FR3102212A1 - Moteur à combustion interne à essence à allumage par compression - Google Patents
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Abstract
La présente invention concerne un moteur (1) à combustion interne à allumage par compression et à charge de carburant essence en partie pré-mélangée comprenant une chambre (6) de combustion reliée à une ligne (12) d’admission d’air, une soupape (10) d’admission et une soupape (14), des moyens d’injection de la charge en carburant comprenant un premier injecteur (17) de carburant injectant directement dans la chambre (6), des moyens (23) de commande du fonctionnement du moteur, caractérisé en ce que les moyens d’injections comprennent un second injecteur (19) de carburant placé dans la ligne (12) d’admission, les moyens (23) de commande pilotent le second injecteur (19) pour injecter une partie de la charge en carburant de sorte qu’elle entre dans la chambre (6) de combustion pendant la phase d’admission, puis pilotent le premier injecteur (17) pour injecter le reste de la charge en carburant dans la chambre (6) de combustion lorsque les soupapes sont fermées. Figure 1
Description
La présente invention concerne le domaine technique des moteurs à combustion interne.
Plus particulièrement, l’invention a pour objet un moteur à combustion interne à allumage par compression et à charge de carburant essence en partie pré-mélangée.
Aujourd’hui, deux architectures majeurs dominent les motorisations automobiles se différenciant par leur carburant : essence et gazole. Celles-ci se distinguent par leur mode de combustion : essence avec une combustion à allumage commandé, le gazole avec une auto-inflammation du mélange air-carburant.
Les moteurs Diesel ont l’image d’une architecture permettant de faire beaucoup de kilomètres avec un coût total d’exploitation contenu. Les motorisations Diesel ont également pour avantage un couple à bas régime très élevé par rapport à l’essence, ce qui sur des véhicules lourds de type véhicule utilitaire ou équivalent permet un décollage du véhicule avec des prestations convenables (contrairement aux motorisation essence).
Néanmoins, la combustion Diesel possède des caractéristiques d’émission de polluants non négligeables, ce qui aujourd’hui pour diverses raisons pousse le législateur à vouloir l’écarter des centres villes. De plus, le carburant gazole est essentiellement distribué au sein des pays européens mais il n’est pas absolument pas un carburant mondiale comme l’essence.
Pour des raisons, il existe un besoin pour proposer une motorisation essence à haut rendement, permettant d’avoir un bon compromis entre le coût total d’exploitation les émissions de CO2, avec des performances, en couple à bas régime essentiellement, proche des motorisations Diesel.
Ainsi, pour se rapprocher avec un moteur fonctionnant à l’essence, d’une combustion de type Diesel il est connu par exemple du document EP3533987A1 d’avoir un mode de combustion en deux phases : auto-inflammation par pré-mélange d’une partie du carburant suivie d’une combustion par diffusion.
La principale difficulté de cette combustion en rupture réside sur les caractéristiques du délais d’auto-inflammation du carburant essence. Pour permettre l’auto-inflammation de l’essence, les conditions de pression et de température dans la chambre de combustion doivent être optimales. Par ailleurs, il est plus difficile d’auto-enflammer de l’essence par rapport au gazole ce qui est un obstacle pour adresser les basses charges et les forts régimes.
Une des solutions étudiées pour palier à cette complication, connue du document EP3533987A1, est d’utiliser une bougie d’allumage pour préparer une petite zone de la chambre de combustion autour du point d’étincelle de la bougie avec des conditions de températures plus approprié pour permettre l’auto-inflammation. Ici, on distinguera l’utilisation de la bougie d’allumage uniquement pour préparer une zone de la chambre de combustion et non comme initiateur d’une combustion qui ensuite se propage par front de flamme, qui est dans ce dernier cas le mode de combustion classique des moteurs essence à allumage commandé.
Toutefois ce type de combustion par auto-inflammation, présente des inconvénients parmi lesquels un bruit de combustion élevé, un bon compromis NOx / particules difficile à obtenir, des détonations anormales dans la chambre de combustion (cliquetis), une disparité cylindre à cylindre entrainant des instabilités moteur.
L’invention vise ainsi à améliorer les difficultés rencontrées avec ce type de combustion spécifique.
Pour atteindre cet objectif, il est prévu selon l’invention un moteur à combustion interne à allumage par compression et à charge de carburant essence en partie pré-mélangée, ce moteur comprenant :
-une chambre de combustion reliée à une ligne d’admission d’air,
-une soupape d’admission d’air et une soupape d’échappement de gaz brûlés de la chambre de combustion, la soupape d’admission et la soupape d’échappement s’ouvrant et se fermant à des instants déterminés au cours d’un cycle moteur comprenant une phase d’admission, de compression, de combustion-détente et d’échappement,
-des moyens d’injection de la charge en carburant comprenant un premier injecteur de carburant injectant du carburant directement dans la chambre de combustion,
-des moyens de commande du fonctionnement du moteur,
caractérisé en ce que :
-les moyens d’injections comprennent un second injecteur de carburant placé dans la ligne d’admission,
-les moyens de commande pilotent le second injecteur pour injecter une partie de la charge en carburant de sorte qu’elle entre dans la chambre de combustion pendant la phase d’admission, puis pilotent le premier injecteur pour injecter le reste de la charge en carburant dans la chambre de combustion lorsque les soupapes d’admission et d’échappement sont fermées.
-une chambre de combustion reliée à une ligne d’admission d’air,
-une soupape d’admission d’air et une soupape d’échappement de gaz brûlés de la chambre de combustion, la soupape d’admission et la soupape d’échappement s’ouvrant et se fermant à des instants déterminés au cours d’un cycle moteur comprenant une phase d’admission, de compression, de combustion-détente et d’échappement,
-des moyens d’injection de la charge en carburant comprenant un premier injecteur de carburant injectant du carburant directement dans la chambre de combustion,
-des moyens de commande du fonctionnement du moteur,
caractérisé en ce que :
-les moyens d’injections comprennent un second injecteur de carburant placé dans la ligne d’admission,
-les moyens de commande pilotent le second injecteur pour injecter une partie de la charge en carburant de sorte qu’elle entre dans la chambre de combustion pendant la phase d’admission, puis pilotent le premier injecteur pour injecter le reste de la charge en carburant dans la chambre de combustion lorsque les soupapes d’admission et d’échappement sont fermées.
L’effet technique est de permettre une meilleure homogénéisation de la partie de la charge envoyé dans la chambre de combustion pendant la phase d’admission, ce qui améliore ensuite la phase d’auto inflammation.
Diverses caractéristiques supplémentaires peuvent être prévues, seules ou en combinaisons :
Selon une réalisation, la partie de la charge en carburant injectée par le second injecteur est injectée avant l’ouverture de la soupape d’admission.
Selon une réalisation, la partie de la charge en carburant injectée par le second injecteur représente entre 10 et 40% de la totalité de la charge en carburant.
Selon une réalisation, l’injection de la partie de la charge en carburant par le premier injecteur comprend une phase d’injection dite principale débutant entre - 5 degrés vilebrequin et + 20 degrés vilebrequin, 0 correspondant au Point Mort Haut compression.
Selon une réalisation, l’injection de la partie de la charge en carburant par le premier injecteur comprend une injection dite pilote débutant entre - 40 degrés vilebrequin et - 15 degrés vilebrequin avant le Point Mort Haut compression, la partie de la charge en carburant injectée par cette injection pilote et la partie de la charge en carburant injectée par le second injecteur représentant la moitié de la totalité de la charge en carburant.
Selon une réalisation, le moteur comprend une bougie d’allumage par étincelle, les moyens de commande pilotant cette bougie sur au moins une partie du domaine de fonctionnement du moteur pour assister l’allumage par compression de la charge de carburant.
Selon une réalisation, le moteur est issu d’un moteur à combustion interne à allumage par compression fonctionnant initialement au gazole et comprenant un logement de bougie de préchauffage dans lequel la bougie d’allumage par étincelle est disposée dans le logement de la bougie de préchauffage.
Selon une réalisation, les moyens de commandes pilotent la bougie d’allumage sur un domaine de fonctionnement du moteur pour lequel la pression moyenne effective est inférieure à 6 bars.
Selon une réalisation, le taux de compression géométrique du moteur est compris entre 15 et 20.
Selon une réalisation, la pression d’injection du premier injecteur est comprise entre 200 bars et 2500 bars tandis que le la pression d’injection du second injecteur est comprise entre 5 bars et 50 bars.
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 à la figure unique dans laquelle :
La figure 1 représente un moteur 1 à combustion interne à quatre temps dont le cycle moteur se décompose classiquement en quatre phases : une phase d’admission, une phase de compression, une phase de combustion-détente et une phase d’échappement. Dans ce mode de réalisation, ce moteur est à allumage par compression et dont la charge de carburant est en partie pré-mélangée. Ce moteur 1 peut équiper un véhicule automobile pour fournir la puissance requise à son déplacement.
Le moteur 1 comprend un carter cylindre 2 comportant plusieurs cylindres 3 (seulement un cylindre est représenté sur la figure 1), fermé en partie supérieure par une culasse 4. A l’intérieur de ce cylindre 3 est logé un piston 5 qui permet de délimiter avec le cylindre 3 et la culasse 4 une chambre de combustion 6. Le piston 5 est monté déplaçable en translation entre un point mort haut (PMH) et un point mort bas (PMB).
Le piston 5 est relié à un vilebrequin 7 au moyen d’une bielle 8, de sorte que le coulissement alternatif du piston 5 dans le cylindre 3 permet la rotation du vilebrequin 7.
La culasse comprend une tubulure 9 d’admission débouchant dans la chambre 6 de combustion par l'intermédiaire d'une ouverture d’admission. Cette ouverture d'admission échappement est obturable par une soupape 10 d’admission déplaçable entre une position fermée, et une position ouverte dans laquelle l’air admission entre à l'intérieur de la chambre 6 de combustion. Cette soupape 10 d’admission est déplacée entre ces positions ouverte et fermée par des moyens d’actionnement 11. L’ouverture et la fermeture de la soupape 10 d’admission s’effectue à des instants déterminés au cours du cycle moteur.
La tubulure 9 d’admission est reliée à une ligne 12 d’admission d’air par laquelle arrive l’air admis dans le moteur 1
La culasse 4 comprend également une tubulure 13 d’échappement débouchant également à l'intérieur de la chambre 6 de combustion par l'intermédiaire d'une ouverture d'échappement. Cette ouverture d'échappement est obturable par une soupape 14 d’échappement déplaçable entre une position fermée, et une position ouverte dans laquelle les gaz brûlés contenus à l'intérieur de la chambre 6 de combustion peuvent s'échapper. Cette soupape 14 d’échappement est déplacée entre ces positions ouverte et fermée par des moyens d’actionnement 15. L’ouverture et la fermeture des soupapes 14 d’échappement s’effectuent à des instants déterminés au cours du cycle moteur.
La tubulure 13 d’échappement est reliée à une ligne 16 d’échappement par laquelle sont évacués les gaz brûlés produits par le moteur 1
Le moteur 1 peut encore comprendre une ligne 20 de recirculation de gaz brûlés s’étendant entre la ligne 16 d’échappement et la ligne 12 d’admission d’air. Cette ligne est classiquement équipée d’une vanne 20a de contrôle du débit gaz brûlés à renvoyer vers la ligne 3 d’admission d’air et un refroidisseur 20b de ces gaz brûlés.
Le moteur 1 peut encore comprendre un turbocompresseur 21 dont la roue de compresseur 21a est disposée dans la ligne 12 d’admission et la turbine 21b est disposée dans la ligne 16 d’échappement.
Le moteur 1 comprend encore une vanne 22 de dosage d’air admis dans le moteur 1.
Dans ce mode de réalisation une bougie 18 d’allumage est prévue pour chaque cylindre 3. La bougie 18 d’allumage fournit une quantité d’énergie au mélange air carburant sous la forme d’une étincelle. Cette étincelle a pour fonction d’assister au besoin l’allumage par compression de la charge de carburant.
Le moteur comprend encore des moyens d’injection de la charge en carburant dans la chambre 6 de combustion. Ces moyens d’injection comprennent un premier injecteur 17 de carburant, disposé dans la culasse 4 et prévu pour injecter le carburant directement à l'intérieur de la chambre 6 de combustion. Ce premier injecteur 17 injecte du carburant dans la chambre 6 de combustion. Selon ce mode de réalisation le moteur 1 est un moteur à carburant essence, l’essence étant utilisée comme carburant injecté par ce premier injecteur 17. Cependant ce carburant dit carburant essence n’est pas nécessairement entièrement de l’essence, et peut contenir un sous-composant tel que de l’alcool. Ce premier injecteur 17 est un injecteur dit haute pression, en ce que le carburant est injecté dans la chambre 6 de combustion à une pression d’injection comprise entre 200 et 2500 bars, ce qui permet une bonne pulvérisation du carburant et réduit son temps d’évaporation. La pression d’injection peut être variable et ajustée aux conditions de fonctionnement du moteur par l’intermédiaire d’une pompe (non représentée).
Conformément à l’invention, les moyens d’injection de la charge en carburant comprennent encore, de préférence pour chaque cylindre 3, un second injecteur 19 placé dans la ligne 12 d’admission d’air, directement en amont de la tubulure 9 d’admission. Ce second injecteur 19 est un injecteur dit basse pression, relativement au premier injecteur 17, et en ce que le carburant est injecté dans la chambre 6 de combustion via la tubulure d’admission à une pression d’injection comprise entre 5 et 50 bars. La pression d’injection peut être variable et ajustée aux conditions de fonctionnement du moteur par l’intermédiaire d’une pompe (non représentée). Pour des raisons de simplification du circuit de carburant, le carburant injecté par ce second injecteur 19 est de préférence le même carburant que celui injecté par le premier injecteur 17. De par sa pression d’injection relativement plus faible que celle du premier injecteur ce second injecteur et son circuit de carburant permet l’usage de technologies d’injecteur plus économiques que pour les injecteurs haute pression.
Les différents équipements du moteur 1 susceptibles d'être commandés tels que les actionneurs 11, 15, la bougie d’allumage 18, le premier injecteur 17 de carburant, le second injecteur 19 de carburant, la vanne de dosage d’air 22 et le cas échéant la vanne 20a de contrôle de débit de gaz brûlés sont pilotés par des moyens 23 de commande du fonctionnement du moteur. Cette moyens 23 de commande peuvent être un calculateur électronique.
Le taux de compression géométrique du moteur 1 est compris entre 15 et 20, ce qui permet d’atteindre des conditions de pression et de température requises pour l’auto inflammation par compression du mélange air / carburant.
Pour des raisons économiques, ce moteur 1 peut être un moteur à combustion interne à allumage par compression initialement pour fonctionner au gazole. Ce moteur initialement prévu pour fonctionner au gazole comprend classiquement un logement pour une bougie de préchauffage et afin de maximiser les investissements il est prévu de d’utiliser ce logement de bougie de préchauffage pour y placer la bougie d’allumage 18.
Néanmoins, on peut imaginer aussi un emplacement plus optimal pour la combustion et donc différent de la position de la bougie de préchauffage. Ce cas est toutefois moins économique car des opérations supplémentaires de fabrication sont à prévoir : obturation du logement de bougie de préchauffage, aménagement d’un logement de bougie dans la culasse.
Le second injecteur 19 placé dans la ligne 12 d’admission a pour fonction d’injecter une partie de la charge de carburant dans la chambre 6 de combustion et de créer un pré-mélange plus homogène que si cette charge de carburant avait été injectée directement dans la chambre 6 de combustion.
Ainsi, dans un premier temps, les moyens 23 de commande pilotent le second injecteur 19 pour injecter une partie de la charge en carburant de sorte qu’elle entre dans la chambre 6 de combustion pendant la phase d’admission.
Afin de laisser plus de temps pour l’homogénéisation de cette partie de la charge en carburant avec l’air, on peut prévoir de commencer l’injection du carburant par le second injecteur 19 avant l’ouverture de la soupape 10 d’admission.
La partie de la charge en carburant injectée par ce second injecteur 19 représente entre 10% et 40% de la totalité de la charge en carburant injectée au cours du cycle moteur. A moins de 10%, il devient difficile de gérer correctement la quantité de carburant et au-delà de 40% le temps d’injection devient trop long est pénalise l’homogénéisation.
Ensuite, dans un deuxième temps, les moyens 23 de commande pilotent le premier injecteur 17 pour injecter le reste de la charge en carburant dans la chambre 6 de combustion lorsque les soupapes d’admission et d’échappement sont fermées, pendant les phases de compression et de détente.
Afin de profiter au mieux des conditions de pression et de température requises pour l’auto inflammation, il est prévu de réaliser l’injection du reste de la charge en carburant par ce premier injecteur 17 en débutant cette injection dite principale entre -5 degrés vilebrequin et +20 degrés vilebrequin, 0 correspondant au Point Mort Haut compression et une valeur négative à un instant antérieur au passage du piston au Point Mort Haut compression.
En variante, on peut prévoir que le reste de la charge en carburant à envoyer dans la chambre 6 de combustion soit injecté par le premier injecteur 17 en deux fois, avec une injection dite pilote qui précède l’injection dite principale. Une telle injection pilote permet d’améliorer l’auto-inflammation du carburant essence, d’avoir un meilleur calage de combustion dans des zones cliquetantes et d’améliorer le compromis émissions de NOx/particules en évitant des richesses locales élevées.
Dans cette variante, l’injection dite pilote est prévue pour débuter entre - 40 degrés vilebrequin et - 15 degrés vilebrequin avant le Point Mort Haut compression. La partie de la charge en carburant injectée par cette injection pilote et la partie de la charge en carburant injectée par le second injecteur 19 représentant la moitié de la totalité de la charge en carburant. L’autre moitié de la charge en carburant est donc envoyée dans la chambre de combustion lors de l’injection dit principale.
Comme déjà évoqué, la bougie 18 d’allumage a pour fonction d’assister le démarrage de l’auto inflammation de la charge de carburant, sur une partie du domaine de fonctionnement pour lequel les conditions de pression et de température dans la chambre 6 de combustion sont insuffisantes pour déclencher une auto inflammation spontanée. A cet effet, il est prévu que les moyens 23 de commandes pilotent la bougie 18 d’allumage sur la partie du domaine de fonctionnement du moteur 1 pour lequel la pression moyenne effective, PME, est inférieure à 6 bars. L’instant d’allumage est prévu pour être autour de +10 degrés vilebrequin après Point Mort Haut compression.
Grâce à l’invention, le système d’injection indirecte permet de rendre bien plus homogène le mélange air / carburant dans la chambre de combustion qu’avec un pré-mélange issu d’une injection directe. Les avantages à cette meilleure homogénéisation sont multiples :
- Amélioration des émissions de particules permettant de trouver de meilleurs compromis NOx /Particules et donc un meilleur rendement moteur,
- Amélioration des émissions d’hydrocarbures imbrûlés, HC, ce qui est fort intéressant car les émissions de HC sont importantes avec une combustion par auto-inflammation,
- Diminution des combustions anormales de type cliquetis grâce à diminution de zones à fortes richesses dans la chambre de combustion, qui peuvent être destructeur pour le moteur.
Claims (10)
- Moteur (1) à combustion interne à allumage par compression et à charge de carburant essence en partie pré-mélangée, ce moteur (1) comprenant :
-une chambre (6) de combustion reliée à une ligne (12) d’admission d’air,
-une soupape (10) d’admission d’air et une soupape (14) d’échappement de gaz brûlés de la chambre (6) de combustion, la soupape (10) d’admission et la soupape (14) d’échappement s’ouvrant et se fermant à des instants déterminés au cours d’un cycle moteur comprenant une phase d’admission, de compression, de combustion-détente et d’échappement,
-des moyens d’injection de la charge en carburant comprenant un premier injecteur (17) de carburant injectant du carburant directement dans la chambre (6) de combustion,
-des moyens (23) de commande du fonctionnement du moteur,
caractérisé en ce que
-les moyens d’injections comprennent un second injecteur (19) de carburant placé dans la ligne (12) d’admission,
-les moyens (23) de commande pilotent le second injecteur (19) pour injecter une partie de la charge en carburant de sorte qu’elle entre dans la chambre (6) de combustion pendant la phase d’admission, puis pilotent le premier injecteur (17) pour injecter le reste de la charge en carburant dans la chambre (6) de combustion lorsque les soupapes d’admission et d’échappement sont fermées. - Moteur (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que la partie de la charge en carburant injectée par le second injecteur (19) est injectée avant l’ouverture de la soupape d’admission.
- Moteur (1) selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que la partie de la charge en carburant injectée par le second injecteur (19) représente entre 10 et 40% de la totalité de la charge en carburant.
- Moteur (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l’injection de la partie de la charge en carburant par le premier injecteur (17) comprend une phase d’injection dite principale débutant entre - 5 degrés vilebrequin et + 20 degrés vilebrequin, 0 correspondant au Point Mort Haut compression.
- Moteur (1) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l’injection de la partie de la charge en carburant par le premier injecteur (17) comprend une injection dite pilote débutant entre - 40 degrés vilebrequin et - 15 degrés vilebrequin avant le Point Mort Haut compression, la partie de la charge en carburant injectée par cette injection pilote et la partie de la charge en carburant injectée par le second injecteur (19) représentant la moitié de la totalité de la charge en carburant.
- Moteur (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il comprend une bougie (18) d’allumage par étincelle, les moyens de commande (23) pilotant cette bougie (18) sur au moins une partie du domaine de fonctionnement du moteur (1) pour assister l’allumage par compression de la charge de carburant.
- Moteur (1) selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu’il est issu d’un moteur à combustion interne à allumage par compression fonctionnant initialement au gazole et comprenant un logement de bougie de préchauffage dans lequel la bougie (18) d’allumage par étincelle est disposée dans le logement de la bougie de préchauffage.
- Moteur (1) selon la revendication 6 ou la revendication 7, caractérisé en ce que les moyens (23) de commandes pilotent la bougie (18) d’allumage sur un domaine de fonctionnement du moteur (1) pour lequel la pression moyenne effective est inférieure à 6 bars.
- Moteur (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le taux de compression géométrique du moteur (1) est compris entre 15 et 20.
- Moteur (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la pression d’injection du premier injecteur (17) est comprise entre 200 bars et 2500 bars tandis que le la pression d’injection du second injecteur est comprise entre 5 bars et 50 bars.
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2019
- 2019-10-16 FR FR1911509A patent/FR3102212B1/fr active Active
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