FR2994221A1 - Procede de demarrage a froid d'un moteur a combustion interne a injection directe pouvant fonctionner a l'ethanol - Google Patents

Procede de demarrage a froid d'un moteur a combustion interne a injection directe pouvant fonctionner a l'ethanol Download PDF

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Abstract

L'invention porte sur un Procédé de démarrage à froid d'un moteur à 4 temps à combustion interne à injection directe, adapté pour fonctionner avec un carburant contenant jusque 100% d'éthanol, dans lequel : - On ferme une vanne à l'admission d'air du moteur (2), et on injecte du carburant dans une chambre de combustion du moteur en phase d'admission (3) pour l'obtention d'un mélange carburé homogène ; - En phase de compression (C), on injecte dans une chambre de combustion du moteur une quantité donnée de carburant (4) de sorte à créer une zone de mélange riche. et dans lequel la quantité totale de carburant injectée au cours d'un cycle est supérieure à la quantité injectée lors d'un cycle après démarrage du moteur.

Description

PROCEDE DE DEMARRAGE A FROID D'UN MOTEUR A COMBUSTION INTERNE A INJECTION DIRECTE POUVANT FONCTIONNER A L'ETHANOL [0001] L'invention porte sur le domaine du démarrage des moteurs à combustion pouvant fonctionner avec un carburant contenant une part importante d'éthanol. Notamment, il peut s'agir de moteurs fréquemment désignés par l'appellation « FlexFuel », pouvant fonctionner avec un carburant contenant de 0% à 100% d'éthanol. Elle vise en particulier les moteur à injection directe capable de fonctionner avec un fort taux d'éthanol, typiquement jusqu'à 100% d'éthanol hydraté, souvent désigné « E100 ». [0002] Les moteurs pouvant fonctionner à l'éthanol ou un mélange de carburant traditionnel et d'éthanol sont sujets à des difficultés de démarrage à basse température. Par carburant traditionnel, on entend en particulier le carburant utilisé classiquement dans les moteurs à allumage commandé, communément appelé essence, ou supercarburant. [0003] En particulier, lorsque le moteur est froid, l'inflammation de l'éthanol étant plus difficile que celle de l'essence, le démarrage est difficile. En effets, les propriétés physico- chimique de l'éthanol lui confèrent un point éclair plus élevé que celui de l'essence, à savoir de l'ordre de 13°C, ce qui empêche l'éthanol dans des conditions froides d'être suffisamment vaporisé pour être enflammé par une source incandescente. [0004] La notion de moteur froid s'entend vis-à-vis de la température qui règne dans les chambres de combustion du moteur, ce qui peut être apprécié selon la température du liquide contenu dans le circuit de refroidissement du moteur. [0005] Il est donc connu que selon la proportion d'éthanol contenue dans le carburant, et en particulier lorsque celle-ci est élevée, les démarrages à basse température peuvent en se révéler problématique, c'est-à-dire se traduire par un démarrage plus long, voire impossible, du moteur dans des conditions de températures particulièrement basses. [0006] On connait dans l'état de la technique divers dispositif pour permettre les démarrages à froid des moteurs fonctionnant avec un mélange d'éthanol. [0007] La demande de brevet brésilienne BRP18801648 présente une variante particulière d'un tel dispositif. Ce dispositif comporte un réservoir additionnel rempli d'un second carburant, à faible teneur en éthanol. Lors des démarrages à froid, et en présence d'une importante concentration en éthanol dans le carburant, le dispositif de démarrage auxiliaire introduit du carburant à faible concentration en éthanol à l'admission du moteur. L'emploi de cette technologie nécessite cependant d'embarquer deux qualités de carburant pour le fonctionnement du moteur, ce qui implique une architecture complexe d'alimentation en carburant du moteur. [0008] Une autre approche est envisagée dans le document EP1934467, à savoir de chauffer l'air d'admission et/ou le carburant par des résistances électriques avant le démarrage d'un moteur, notamment lors de la détection de l'actionnement d'une portière du véhicule équipé. [0009] Toutes ces technologies sont complexes et couteuses à mettre en oeuvre. [0010] Afin de tenter d'éviter l'emploi de tels dispositifs, des procédés ont été développés pour favoriser le démarrage à froid des moteurs à éthanol. On connaît notamment le document BRPI0705394 qui divulgue une méthode de démarrage à froid d'un moteur à injection indirecte fonctionnant à l'éthanol, dans lequel on : crée un mélange air carburant dans le conduit d'admission, et, tout en maintenant le papillon d'admission fermé et en désactivant l'allumage, on effectue un ou plusieurs cycles moteur complets sans allumage pour réaliser un réchauffement adiabatique du mélange avant de revenir à un fonctionnement normal. [0011] Néanmoins, cette méthode n'est utilisable que dans le cadre des moteurs à injection indirecte, et par ailleurs, vu les exemples donnés, il apparaît qu'elle n'est efficace que pour des démarrages effectués à une température positive. [0012] Dans l'invention, on vise donc à proposer un procédé de démarrage à froid pour moteurs fonctionnant à l'éthanol, adapté pour permettre le démarrage de moteur à injection directe, notamment à des températures négatives. [0013] Plus précisément, l'invention porte donc sur un procédé de démarrage à froid d'un moteur à 4 temps à combustion interne à injection directe, adapté pour fonctionner avec un carburant contenant jusque 100% d'éthanol, dans lequel : - on ferme une vanne à l'admission d'air du moteur, jusqu'au démarrage du moteur; - on injecte du carburant dans une chambre de combustion du moteur en phase d'admission pour l'obtention d'un mélange carburé homogène; - en phase de compression, on injecte dans une chambre de combustion du moteur une quantité donnée de carburant de sorte à créer une zone de mélange riche. et dans lequel la quantité totale de carburant injectée au cours d'un cycle est supérieure à la quantité injectée lors d'un cycle après démarrage du moteur. [0014] De préférence, la quantité de carburant totale injectée dans un cylindre au cours d'un cycle moteur est répartie entre : de l'ordre de injectés en phase d'admission, et le restant, soit de l'ordre de 20%, injectés en phase de compression. [0015] De préférence, la quantité totale de carburant injectée au cours d'un cycle moteur est supérieure de 25% à 100% à la quantité injectée lors du fonctionnement après 10 démarrage du moteur. [0016] De préférence dans un tel procédé, on augmente l'avance à l'allumage du moteur, comparativement à l'avance à l'allumage appliquée après démarrage du moteur. [0017] De préférence dans un tel procédé, l'avance à l'allumage appliquée est de l'ordre de 45° dans le cycle moteur. 15 [0018] De préférence, on réalise un croisement des soupapes d'admission et d'échappement, afin de ré-aspirer dans la chambre de combustion, en phase d'admission, une part des gaz d'échappement du cycle précédent. [0019] De préférence, l'allumage de la charge carburée présente dans la chambre de combustion est réalisé par une pluralité d'étincelles pendant la phase de compression, et 20 de préférence de l'ordre de 5 étincelles. [0020] De préférence, dans une variante d'un tel procédé comportant en outre une première étape d'évaluation de la température du moteur, l'application de la suite du procédé étant conditionnée à une température du moteur inférieure à un seuil prédéfini. Le seuil de température est alors préférentiellement de l'ordre de 13°C. 25 [0021] La température du moteur peut être déterminée par assimilation à la température d'un liquide de refroidissement du moteur. [0022] De préférence, la quantité de carburant injectée au cours d'un cycle dépend de la température du moteur. Préférentiellement, la quantité de carburant injectée est alors supérieure d'environ 50% pour une température du moteur de 0°C, et de l'ordre de 100% pour une température moteur de -10°C, à la quantité injectée lors d'un cycle après démarrage du moteur. Selon une variante d'un procédé tel que précédemment décrit, on évalue en premier lieu le taux d'éthanol contenu dans le carburant, et l'application de la suite du procédé est conditionnée à un taux supérieur à un taux prédéfini. [0023] L'invention est décrite plus en détail ci-après et en référence à la figure 1 unique représentant schématiquement le système dans un mode de réalisation préférentiel. [0024] La figure 1 présente schématiquement sous forme d'un ordinogramme un procédé conforme à une variante préférentielle de l'invention. Les étapes du procédé sont détaillées pour un cycle moteur CY, comportant 4 temps ou phase : admission A, compression C, détente D, et échappement E. [0025] Le procédé est illustré selon le cycle moteur CY vu d'un cylindre, mais est bien évidemment réalisé préférentiellement sur chaque cylindre du moteur, jusqu'au démarrage de ce dernier. [0026] Dans cette variante, lorsqu'un ordre de démarrage est perçu, on effectue une première étape d'évaluation de la température du moteur 1. Dans cette première étape, l'évaluation de la température du moteur peut être par exemple réalisée par mesure de la température du liquide présent dans un circuit de refroidissement du moteur. La température du moteur retenue peut alors être directement assimilée à la température du liquide de refroidissement. [0027] Dans l'invention, une des caractéristiques majeure du procédé est qu'on ferme une vanne à l'admission d'air du moteur 2. La fermeture d'une vanne à l'admission crée une zone de basse pression dans le collecteur d'admission et dans le cylindre en phase d'admission. [0028] On injecte du carburant dans la chambre de combustion du moteur en phase d'admission 3. Sous une faible pression, la vaporisation du carburant, notamment de l'éthanol, introduit par un injecteur dans la chambre de combustion en phase d'admission, est facilitée. Ainsi, la formation d'un mélange carburé (air-carburant) homogène est facilitée. [0029] Dans le mode de réalisé ici représenté, l'injection directe de carburant dans la chambre de combustion est réalisée en deux temps. En plus de l'injection de carburant dans la chambre de combustion du moteur en phase d'admission, qui représente préférentiellement environ 80% de la quantité totale de carburant injectée dans un cylindre donné au cours d'un cycle moteur, on injecte en phase de compression une quantité donnée de carburant 4, représentant la part restante de la quantité totale de carburant à injecter, soit environ 20% de la quantité totale de carburant injectée dans un cylindre donné au cours d'un cycle moteur. Cette quantité de carburant injectée pendant la phase de compression permet la création d'une zone locale riche dans la chambre de combustion, après création lors de l'admission d'un mélange relativement homogène. Cette zone riche est plus facile à enflammer, ce qui favorise l'initiation de l'inflammation de la charge carburée présente dans la chambre. [0030] La quantité totale de carburant injecté pendant dans un cylindre pendant un cycle moteur CY pendant l'application du procédé de démarrage est supérieure à la quantité injectée au cours d'un cycle moteur après le démarrage. Elle peut typiquement être supérieure de 25% à 100% à la quantité injectée lors d'un cycle après démarrage du moteur. Typiquement, pour un démarrage à l'éthanol pur d'un moteur à une température de l'ordre de 0°C, on peut augmenter la quantité totale de carburant injecté de 50% environ. Pour un démarrage à moins 10°C, l'augmentation peut être de l'ordre de 100%. Il s'agit essentiellement de compenser les pertes de carburant lors des phases de démarrage. [0031] Dans la variante de l'invention ici représentée, on augmente l'avance à l'allumage du moteur 5, comparativement à l'avance à l'allumage appliquée après démarrage du moteur. L'avance à allumage appliqué peut préférentiellement être de l'ordre de 45° dans le cycle (selon la description généralement faite d'un cycle moteur sur 2 tours par cycle, soit 360°, c'est-à-dire un allumage lorsque le vilebrequin du moteur est à 45° d'angle du point mort haut du piston du cylindre considéré). [0032] La fermeture de l'admission, typiquement par fermeture d'une vanne ou d'un boîtier papillon est synergique de l'augmentation de la quantité de carburant injecté au cours d'un cycle. En effet, dans le cadre d'un moteur à allumage commandé à injection directe, c'est-à-dire dans le cadre d'application de l'invention, la bonne pulvérisation du carburant est fortement liée à sa pression d'injection. Or, les éléments de l'injection sont dimensionnés pour un fonctionnement avec un débit de carburant nécessaire au fonctionnement du moteur en fonctionnement normal. En augmentant la quantité de carburant injectée par augmentation du temps d'injection, la pression d'injection chute très rapidement. Dans un dispositif d'injection classique, injectant à 70 bars lors de l'ouverture de l'injecteur, la pression d'injection chute typiquement au bout d'une seconde d'injection à environ 7 bars, ce qui est insuffisant pour garantir dans des conditions de pression classique une bonne vaporisation du carburant. Dans l'invention, l'effet de la chute de pression sur la pulvérisation du carburant est en partie compensé par l'amélioration de celle-ci dans les conditions de faible pression générées par la fermeture de l'admission. Par ailleurs, l'association dans les premiers cycles moteurs lors de son démarrage d'une forte pression d'injection et de la dépression générée dans la chambre de combustion permet la formation d'un mélange carburé homogène. [0033] De préférence, l'allumage est provoqué par une multiplicité d'étincelles, typiquement au nombre de 5, lors de la phase de compression C. L'allumage multiple ainsi réalisé permet de limiter l'homogénéisation du mélange lors de cette phase. [0034] Enfin, dans le mode de réalisation de l'invention ici représenté, on réalise un croisement de soupapes 6 entre la phase d'échappement E et la phase d'admission A suivante. C'est une méthode connue permettant de ré-aspirer des gaz d'échappement dans la chambre de combustion pour le cycle moteur suivant. En pratique, quand un temps d'échappement E arrive à son terme, on maintient la ou les soupapes d'échappement ouvertes pendant le début du temps d'admission suivant, afin de ré-aspirer une part des gaz d'échappement. Généralement, on emploie cette technologie pour limiter les émissions polluantes, les gaz d'échappement déjà brûlés étant neutres vis-à-vis de la combustion et permettant d'augmenter le remplissage du moteur dans certaines situations de fonctionnement. Dans l'invention, cette technologie de croisement de soupapes 6 est employée afin de récupérer dans la chambre une part de la chaleur des gaz d'échappement, et augmenter globalement le niveau thermique dans la chambre de combustion. [0035] De manière générale, le procédé développé dans l'invention est d'autant plus efficace que le taux de compression du moteur est élevé, car cela offre la possibilité de profiter d'un échauffement rapide des chambres de combustion. [0036] Le procédé de démarrage à froid d'un moteur à combustion interne à injection directe pouvant fonctionner à l'éthanol permet donc de garantir le démarrage à froid de ce type de moteurs, sans nécessiter l'ajout d'un système d'aide au démarrage, du type réchauffage du carburant par exemple. Son application privilégiée est les véhicules automobiles, doté d'un moteur du type dit « flex-fuel » à injection directe. [0037] La demanderesse a mis en évidence que l'application d'un tel procédé à un moteur d'un véhicule automobile de type à 4 cylindres « flex-fuel », représentatif d'une application classique, permettait le démarrage avec du carburant « E100 », c'est-à-dire contenant 100% d'éthanol, en 4 secondes environ à -7°C environ, et en 5,8 secondes environ à -10,5°C environ. Ces temps de démarrage, certes longs pour une application automobile, sont néanmoins compatibles d'une application automobile dans des zones géographiques où de telles températures négatives sont rarement atteintes (l'important étant alors d'assurer la prestation de démarrage effectif du moteur, au prix d'un temps de démarrage rallongé).

Claims (13)

  1. REVENDICATIONS: 1. Procédé de démarrage à froid d'un moteur à 4 temps à combustion interne à injection directe, adapté pour fonctionner avec un carburant contenant jusque 100% d'éthanol, dans lequel : - on ferme une vanne à l'admission d'air du moteur (2) jusqu'au démarrage du moteur ; - on injecte du carburant dans une chambre de combustion du moteur en phase d'admission (3) pour l'obtention d'un mélange carburé homogène ; en phase de compression (C), on injecte dans une chambre de combustion du moteur une quantité donnée de carburant (4) de sorte à créer une zone de mélange riche. et dans lequel la quantité totale de carburant injectée au cours d'un cycle est supérieure à la quantité injectée lors d'un cycle après démarrage du moteur.
  2. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la quantité de carburant totale injectée dans un cylindre au cours d'un cycle moteur (CY) est répartie entre : de l'ordre de 80% injectés en phase d'admission (A), et le restant, soit de l'ordre de 20%, injectés en phase de compression (C).
  3. 3. Procédé selon la revendication 1 ou la revendication 2, dans lequel la quantité totale de carburant injectée au cours d'un cycle moteur (CY) est supérieure de 25% à 100% à la quantité injectée lors du fonctionnement après démarrage du moteur.
  4. 4. Procédé selon l'une des revendications précédente, dans lequel on augmente l'avance à l'allumage du moteur (5), comparativement à l'avance à l'allumage appliquée après démarrage du moteur.
  5. 5. Procédé selon l'une des revendications précédente, dans lequel l'avance à l'allumage appliquée est de l'ordre de 45° dans le cycle moteur.
  6. 6. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel on réalise un croisement des soupapes (6) d'admission et d'échappement, afin de ré-aspirer dans lachambre de combustion, en phase d'admission (A), une part des gaz d'échappement du cycle précédent.
  7. 7. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel l'allumage de la charge carburée présente dans la chambre de combustion est réalisé par une pluralité d'étincelles pendant la phase de compression (C), et de préférence de l'ordre de 5 étincelles.
  8. 8. Procédé de démarrage selon l'une des revendications précédentes, comportant en outre une première étape d'évaluation de la température du moteur (1), l'application de la suite du procédé étant conditionnée à une température du moteur inférieure à un seuil prédéfini.
  9. 9. Procédé selon la revendication 8, dans lequel le seuil de température est de l'ordre de 13°C.
  10. 10. Procédé selon la revendication 8 ou la revendication 9, dans lequel la température du moteur est déterminée par assimilation à la température d'un liquide de refroidissement du moteur.
  11. 11. Procédé selon la revendication l'une des revendications 8 à 10, dans lequel la quantité de carburant injectée au cours d'un cycle (CY) dépend de la température du moteur.
  12. 12. Procédé selon la revendication 11, dans lequel la quantité de carburant injectée est supérieure d'environ 50% pour une température du moteur de 0°C, et de l'ordre de 100% pour une température moteur de -10°C, à la quantité injectée lors d'un cycle après démarrage du moteur.
  13. 13. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel on évalue en premier lieu le taux d'éthanol contenu dans le carburant, l'application de la suite du procédé étant conditionnée à un taux supérieur à un taux prédéfini.
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