'apparition du pré-allumage dans des conditions particulières de fonctionnement de ce moteur.

La présente invention se propose donc de remédier aux inconvénients mentionnés ci-dessus en engageant des actions de prévention de l'encrassement qui ont pour but de limiter les probabilités d'apparition de pré- allumage. A cet effet, l'invention concerne un procédé de contrôle d'un moteur à combustion interne suralimenté à allumage commandé pour l'entraînement d'un véhicule automobile et comprenant une ligne d'admission pour au moins un cylindre, caractérisé en ce qu'il consiste : - à déterminer le taux d'encrassement de la ligne d'admission, - en cas de dépassement de la valeur seuil de ce taux, à augmenter le débit d'air circulant dans la ligne d'admission d'air pour la nettoyer.

Dans le cas où la suralimentation de l'air est réalisée par un turbocompresseur, le procédé peut consister à réaliser dans le moteur thermique une combustion avec un sous-calage pour augmenter l'énergie des gaz d'échappement à la turbine de manière à accroître le débit d'air circulant dans la ligne d'admission.30 Le procédé peut consister à faire fonctionner le moteur avec un mélange carburé homogène pauvre pour augmenter le débit d'air dans la ligne d'admission.

Lorsque le véhicule comprend une autre source d'énergie motrice, le procédé peut consister, pendant la phase d'entraînement du véhicule uniquement par l'autre source d'énergie, à mettre en action le moteur à combustion interne et à contrôler son fonctionnement par l'autre source d'énergie motrice de manière à augmenter le débit d'air circulant dans la ligne d'admission.

Le procédé peut consister à contrôler la vitesse de rotation du moteur à combustion interne par l'autre source d'énergie motrice.

Le procédé peut consister à utiliser une machine électrique en tant qu'autre source d'énergie motrice.

Les autres caractéristiques et avantages de l'invention vont apparaître à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre uniquement illustratif et non limitatif en se rapportant à la figure unique qui illustre un exemple de réalisation auquel peut s'appliquer le procédé selon l'invention.

Le procédé tel qu'il va être exposé ci-après a pour objectif de prévenir le pré-allumage rencontré à bas régime et à fortes charges sur les moteurs à combustion interne à allumage commandé, principalement de type Essence, et cela suite à l'encrassement de la ligne d'admission.

Le procédé consiste pour l'essentiel à utiliser le potentiel d'une architecture hybride d'un véhicule automobile pour faire augmenter de manière importante le débit d'air à l'admission du moteur à combustion interne et ainsi assurer un balayage des impuretés (particules, huiles, hydrocarbures) qui se sont déposées ou formées sur les parois internes des éléments de la ligne À d'admission. Ces impuretés sont ensuite introduites dans la chambre de combustion du moteur pour les faire brûler mais dans des conditions de fonctionnement éloignées de celles où le pré-allumage peut apparaitre.

Comme cela est largement connu et en se référant à la figure unique, un véhicule de type hybride comprend un moteur à combustion interne 10 à allumage commandé (ou moteur thermique) avec au moins un cylindre 12 et avec un arbre d'entrainement 14 (ou vilebrequin), une autre source d'énergie motrice 16, ici une machine électrique 16 avec un rotor 18 alimentée par des batteries (non représentées), une transmission 20 avec un dispositif de variation de vitesse 22, comme une boîte de vitesse ou un train épicycloïdal, ainsi qu'une multiplicité d'accouplements à commande contrôlée 24, et un essieu-moteur 26 portant les roues motrices 28 du véhicule. Le moteur thermique comprend une ligne d'admission d'air 30 comprenant une conduite d'admission d'air 32 raccordée à un répartiteur d'admission 34, au moins une tubulure d'admission 36 issue de ce répartiteur et débouchant dans la chambre de combustion 38 du cylindre 12 du moteur, le débouché de cette tubulure étant contrôlé par un soupape d'admission (non représentée). La ligne d'admission est alimentée en air par un dispositif de suralimentation 40, ici un turbocompresseur. Ce turbocompresseur comprend une turbine 42 balayée par les gaz d'échappement provenant du moteur thermique (Flèches G) et un compresseur 44 lié en rotation avec la turbine de façon à permettre la compression de l'air extérieur (Flèche E) et de faire admettre cet air d'admission sous pression (ou air suralimenté) dans la conduite d'air (Flèche E'). Le moteur comprend enfin une unité de calcul et de commande 46, dénommée calculateur, qui permet de contrôler et de commander, par des lignes conductrices bidirectionnelles 48, le fonctionnement du moteur thermique, de la machine électrique et de la transmission de vitesse, notamment au niveau de la commande des accouplements de cette transmission.

Ce calculateur permet de régir le fonctionnement du véhicule d'une manière telle que l'essieu-moteur 26 reçoit une énergie motrice directement du moteur thermique ou de la machine électrique, qui est utilisée en tant que moteur électrique d'entraînement en étant alimenté par les batteries, ou des deux à la fois. De même, ce calculateur permet que l'énergie provenant de l'essieu-moteur, notamment lors des décélérations du véhicule, soit utilisée en tant que frein moteur pour le moteur thermique et/ou pour recharger les batteries au travers de la machine électrique qui sera utilisée en tant que génératrice électrique.

Pour prévenir l'encrassement de la ligne d'admission et l'apparition de combustion avec pré-allumage lors du fonctionnement du moteur thermique à fortes charges et à bas régimes, une étape de décrassage de cette ligne est réalisée. L'estimation du taux d'encrassement de la ligne d'admission 30 peut être réalisée par toute méthode connue et plus particulièrement par celle décrite dans la demande de brevet européen N° 2 161 435 mentionnée plus haut. Dés que ce taux atteint une valeur qui est susceptible d'entrainer une combustion avec pré-allumage, l'étape de décrassage est lancée.

Cette étape se produit pendant des phases de fonctionnement pendant lesquelles le moteur thermique n'est pas sollicité pour mettre en action le véhicule.

En effet, comme mentionné ci-dessus, il existe des phases de fonctionnement du véhicule où l'essieu moteur reçoit une énergie motrice uniquement de la machine électrique 16 agissant en tant que moteur électrique alors que le moteur thermique 10 est arrêté. Pour réaliser ce décrassage, le moteur thermique est activé et on utilise le moteur électrique 16 pour contrôler le moteur thermique, notamment pour réguler son régime considéré au niveau de la vitesse de rotation du vilebrequin et avantageusement en augmentant ce régime.

Ceci se réalise indépendamment de la vitesse du véhicule au travers de la transmission 20 et en actionnant, par l'intermédiaire du calculateur 56, les accouplements à commande contrôlé 24 nécessaires, d'une part, pour établir la liaison en rotation entre le rotor 18 de la machine électrique et le vilebrequin 14 du moteur thermique et, d'autre part, pour transmettre l'énergie motrice de la machine électrique à l'essieu-moteur. Par cela, on peut obtenir un point de fonctionnement du moteur thermique qui génère un débit d'air élevé dans la ligne d'admission pour assurer ainsi son 10 décrassage. De plus, la mise en action du moteur thermique est alors décorrélée du fonctionnement véhicule.

Bien entendu, l'homme du métier déterminera le point de fonctionnement 15 optimum du moteur thermique pour obtenir le meilleur compromis entre notamment : l'avancement du véhicule : le moteur électrique doit être capable de fournir du couple aux roues pour garantir l'avancement du véhicule mais également de fournir un couple au moteur thermique pour le freiner et réguler sa vitesse 20 de rotation, comme cela sera mieux explicité dans la suite de la description ; le niveau d'encrassement estimé préalablement : si ce niveau est faible l'opération de décrassage ne sera pas forcément lancée de la même manière que si l'encrassement est fort ; la maximisation du débit d'air balayant la ligne d'admission et la maximisation 25 de la stabilité de la combustion permettant de brûler les impuretés ; la minimisation des pertes énergétiques, il n'est pas nécessaire de brûler les impuretés avec de très fortes charges qui demandent une consommation élevée de carburant.

30 A titre d'exemple, le calculateur commande le moteur électrique pour qu'il entraine le moteur thermique à un régime de rotation moyennement élevé à élevé alors que ce dernier fonctionne avec une faible charge. Sous l'effet du mouvement de l'air qui circule dans la ligne d'admission 30, les impuretés sont détachées des parois puis sont entraînées dans la chambre de combustion 38 pour y être brûlées.

Dés que cette étape de nettoyage est terminée après une période de quelques secondes à quelques minutes, le fonctionnement du moteur thermique est arrêté et le moteur électrique est uniquement utilisé pour entrainer l'essieu moteur. Avantageusement, la mise en action du moteur thermique permet de limiter les pertes thermiques, car le maintien d'une combustion pendant les phases d'arrêt théorique du moteur thermique permet d'agir sur la régulation thermique du moteur puisqu'il est connu que les phases d'arrêts et de redémarrages sont potentiellement pénalisantes en termes de thermique globale (pertes thermiques).

Elle permet également de maintenir en température les gaz d'échappement pour la mise en action du système de post-traitement de ces gaz puisque le maintien de la combustion permet de garder une température adéquate. Bien entendu, la description qui précède peut s'appliquer à tous systèmes qui comportent toute autre source d'énergie capable de mettre en mouvement le véhicule (comme une machine motrice basée sur un système hydraulique, pneumatique, mécanique,...) et de contrôler le moteur thermique.

Dans le cas de véhicule conventionnel qui ne comprend que le seul moteur thermique, il est également possible d'augmenter le débit d'air dans la ligne d'admission pour assurer son nettoyage. Ainsi, pour un moteur à combustion interne pour lequel la suralimentation de l'air est réalisée par un turbocompresseur, le procédé consiste à déterminer le taux d'encrassement de la ligne d'admission et en cas de dépassement de la valeur seuil de ce taux, à réaliser dans les chambres de combustion 38 du moteur une combustion avec un sous calage et avantageusement lorsque le moteur ne fonctionne pas à pleines charges.

Ceci a pour effet d'augmenter l'énergie des gaz d'échappement à la turbine et conséquemment d'augmenter le débit d'air comprimé à la sortie du compresseur. Cette augmentation de débit permet ainsi de décrasser la ligne d'admission.

Pour augmenter le débit d'air, il est aussi possible de faire fonctionner le moteur en mélange pauvre (richesse inférieure à 1) avec un mélange carburé homogène pendant le fonctionnement classique du moteur mais, de manière préférentielle, lorsque le moteur est sollicité dans une plage de fonctionnement où les instabilités de combustion sont limitées. En effet, lorsque le moteur fonctionne avec un mélange pauvre, la stabilité de combustion est détériorée. Ceci a pour effet de demander l'admission d'une quantité plus importante d'air dans la ligne d'admission que pour le fonctionnement équivalent (avec le même couple) en mode classique homogène stoechiométrique (richesse égale à 1). A titre d'exemple, le fait d'abaisser la richesse de fonctionnement à 0.7 (tout en restant à iso couple fourni par le moteur) permet d'augmenter le débit d'air de 30 % dans la ligne d'admission par rapport au fonctionnement homogène stoechiométrique.

Claims (6)

1. REVENDICATIONS1) Procédé de contrôle d'un moteur à combustion interne suralimenté (10) à allumage commandé pour l'entraînement d'un véhicule automobile et comprenant une ligne d'admission (30) pour au moins un cylindre (12), caractérisé en ce qu'il consiste : - à déterminer le taux d'encrassement de la ligne d'admission, - en cas de dépassement de la valeur seuil de ce taux, à augmenter le débit d'air circulant dans la ligne d'admission d'air pour la nettoyer.
2. 2) Procédé de contrôle selon la revendication 1 selon lequel la suralimentation de l'air est réalisée par un turbocompresseur (44), caractérisé en ce qu'il consiste à réaliser dans le moteur thermique une combustion avec un sous-calage pour augmenter l'énergie des gaz d'échappement à la turbine (42) de manière à accroître le débit d'air circulant dans la ligne d'admission.
3. 3) Procédé de contrôle selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste à faire fonctionner le moteur avec un mélange carburé homogène pauvre pour augmenter le débit d'air dans la ligne d'admission.
4. 4) Procédé de contrôle selon la revendication 1 selon lequel le véhicule comprenant une autre source d'énergie motrice (16), caractérisé en ce qu'il consiste, pendant la phase d'entraînement du véhicule uniquement par l'autre source d'énergie (16), à mettre en action le moteur à combustion interne et à contrôler son fonctionnement par l'autre source d'énergie motrice de manière à augmenter le débit d'air circulant dans la ligne d'admission.
5. 5) Procédé de contrôle selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il consiste à contrôler la vitesse de rotation du moteur à combustion interne par l'autre source d'énergie motrice.
6. 6) Procédé de contrôle selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce qu'il consiste à utiliser une machine électrique (16) en tant qu'autre source d'énergie motrice.