WO2007042674A1 - Procede de contrôle de l'auto-inflammation d'un melange carbure, notamment pour moteur a combustion interne de type diesel, et moteur utilisant un tel procede - Google Patents

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Definitions

  • the method may include defining the cetane number of the fuel to be injected into the combustion chamber to correspond to the desired course of the autoignition combustion and to adjust the cetane number of the fuel used for the mixture to that defined.

Abstract

La présente invention concerne un procédé de contrôle de l'auto-inflammation d'un mélange carburé, notamment pour moteur à combustion interne de type Diesel, procédé selon lequel on réalise, dans au moins une chambre de combustion (14) du moteur, un mélange carburé avec un carburant et au moins un fluide pour obtenir une combustion de type homogène par auto inflammation. Selon l'invention, le procédé consiste à: a) définir le déroulement souhaité de la combustion par auto-inflammation du mélange carburé ; b) adapter l'indice de cétane du carburant utilisé pour le mélange à celui du carburant permettant d'obtenir le déroulement souhaité de la combustion.

Description

Procédé de contrôle de l'auto-inflammation d'un mélange carburé, notamment pour moteur à combustion interne de type Diesel, et moteur utilisant un tel procédé.
La présente invention se rapporte à un procédé de contrôle de l'auto- inflammation d'un mélange carburé, notamment pour moteur à combustion interne de type Diesel, et à un moteur utilisant un tel procédé.
Dans le cadre de ses développements de moteurs, notamment de type Diesel, le demandeur a pour préoccupation constante de réduire la consommation de carburant et les émissions de polluants, comme les suies et les oxydes d'azote (NOx). Pour cela, le demandeur a poursuivi ses travaux dans le domaine du mode de combustion de l'inflammation par compression d'une charge homogène (en abréviation anglaise H. CCI pour Homogeneous Combustion Compression Ignition) dont l'objectif est de réduire de façon conséquente la consommation ainsi que les émissions de polluants sur une large plage d'utilisation de ces moteurs et cela en conservant leurs performances.
Ainsi, pour ce type de mode de combustion H. CC. I, il est prévu, pour les faibles et moyennes charges, de remplacer la combustion classique par diffusion de carburant enflammé conventionnellement par compression de l'air ou d'un mélange d'air et de gaz brûlés, par une combustion par autoinflammation à longue durée d'un mélange carburé. Cette longue durée permet ainsi de mélanger le carburant issu d'un injecteur avec le ou les fluides gazeux admis dans la chambre de combustion de ce moteur, tel que de l'air ou un mélange d'air et de gaz d'échappement recirculés (EGR), de manière à obtenir un mélange carburé quasiment homogène avant le démarrage de la combustion. De ce fait, durant le déroulement de la phase de compression du moteur, le mélange carburé atteint un certain seuil de température ainsi que de pression et une combustion de ce mélange est réalisée par auto-inflammation. Ainsi, cette combustion de type homogène permet de réduire la consommation de carburant et de minimiser la production d'oxydes d'azote (NOx) et de particules lors de la combustion.
Cependant, ce type de combustion présente un certain nombre d'inconvénients non négligeables.
En effet, pour réaliser cette combustion de type homogène, il est indispensable de maîtriser le déroulement de la combustion et son calage dans le cycle du moteur. Cela nécessite d'obtenir un bon calage de la combustion, c'est-à-dire l'instant exact où le mélange carburé s'auto-enflamme par rapport au cycle du moteur, et de pouvoir contrôler la durée d'auto-inflammation du mélange carburé. En effet, le début de cette auto-inflammation doit se réaliser lorsque le piston a atteint sa position adéquate, généralement au voisinage du point mort haut (PMH), et ce au moment où le mélange carburé contient toutes les caractéristiques physico-chimiques requises pour s'auto-enflammer, et se terminer au voisinage du point mort bas de ce piston.
Ainsi, il a pu être constaté qu'un début décalée d'auto-inflammation, en avance par rapport à Ia position du piston ou en retard par rapport à cette position, ainsi qu'une durée trop courte ou trop longue de combustion, ont pour effet de générer des bruits de combustion, d'augmenter la consommation de carburant, de diminuer le rendement du moteur et d'émettre une grande quantité de polluants, comme les oxydes d'azotes.
De plus, l'indice de cétane du carburant utilisé est l'un des paramètres à considérer pour pouvoir contrôler le déroulement de l'auto-inflammation du mélange carburé mais le calage de la combustion est tributaire du point de fonctionnement du moteur, tant au niveau de la pression que de la température de ce moteur. Pour cela, un compromis sur l'indice de cétane est nécessaire pour pouvoir faire fonctionner le moteur sur toutes ses plages de régimes et de charges. La présente invention se propose donc de remédier aux inconvénients mentionnés ci-dessus en proposant un procédé de contrôle de l'auto- inflammation du mélange carburé en permettant d'adapter les propriétés du carburant aux impératifs de la combustion.
A cet effet, la présente invention concerne un procédé de contrôle de l'auto-inflammation d'un mélange carburé, notamment pour moteur à combustion interne de type Diesel, procédé selon lequel on réalise, dans au moins une chambre de combustion du moteur, un mélange carburé avec un carburant et au moins un fluide pour obtenir une combustion de type homogène par auto-inflammation, caractérisé en ce qu'il consiste à : a) définir le déroulement souhaité de la combustion par auto-inflammation du mélange carburé ; b) adapter l'indice de cétane du carburant utilisé pour le mélange à celui du carburant permettant d'obtenir le déroulement souhaité de la combustion.
Le procédé peut consister à définir l'indice de cétane du carburant à injecter dans la chambre de combustion pour correspondre au déroulement souhaité de la combustion par auto-inflammation et à adapter l'indice de cétane du carburant utilisé pour le mélange à celui défini.
Ce procédé peut consister à évaluer le signal de la pression dans Ia chambre de combustion pour correspondre au déroulement souhaité de la combustion par auto-inflammation, à mesurer le signal réel de la pression dans ces chambres, et à adapter l'indice de cétane du carburant utilisé pour le mélange pour faire correspondre le signal réel de la pression au signal évalué de cette pression.
Le procédé peut consister à adapter l'indice de cétane du carburant, utilisé pour le mélange, par additivation. Le procédé peut consister à combiner, avec le carburant utilisé pour le mélange, au moins un additif choisi parmi les molécules de type nitrates.
Le procédé peut consister à combiner, avec Ie carburant utilisé pour le mélange, au moins un additif choisi parmi les molécules de type peroxydes.
Préférentiellement, il peut consister à utiliser un additif de type 2-éthylhexylnitrate.
Ce procédé peut consister à utiliser un additif de type di-tertiobutylperoxyde.
Il peut aussi consister à combiner l'additif avec le carburant utilisé pour le mélange avant l'introduction de ce carburant dans la chambre de combustion.
De même, il peut consister à introduire, de manière séparée, l'additif et le carburant utilisé pour le mélange dans les chambres de combustion.
L'invention concerne également un moteur à combustion interne, notamment de type Diesel, comprenant au moins un cylindre avec une chambre de combustion dans laquelle se réalise une combustion de type homogène par auto-inflammation d'un mélange d'un carburant avec au moins un fluide, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de variation de l'indice de cétane du carburant.
Ces moyens de variation de l'indice de cétane du carburant peuvent comprendre des moyens d'additivation du carburant utilisé pour le mélange.
Ils peuvent comprendre au moins un réservoir d'additif et une pompe- doseuse injectant de l'additif dans le carburant utilisé pour le mélange pour s'y combiner avant l'introduction dans la chambre de combustion. Ces moyens d'additivation peuvent comprendre au moins un réservoir d'additif et des moyens d'injection d'additif dans la chambre de combustion.
Les autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront mieux à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre illustratif et nullement limitatif, à partir d'exemples non limitatifs de réalisation, en se référant aux dessins annexés où :
- la figure 1 montre schématiquement un moteur à combustion interne utilisant le procédé selon l'invention et
- la figure 2 est une variante de l'invention à partir du moteur à combustion interne de la figure 1.
Sur la figure 1 , le moteur à combustion interne 10, notamment de type Diesel, comprend au moins un cylindre 12 avec une chambre de combustion 14 communiquant avec des moyens d'admission 16 comportant une soupape d'admission 18 commandant une tubulure d'admission 20 et des moyens d'échappement 22 avec une soupape d'échappement 24 associée à une tubulure d'échappement 26. Ce moteur comporte également des moyens d'injection de carburant 28 qui sont, dans l'exemple de la figure 1 , une rampe d'injection 30 et des injecteurs 32 prévus pour injecter du carburant directement dans les chambres de combustion. Avantageusement, un capteur de pression 34 est en communication avec la chambre de combustion et permet de mesurer l'évolution de la pression à l'intérieur de cette chambre. Ce capteur permet notamment d'analyser le déroulement de la combustion dans cette chambre.
Les moyens d'injection de carburant, et plus particulièrement la rampe 30, sont reliés à un réservoir de carburant 36 par une conduite 38. Une pompe d'aspiration, dite pompe de carburant 40, permet d'amener du carburant de ce réservoir à la rampe 30 via la conduite 38. Un réservoir 42, contenant un additif ou un mélange d'additifs, est associé au moteur. Une canalisation 44 part de ce réservoir d'additif et aboutit à une intersection 46 avec la conduite de carburant 38. Une pompe-doseuse 48 permet d'introduire une quantité souhaitée d'additif dans la conduite 38 pour que cet additif se combine avec le carburant qui y circule. Avantageusement et pour obtenir une bonne combinaison entre le carburant de base et l'additif, il peut être prévu de situer l'intersection 46 en amont de la pompe de carburant 40.
Bien entendu, il peut être prévu de disposer d'une multiplicité de réservoirs contenant chacun un additif différent, ou un mélange d'additifs, et comprenant des canalisations portant des pompes-doseuses et raccordées à la conduite de carburant.
Avantageusement, le carburant de base contenu dans le réservoir 36 est un carburant de type Diesel avec un indice de cétane de l'ordre de 30 à 50, ce qui permet d'avoir une durée d'auto-inflammation du mélange carburé de longue durée. Le réservoir d'additif 42 contient au moins un additif, dit additif pro-cétane, qui permet, lorsqu'il est combine avec le carburant, d'augmenter l'indice de cétane du carburant et par conséquence de diminuer la durée de l'auto-inflammation du mélange carburé ainsi obtenu. Préférentiellement, cet additif est choisi parmi des molécules à très faible durée d'auto-inflammation, telles que les nitrates, comme par exemple le 2-éthylhexylnitrate, ou les peroxydes, tels que le di-tertiobutylperoxyde. Par durée d'auto-inflammation, il est entendu le temps écoulé entre le début de l'injection de carburant dans la chambre de combustion et l'instant où le mélange carburé s'enflamme.
Comme cela est connu, une unité de calcul et de commande du moteur, dit calculateur-moteur 50, est associée avec le moteur. Ce calculateur permet notamment de commander chaque injecteur de carburant 32 par une ligne bidirectionnelle 52 et reçoit également des informations de la part des capteurs de pression 34 par des voies de communication 54. Le calculateur permet également de contrôler la pompe-doseuse 48 par une ligne 56 et d'activer la pompe de carburant 40 par une ligne 58. Ce calculateur comprend également des cartographies ou des tables de données permettant d'évaluer, en fonction des conditions de fonctionnement du moteur, comme le régime du moteur, sa charge ou la demande de couple, le type de mode de combustion (de type homogène ou classique). En cas de combustion de type homogène, ce calculateur définit les paramètres pour le déroulement souhaité de Ia combustion par auto-inflammation, comme le moment de l'auto-inflammation de ce mélange dans le cycle du moteur, la durée de cette auto-inflammation, .... En fonction de ces informations sur l'auto- inflammation, le calculateur détermine, également par des cartographies ou des tables de données, le carburant avec l'indice de cétane souhaité à injecter dans la chambre de combustion 14 par les injecteurs 32 pour obtenir une telle autoinflammation. En fonction de cet indice, le calculateur, également par une table de données, détermine la quantité d'additif à introduire dans la conduite 38 par la pompe-doseuse 48 pour s'y combiner avec le carburant qui y circule. Il commande, en conséquence, cette pompe-doseuse de façon à ce que la combinaison de l'additif avec le carburant de base permette d'obtenir un carburant avec un indice de cétane adéquat pour obtenir le déroulement souhaité de la combustion par auto-inflammation. Le carburant additivé ainsi obtenu est ensuite introduit, en quantité voulue, dans les chambres de combustion par les injecteurs 32 sous la commande du calculateur 50.
Cette combustion par auto-inflammation d'un carburant avec un indice de cétane idéal est continûment surveillée par les capteurs de pression 34 dont les signaux sont envoyés au calculateur. Ainsi, en cas de dérive, le calculateur ajuste l'indice de cétane du carburant pour obtenir les conditions idéales de la combustion dans la chambre 14.
Dans une alternative, la quantité d'additif à introduire dans la conduite ne sera pas déterminée par des tables de données ou des cartographies donnant l'indice de cétane souhaité du carburant en fonction des conditions de fonctionnement du moteur, mais par un suivi en boucle du déroulement de la combustion grâce à l'analyse du signal de pression mesurée dans les chambres de combustion et envoyée par les capteurs 34 au calculateur-moteur 50 par les voies 54.
En effet, ce signal est représentatif du déroulement de la combustion dans la chambre de combustion et se caractérise par un pic de pression signalant le début de l'auto-inflammation à un instant donné dans le cycle du moteur, par un maintien sensiblement constant à une pression donnée pour le développement de cette auto-inflammation durant un délai déterminé, puis par une chute de cette pression indiquant la fin de l'auto-inflammation du mélange carburé. Ainsi, pour une condition de fonctionnement donnée du moteur, le développé idéal du signal de la pression souhaitée dans les chambres de combustion est connu pour une combustion souhaitée. De ce fait, tout écart de la pression mesurée par rapport à ce signal, tant sur le début de cette combustion que sur sa durée, signifie que l'indice de cétane du carburant contenu dans le mélange carburé n'est pas adapté à la combustion. Dans ce cas, le calculateur peut corriger, par additivation, l'indice de cétane du carburant injecté dans les chambres de combustion sur le cycle suivant de combustion. Pour ce faire, le calculateur commande l'activation de Ia pompe-doseuse 48 pour injecter une quantité déterminée d'additif dans la conduite de carburant 38. Cette quantité à injecter est déterminée par le calculateur qui contient une table corrective quantifiant la dose d'additif à combiner avec le carburant de manière à obtenir un carburant avec un indice de cétane approprié permettant de faire disparaître l'écart entre les pressions mesurées et les pressions souhaitées.
Ainsi, l'additivation du carburant permet de pouvoir faire varier l'indice de cétane du carburant et de l'adapter aux caractéristiques recherchées de la combustion sans pour cela modifier les paramètres de fonctionnement du moteur, comme l'avance à l'injection.
La variante de la figure 2 comporte, pour l'essentiel, les mêmes éléments que ceux de la figure 1 et pour cela contient les mêmes références pour les éléments communs aux deux figures. Cette variante se distingue de Ia figure 1 par le fait que l'additivation ne se réalise plus dans la conduite de carburant 38 mais directement dans les chambres de combustion 14 du moteur.
Pour cela, il est prévu de disposer des moyens d'injections d'additif 60 qui permettent d'introduire directement de l'additif dans ces chambres de combustion. Comme illustré sur la figure 2 à titre d'exemple, les moyens d'injection sont formés par une rampe d'injection 62 raccordée à des injecteurs d'additif 64. Dans ce cas, le réservoir d'additif 42 est raccordé à la rampe 62 par la canalisation 44 qui porte une pompe de circulation d'additif 66 en lieu et place de la pompe-doseuse de la figure 1. Cette pompe de circulation est commandée par une ligne de commande 68 connectée au calculateur-moteur 50. Des lignes de commande 70, également raccordées à ce calculateur- moteur, permettent de contrôler la quantité d'additif introduite dans les chambres de combustion par les injecteurs 64.
Le fonctionnement de cette variante de moteur est semblable à celui décrit en relation avec la figure 1.
Ainsi, après que l'indice de cétane souhaité du carburant ait été déterminé par le calculateur, celui-ci détermine, toujours à l'aide de tables ou de cartographies, les quantités de carburant de base et d'additif à introduire dans les chambres de combustion 14 pour obtenir un carburant additivé avec un indice de cétane permettant de réaliser Ia combustion souhaitée par autoinflammation. En conséquence, le calculateur 50 commande les injecteurs de carburant 32 et les injecteurs d'additif 64 de façon à ce que les quantités déterminées de carburant et d'additif soient introduites dans les chambres de combustion. Ce carburant et cet additif s'y combinent pour constituer le carburant avec l'indice de cétane souhaité puis forme, avec le ou les fluides introduits par les moyens d'admission 16, un mélange carburé.
De même, dans le cas de suivi en boucle du déroulement de la combustion par les capteurs de pression 34, la quantité de carburant et d'additif à introduire dans les chambres de combustion est déterminée également par le calculateur pour éliminer l'écart de pression entre les pressions mesurées et les pressions souhaitées.
Ainsi, l'ajout d'additif au carburant de base permet d'adapter ce carburant additivé aux différentes plages de fonctionnement du moteur.
La présente invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation décrits ci-dessus mais englobe toutes variantes et tous équivalents.

Claims

REVENDICATIONS
1 ) Procédé de contrôle de l'auto-infiammation d'un mélange carburé, notamment pour moteur à combustion interne de type Diesel, procédé selon lequel on réalise, dans au moins une chambre de combustion (14) du moteur, un mélange carburé avec un carburant et au moins un fluide pour obtenir une combustion de type homogène par auto-inflammation, caractérisé en ce qu'il consiste à : a) définir le déroulement souhaité de la combustion par auto-inflammation du mélange carburé; b) adapter l'indice de cétane du carburant utilisé pour le mélange à celui du carburant permettant d'obtenir le déroulement souhaité de la combustion.
2) Procédé de contrôle de l'auto-infiammation d'un mélange carburé selon la revendication 1 , caractérisé en ce qu'il consiste à définir l'indice de cétane du carburant à injecter dans la chambre de combustion (14) pour correspondre au déroulement souhaité de la combustion par auto-inflammation et à adapter l'indice de cétane du carburant utilisé pour le mélange à celui défini.
3) Procédé de contrôle de l'auto-infiammation d'un mélange carburé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste à évaluer le signal de la pression dans la chambre de combustion pour correspondre au déroulement souhaité de la combustion par auto-inflammation, à mesurer le signal réel de la pression dans cette chambre, et à adapter l'indice de cétane du carburant utilisé pour le mélange pour faire correspondre le signal réel de la pression au signal évalué de cette pression.
4) Procédé de contrôle de l'auto-infiammation d'un mélange carburé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il consiste à adapter l'indice de cétane du carburant, utilisé pour le mélange, par additivation. 5) Procédé de contrôle de l'auto-inflammation d'un mélange carburé selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il consiste à combiner, avec le carburant utilisé pour le mélange, au moins un additif choisi parmi les molécules de type nitrates.
6) Procédé de contrôle de l'auto-inflammation d'un mélange carburé selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il consiste à combiner, avec le carburant utilisé pour le mélange, au moins un additif choisi parmi les molécules de type peroxydes.
7) Procédé de contrôle de l'auto-inflammation d'un mélange carburé selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il consiste à utiliser un additif de type 2-éthylhexylnitrate.
8) Procédé de contrôle de l'auto-inflammation d'un mélange carburé selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il consiste à utiliser un additif de type di-tertiobutyiperoxyde.
9) Procédé de contrôle de l'auto-inflammation d'un mélange carburé selon l'une des revendications 4 à 8, caractérisé en ce qu'il consiste à combiner l'additif avec le carburant utilisé pour le mélange avant l'introduction de ce carburant dans la chambre de combustion (14).
10) Procédé de contrôle de l'auto-inflammation d'un mélange carburé homogène selon l'une des revendications 4 à 8, caractérisé en ce qu'il consiste à introduire, de manière séparée, l'additif et le carburant utilisé pour le mélange dans la chambre de combustion.
11) Moteur à combustion interne, notamment de type Diesel, comprenant au moins un cylindre (12) avec une chambre de combustion (14) dans laquelle se réalise une combustion de type homogène par auto-inflammation d'un mélange d'un carburant avec au moins un fluide, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de variation de l'indice de cétane du carburant.
12) Moteur à combustion interne selon la revendication 11 , caractérisé en ce que les moyens de variation de l'indice de cétane du carburant comprennent des moyens d'additivation du carburant utilisé pour le mélange.
13) Moteur à combustion interne selon la revendication 12, caractérisé en ce que les moyens d'additivation comprennent au moins un réservoir d'additif (42) et une pompe-doseuse (48) injectant de l'additif dans le carburant utilisé pour le mélange pour s'y combiner avant l'introduction dans la chambre de combustion (14).
14) Moteur à combustion interne selon la revendication 12, caractérisé en ce que les moyens d'additivation comprennent au moins un réservoir d'additif
(42) et des moyens d'injection (60) d'additif dans la chambre de combustion (14).
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