FR3006374A1 - Procede de commande d'un moteur a combustion interne a allumage commande - Google Patents

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Abstract

L'invention concerne un procédé de commande d'un moteur (1) à combustion interne à allumage commandé comprenant un cylindre (2), des moyens (4) d'injection de carburant, des moyens d'injection d'une quantité d'un liquide autre que le carburant destiné à être vaporisé dans le cylindre (2), des moyens (3) d'admission d'air, dans lequel on détermine un point de fonctionnement du moteur, caractérisé en ce que : on vérifie si le point de fonctionnement déterminé correspond à un point dont la combustion en mélange stœchiométrique conduit à une température de gaz d'échappement (T3) supérieure à un seuil de température critique, Dans l'affirmative, on détermine la quantité de liquide à injecter permettant d'abaisser la température des gaz d'échappement en deçà dudit seuil, on injecte pour le point de fonctionnement déterminé la quantité de liquide déterminée et on injecte la quantité de carburant appropriée pour réaliser un mélange stœchiométrique.

Description

PROCEDE DE COMMANDE D'UN MOTEUR A COMBUSTION INTERNE A ALLUMAGE COMMANDE Domaine technique de l'invention La présente invention se rapporte au domaine des commandes de moteurs à combustion interne à allumage commandé. Arrière-plan technologique Les nouvelles motorisations doivent répondre à une problématique de plus en plus contraignante, notamment à des limites réglementaires d'émissions de polluants tels que les hydrocarbures imbrûlés, HO, et le monoxyde de carbone, CO, et des oxydes d'azote, NOx, de plus en plus sévères. Ces contraintes nous poussent à optimiser le moteur thermique dans son fonctionnement et à utiliser des organes de dépollution des gaz d'échappement.
L'élimination des hydrocarbures imbrûlés, HO, et du monoxyde de carbone, CO s'effectue classiquement au moyen d'une réaction d'oxydation tandis que l'élimination des oxydes d'azote s'effectue au moyen d'une réaction de réduction dans un catalyseur approprié disposé dans la ligne d'échappement raccordée au moteur thermique.
Les réactions d'oxydation, demandant une forte présence d'oxygène, et de réduction demandant une faible présence d'oxygène sont contradictoires. Elles ne se produisent simultanément que si la quantité d'air dans le carburant est optimale, autrement pour un mélange dont la richesse est de 1.
Par ailleurs, dans le cas de moteurs à allumage commandé, tel que ceux fonctionnant à l'essence, dans le cas d'un fonctionnement à pleine charge, un surplus de carburant est utilisé pour refroidir les gaz d'échappement, ce qui conduit à une richesse supérieure à 1. L'oxydation des hydrocarbures imbrûlés, HO, et du monoxyde de carbone, CO ne peut alors plus se faire, par manque d'oxygène disponible. Une solution évidente est de supprimer les zones de fonctionnement en régime couple où la richesse était supérieure à 1. Cette solution a pour inconvénient de fortement diminuer la puissance maximum du moteur et nécessite d'augmenter la cylindrée du moteur pour compenser cette perte de puissance, ce qui augmente in fine la consommation du moteur en usage courant.
Il n'est par ailleurs pas possible de diminuer uniquement la richesse à 1 car la température des gaz d'échappement serait trop élevée. Par conséquent, le problème à la base de l'invention est d'obtenir un fonctionnement à pleine charge à la stoechiométrie, pour rester dans des conditions de dépollution optimales des hydrocarbures imbrûlés, HO, et du monoxyde de carbone, CO et des d'oxydes d'azote, NOx, tout en maitrisant la température d'échappement. Il est également connu, par exemple du document 0N102269081 d'injecter de l'eau dans le circuit d'admission d'air du moteur. Cette eau se mélangeant au gaz d'admission est connue pour permettre de réduire les températures de combustion et les émissions d'oxydes d'azote, NOx. Il est alors prévu selon l'invention un procédé de commande d'un moteur à combustion interne à allumage commandé comprenant un cylindre, des moyens d'injection de carburant, des moyens d'injection d'une quantité d'un liquide autre que le carburant destiné à être vaporisé dans le cylindre, des moyens d'admission d'air, dans lequel on détermine un point de fonctionnement du moteur, caractérisé en ce que : on vérifie si le point de fonctionnement déterminé correspond à un point dont la combustion en mélange stoechiométrique conduit à une température de gaz d'échappement supérieure à un seuil de température critique, Dans l'affirmative, on détermine la quantité de liquide à injecter permettant d'abaisser la température des gaz d'échappement en deçà du seuil de température critique, on injecte pour le point de fonctionnement déterminé la quantité de liquide déterminée et on injecte la quantité de carburant appropriée pour réaliser un mélange stoechiométrique.
De préférence, le liquide destiné à être vaporisé dans le cylindre est de l'eau. De préférence encore, l'eau contient un additif contre le gel et / ou la corrosion. Dans un variante, le seuil de température critique est fixé relativement à un seuil prédéterminé de tenue mécanique d'un collecteur d'échappement ou d'une turbine de turbocompresseur.
De préférence, le seuil de température critique est de l'ordre de 900°C. Dans une variante, on vérifie si le point de fonctionnement correspond à un point dont la combustion, initiée avec une avance à l'allumage réglée avec un retard par rapport à l'avance optimum inférieur à un seuil de retard critique, conduit au cliquetis et dans l'affirmative, on détermine la quantité de liquide à injecter permettant d'éviter le cliquetis. Dans une variante, on injecte la quantité de liquide déterminée dans les conduits d'admission d'air, en phase d'admission.
Dans une autre variante, on injecte la quantité de liquide déterminée en amont des moyens de contrôle de débit d'air d'admission, en phase d'admission. L'invention concerne aussi un moteur à combustion interne à allumage commandé comprenant un cylindre, des moyens d'injection de carburant, des moyens d'injection d'une quantité de liquide autre que le carburant destiné à être vaporisé dans le cylindre, des moyens d'admission d'air, caractérisé en ce que les moyens d'injection de la quantité de liquide sont disposés dans le conduit d'admission d'air au cylindre et qu'il comprend une unité de commande électronique comprenant les instructions requises pour mettre en oeuvre un procédé de l'invention. L'invention concerne encore un moteur à combustion interne à allumage commandé comprenant un cylindre, des moyens d'injection de carburant, des moyens d'injection d'une quantité de liquide autre que le carburant destiné à être vaporisé dans le cylindre, des moyens d'admission d'air comportant des moyens de contrôle du débit d'air d'admission, caractérisé en ce que les moyens d'injection de la quantité de liquide sont disposés en amont des moyens de contrôle du débit d'air d'admission et qu'il comprend une unité de commande électronique comprenant les instructions requises pour mettre en oeuvre un procédé de l'invention.
Brève description des dessins D'autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description ci-après d'un mode particulier de réalisation, non limitatif de l'invention, faite en référence aux figures dans lesquelles : - La figure 1 est une représentation schématique d'un moteur à combustion interne de l'invention. - La figure 2 présente un exemple de cartographie de l'art antérieur donnant la richesse en fonction du point de fonctionnement. - La figure 3 présente sous forme de logigramme le procédé de commande de l'invention selon un mode de réalisation. - La figure 4 présente un exemple de cartographie de l'art antérieur donnant le retard d'avance à l'allumage en fonction du point dd fonctionnement. - La figure 5 présente sous forme de logigramme le procédé de commande de l'invention selon un autre mode de réalisation. Description détaillée La figure 1 présente un moteur 1 à combustion interne comprenant des cylindres, ici trois mais leur nombre peut être différent, dans lequel s'effectue la combustion. Le moteur 1 comprend des moyens 3 d'admission air permettant d'amener de l'air dans les cylindres, chacun par un conduit 3' d'admission. Le moteur comprend encore des moyens d'injection de carburant. Dans le cas d'un moteur à injection directe, les moyens d'injection comprennent un injecteur 4 de carburant par cylindre 2. Le moteur comprend encore des moyens 9 d'allumage de la combustion dans les cylindres 2 tels que des bougies d'allumages. Le moteur comprend encore une unité 10 de commande électronique. L'unité 10 de commande électronique commande le fonctionnement des injecteurs 4 de carburant et gère la quantité de carburant injecté, leur durée et leur instant d'ouverture. L'unité 10 de commande électronique commande aussi le fonctionnement des moyens 9 d'allumage et gère leur instant d'allumage. Cet instant d'allumage est classiquement désigné par l'Avance à l'Allumage ou AA.
Le moteur 1 comporte encore des moyens d'injection d'une quantité de liquide destiné à être vaporisé dans le cylindre 2. De préférence, le liquide est de l'eau car il est neutre vis à vis de la combustion. Les moyens d'injection d'eau comprennent un réservoir 5 d'eau, une pompe 6 à eau, une rampe 7 d'injection d'eau ainsi qu'un injecteur 8 d'eau par cylindre 2. La pompe 6 à eau peut être intégrée dans le réservoir 5 d'eau comme illustré sur la figure 1. La pompe 6 fournit une pression d'injection jusqu'à la rampe d'injection 7. La pression d'injection est le d'ordre de quelques bar, par exemple 3 bar. Les injecteurs 8 sont alimentés par la rampe 7 d'injection et sont commandés par l'unité 10 de commande électronique. L'unité 10 de commande électronique gère la quantité d'eau injectée par chaque injecteur 8 d'eau en modifiant le temps d'ouverture de l'injecteur 8. Chaque injecteur 8 d'eau est placé dans un des conduit 3' d'admission d'air au cylindre 2 respectif du moteur ce qui permet à l'eau d'entrer dans la chambre de combustion. L'eau rentre dans la chambre de combustion lors de la phase d'admission du moteur. Lors de la phase suivante de compression, l'eau se vaporise ce qui diminue la température du mélange. Le moteur 1 comprend encore une ligne 11 d'échappement pour l'évacuation des gaz brûlés produits par le moteur. La ligne 11 d'échappement comprend un collecteur 12 de gaz d'échappement en provenance des cylindres 2 relié au carter du moteur 1 et un catalyseur de dépollution 16 des hydrocarbures imbrulés et du monoxyde de carbone. Le moteur 1 peut encore comprendre des moyens de suralimentation d'air, tel qu'un turbocompresseur comportant une turbine 13 disposée sur la ligne 11 d'échappement et un compresseur 14 disposé sur les moyens d'admission 3. Les moyens d'amission comprennent encore des moyens 15 de contrôle de débit d'air d'admission, tel qu'une vanne papillon. L'unité 10 de commande électronique commande le fonctionnement des moyens 15 de contrôle de débit d'air d'admission. Sur la figure 1, 13 désigne la température des gaz d'échappement à la sortie des cylindres. Cette température 13 est relevée par exemple au niveau du collecteur 12, par un capteur approprié et acquise par l'unité 10 de commande électronique. La figure 2 présente un exemple de cartographie de l'art antérieur qui donne en fonction d'un point de fonctionnement du moteur déterminé par son régime moteur, N en tr/ min et son couple moteur, C en N.m, la richesse requise. Le champ moteur couvert par la cartographie comprend une zone 20 de fonctionnement dont chaque point de fonctionnement correspond à un point dont la combustion, si elle était faite en mélange stoechiométrique, c'est-à-dire à richesse 1, conduirait à une température de gaz d'échappement, 13 supérieure à un seuil de température critique, Tc. Le seuil de température critique, Tc, est de préférence fixé relativement à un seuil prédéterminé de tenue mécanique du collecteur 14 ou encore de la turbine 13 du turbocompresseur. Le seuil de température critique, Tc, est par exemple de l'ordre de 900°C. Dans cette zone 20, on est obligé d'être supérieur à la stoechiométrie, le surplus de carburant apporté étant utilisé pour refroidir les gaz d'échappement en deçà du seuil de température critique, Tc.
La figure 3 présente schématiquement le procédé de commande du moteur selon l'invention. L'unité 10 de commande électronique comprend les instructions requises pour mettre en oeuvre le procédé de l'invention. En référence à la figure 3 : - A l'étape 30, on détermine un point de fonctionnement du moteur. Le point de fonctionnement moteur est par exemple déterminé simplement par son régime moteur, N, et son couple moteur C, A l'étape 31, on vérifie si le point de fonctionnement déterminé correspond à un point dont la combustion en mélange stoechiométrique conduit à une température de gaz d'échappement, 13, supérieure au seuil de température critique, Tc. Ces points de fonctionnement peuvent être préalablement déterminés par des essais et mémorisés dans une cartographie.
Dans l'affirmative (branche OUI partant de l'étape 31), à l'étape 32, on détermine la quantité d'eau liquide, -eau, à injecter permettant d'abaisser la température des gaz d'échappement en deçà du seuil de température critique. L'enthalpie de vaporisation de l'eau étant environ 7 fois plus importante que celle du carburant, le débit d'eau à injecter sera plus faible que le débit de carburant servant à refroidir les gaz d'échappement. La quantité d'eau liquide, -eau, à injecter en fonction du point de fonctionnement peut être préalablement déterminée par essais et mémorisée dans une cartographie. Par exemple pour un moteur de 1,6 I de cylindrée, le débit d'eau injecter pour de tels point de fonctionnement peut être compris entre lkg/heure et 3,5 kg/heure.
Dans la négative (branche NON partant de l'étape 31), on passe à l'étape 34, détaillée plu loin. A l'étape 33, on injecte pour le point de fonctionnement, N, C, déterminé la quantité d'eau, -eau, déterminée. L'eau est injectée dans les conduits 3' d'admission d'air, en phase d'admission d'air, en pilotant les injecteurs 8 à l'aide de l'unité 10 de commande électronique. A l'étape 34, on injecte la quantité de carburant, Qcarb stoe, appropriée pour réaliser un mélange stoechiométrique dans les cylindres 2.
Ainsi, le moteur 1 fonctionne à une richesse 1 sur tout le champ moteur, sans dépasser le seuil de température critique, Tc, à l'échappement. Avec une richesse 1 sur tout le champ moteur, le catalyseur 16 pourra traiter les hydrocarbures imbrûlés, HO et le monoxyde de carbone, CO. L'avantage de cette solution est qu'elle permet de traiter les hydrocarbures imbrûlés, HO et le monoxyde de carbone, CO à pleine charge et donc de répondre aux normes de dépollution avec un dispositif relativement simple. De plus, la consommation sera diminuée dans les zones où antérieurement l'on était à une richesse supérieure à 1. Il a été estimé que sur le point de puissance, avec un moteur turbocompressé, la consommation de carburant peut diminuer de 20% avec en contrepartie une consommation d'eau d'environ 3% du débit de carburant précédemment injecté. L'invention peut permettre également de gagner en consommation en diminuant le retard d'avance à l'allumage appliqué pour éviter le cliquetis et se rapprocher du calage d'avance à l'allumage optimum pour le rendement de combustion. L'apparition du cliquetis est principalement liée à une température de fin de compression des gaz d'admission élevée. L'injection d'eau permet de diminuer cette température et donc repousser l'apparition du cliquetis. Le calage de la combustion peut ainsi être optimisé. La figure 4 présente maintenant un exemple de cartographie de l'art antérieur qui donne en fonction d'un point de fonctionnement du moteur déterminé par son régime moteur, N en tr/ min et son couple moteur, C en N.m, un sous calage d'avance à l'allumage exprimé en degré vilebrequin, c'est-à-dire l'écart ou retard à appliquer à l'avance optimum pour éviter le cliquetis. Le champ moteur couvert par la cartographie comprend une zone 40 de fonctionnement dont chaque point de fonctionnement correspond à un point dont la combustion, si elle était faite avec une avance à l'allumage dont le retard à l'allumage est inférieur à un seuil de retard critique, Rc, déterminé conduirait à du cliquetis. A titre d'exemple, le seuil de retard critique sur la figure 4 est déterminé à 10 DV. Le seuil de retard critique, Rc, est par exemple compris entre 1 et 30 DV. Le seuil de retard critique, Rc, représente la limite tolérée de perte de rendement de combustion.
La figure 5 présente schématiquement le procédé de commande du moteur cette variante de l'invention. L'unité 10 de commande électronique comprend les instructions requises pour mettre en oeuvre le procédé de l'invention. Le procédé de la figure 5 diffère de celui de la figure 3 en ce qu'il comprend une étape 35 dans laquelle on vérifie si le point de fonctionnement déterminé correspond à un point dont la combustion initiée avec une l'avance à l'allumage réglée avec un retard, RAA, par rapport à l'avance optimum inférieur au seuil de retard critique, Rc, conduit au cliquetis, K . Ces points de fonctionnement peuvent être préalablement déterminés par des essais et mémorisés dans une cartographie. Dans l'affirmative, (branche oui partant de l'étape 35) à l'étape 32, on détermine la quantité d'eau liquide, C -eau, à injecter permettant d'éviter le cliquetis. Dans la négative (branche NON partant de l'étape 35), on passe à l'étape 34 déjà détaillée. L'invention ne se limite pas au mode de réalisation décrit. Dans une variante, l'eau peut contenir un additif contre le gel et ou la corrosion. Dans une autre variante, la quantité d'eau déterminée, -eau, peut être injectée en amont des moyens 15, de contrôle de débit d'air d'admission. Dans une autre variante, le liquide peut être un liquide autre que le carburant neutre vis-à-vis de la combustion.

Claims (10)

  1. REVENDICATIONS1. Procédé de commande d'un moteur (1) à combustion interne à allumage commandé comprenant un cylindre (2), des moyens (4) d'injection de carburant, des moyens d'injection d'une quantité d'un liquide autre que le carburant destiné à être vaporisé dans le cylindre (2), des moyens (3) d'admission d'air, dans lequel on détermine (30) un point de fonctionnement du moteur, caractérisé en ce que : on vérifie (31) si le point de fonctionnement déterminé correspond à un point dont la combustion en mélange stoechiométrique conduit à une température de gaz d'échappement (T3) supérieure à un seuil de température critique (Tc), Dans l'affirmative, on détermine (32) la quantité de liquide à injecter (Q',) permettant d'abaisser la température des gaz d'échappement en deçà du seuil de température critique (Tc), on injecte (33) pour le point de fonctionnement déterminé la quantité de liquide déterminée (Q'u) et on injecte (34) la quantité de carburant appropriée (Ccarb_stoe) pour réaliser un mélange stoechiométrique.
  2. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le liquide destiné à être vaporisé dans le cylindre (2) est de l'eau.
  3. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisée en ce que l'eau contient un additif contre le gel et / ou la corrosion.
  4. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le seuil de température critique (Tc) est fixé relativement à un seuil prédéterminé de tenue mécanique d'un collecteur (12) d'échappement ou d'une turbine (13) de turbocompresseur.
  5. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que le seuil de température critique (Tc) est de l'ordre de 900°C.
  6. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'on vérifie (35) si le point de fonctionnement correspond à un point dont la combustion, initiée avec une avance à l'allumage réglée avec un retard (Rm) par rapport à l'avance optimum inférieur à un seuil de retard critique (Rc), conduit au cliquetis et dans l'affirmative, on détermine (32) la quantité de liquide (Qeau) à injecter permettant d'éviter le cliquetis.
  7. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'on injecte (33) la quantité de liquide déterminée (Q',) dans les conduits (3') d'admission d'air, en phase d'admission.
  8. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'on injecte (33) la quantité de liquide déterminée (Q',) en amont des moyens (15) de contrôle de débit d'air d'admission, en phase d'admission.
  9. 9. Moteur (1) à combustion interne à allumage commandé comprenant un cylindre (2), des moyens (4) d'injection de carburant, des moyens d'injection d'une quantité de liquide autre que le carburant destiné à être vaporisé dans le cylindre (2), des moyens (3) d'admission d'air, caractérisé en ce que les moyens d'injection de la quantité de liquide sont disposés dans le conduit (3') d'admission d'air au cylindre (2) et qu'il comprend une unité (10) de commande électronique comprenant les instructions requises pour mettre en oeuvre un procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7.
  10. 10. Moteur (1) à combustion interne à allumage commandé comprenant un cylindre (2), des moyens (4) d'injection de carburant, des moyens d'injection d'une quantité de liquide autre que le carburant destiné à être vaporisé dans le cylindre (2), des moyens (3) d'admission d'air comportant des moyens (15) de contrôle du débit d'air d'admission, caractérisé en ce que les moyens d'injection de la quantité de liquide sont disposés en amont des moyens (15) de contrôle du débit d'air d'admission et qu'il comprend une unité (10) de commande électronique comprenant les instructions requises pour mettre en oeuvre un procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 ou selon la revendication 8.
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