WO2015086323A1 - Moteur à combustion interne fonctionnant avec une injection concomitante de carburants, notamment pour un véhicule automobile - Google Patents

Moteur à combustion interne fonctionnant avec une injection concomitante de carburants, notamment pour un véhicule automobile Download PDF

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Nicolas Dronniou
David Serrano
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    • Y02T10/30—Use of alternative fuels, e.g. biofuels

Definitions

  • the present invention relates to an internal combustion engine operating with a concomitant injection of two fuels in the same engine cycle, in particular for a motor vehicle.
  • One of these modes is fuel-burning with a fuel that makes it possible to obtain a fuel mixture that is homogeneous with stoichiometry, such as gasoline, a gaseous fuel or ethanol.
  • a fuel mixture that is homogeneous with stoichiometry
  • This type of fuel generally has a high octane number, which is not conducive to auto-ignition. This therefore allows combustion of the mixture by flame propagation.
  • this type of combustion has the advantage of minimizing the emission of pollutant emissions, such as nitrogen oxides (NOx).
  • pollutant emissions such as nitrogen oxides (NOx).
  • the other of these modes relates to the combustion of a fuel mixture with a diffusion flame by using a fuel type diesel or bioDiesel.
  • This fuel has a high cetane number which is favorable for autoignition.
  • This type of combustion has the advantage of limiting fuel consumption, but its operation with a lean fuel mixture makes the post-treatment of NOx more complex.
  • such a motor comprises a cylinder 10 inside which moves a piston 12 in a rectilinear reciprocating movement, a cylinder head 14 closing the cylinder in the upper part , intake means 1 6 with an intake manifold 18 controlled by an intake valve 20, exhaust means 22 of the flue gases with an exhaust manifold 24 and an exhaust valve 26 and means indirect injection 28 and direct 30 fuel.
  • the indirect injection means comprise an injector 32 introducing fuel into the intake manifold 18 so that it mixes with the air circulating therein while the direct injection means comprise an injector 34 projecting another fuel into the cylinder.
  • the piston 12 comprises a concave bowl 36 housing a pin 38, a hunting zone 40 located in the upper part of the piston and a series of segments 42 placed on the periphery of the piston.
  • combustion chamber 44 of this engine is formed by the wall of the cylinder, the portion of the cylinder head 14 opposite the piston and the upper part of the piston with its bowl and the hunting zone.
  • the fuel injector 32 introduces fuel into the intake manifold 18 of this engine and mixes with the fluid present in the manifold to achieve a fuel mixture. This homogeneous fuel mixture is admitted into the combustion chamber 44 during the intake phase of the engine through its intake manifold.
  • This mixture introduced into the combustion chamber of the engine then occupies the entire volume of the combustion chamber.
  • the engine follows a compression phase where the fuel mixture present in the combustion chamber is compressed.
  • another fuel such as
  • Diesel from the injector 34 is introduced directly into the combustion chamber. More specifically, this fuel is introduced into the homogeneous compressed fuel mixture already contained in the combustion chamber so as to achieve a partial stratified mixture.
  • the homogeneous fuel mixture will go to be housed in all the places of the combustion chamber 44, and more particularly in the hunting zones 40 located in the upper part of the piston and in the dead volume zones formed by the high height of the first bead, generally considered between the first segment 42 and the upper face of the piston.
  • the present invention proposes to overcome the above drawbacks by means of an internal combustion engine operating in concomitant injection of fuels with the almost complete combustion of the fuel mixture.
  • the present invention relates to an internal combustion engine operating with a concomitant injection of fuels, in particular for a motor vehicle, comprising at least one cylinder housing a piston, intake means, exhaust means, fuel injection means, 'injection indirect fuel and means for direct injection of another fuel, characterized in that the upper face of the piston is formed with a prominent prominence towards the direct injection means.
  • the prominence can be is a cone or a cap or a dome.
  • the prominence may include a base and an apex directed to the direct injection means.
  • the angle at the vertex of the prominence may be substantially equal to the angle of the ply of jets coming from the direct injection means.
  • the extent of the base of the prominence may be less than the extent of the cross section of the piston.
  • the fuel injected by the indirect injection means may comprise a gaseous fuel.
  • the fuel injected by the direct injection means may comprise diesel.
  • FIG. 1 is a diagram showing an internal combustion engine operating in concomitant fuel injection according to the state of the art
  • the internal combustion engine illustrated is an internal combustion engine operating in concomitant injection of fuels, in particular for a motor vehicle.
  • the first fuel is a gaseous fuel, of the NGV (Natural Gas for Vehicle) type, making it possible to obtain a homogeneous fuel mixture close to stoichiometry while the second fuel is diesel with a cetane number compatible with auto-ignition to obtain combustion with flame premix and diffusion.
  • NGV Natural Gas for Vehicle
  • the term fluid used in the description means air at ambient pressure or supercharged air or a mixture of air (supercharged or not) with flue gas.
  • the engine comprises at least one cylinder 50 with a piston
  • a closure means such as an intake valve 60
  • an indirect fuel injector 68 introducing fuel, in this case CNG, into the intake manifold 58 so that it mixes with the fluid circulating therein and a direct fuel injector 70 throwing another fuel - diesel - into the cylinder.
  • the upper face 72 of the piston 52 is in the form of a prominence rising towards the direct injector 70.
  • This prominence is here in the form of a cone 74, the extent of its base 76 is coincident with the extent of the cross section of the piston and whose vertex 78 is opposite the direct injector 70.
  • the axis of the cone coincides with that of the direct injector so as to better distribute the fuel jets 80.
  • the apex angle a of the cone is substantially equal to the jet ply angle ⁇ of the direct injector 70.
  • the angle of the jet stream ⁇ is around
  • the extent of the base 76 'of the cone 74 is less than the extent of the cross section of the piston.
  • the combustion chamber is then formed by the wall of the cylinder, the part of the cylinder head 54 facing the piston and the wall of the cone 74 carried by the piston 52.
  • the free length of the diesel fuel jets is increased by allowing more varied injection strategies without the risk of wetting the walls of the cylinder, which can only limit pollutant emissions. and preserve the oil film between the piston and the cylinder.
  • other forms of the upper face may be envisaged, such as a prominence in the form of a cap or dome, whose curved apex projects in the direction of the direct injector 70.
  • the base of the cap or dome is of lesser extent than that of the cross section of the piston.

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Abstract

La présente invention concerne un moteur à combustion interne fonctionnant en injection concomitante de carburants, notamment pour véhicule automobile, comprenant au moins un cylindre (50) logeant un piston (52), des moyens d'admission (56), des moyens d'échappement (62), des moyens d'injection indirecte (8) d'un carburant et des moyens d'injection directe (70) d'un autre carburant. Selon l'invention, la face supérieure (72) du piston est formée d'une proéminence (74) saillante en direction des moyens d'injection directe (70).

Description

Moteur à combustion interne fonctionnant avec une injection concomitante de carburants, notamment pour un véhicule automobile.
La présente invention se rapporte à un moteur à combustion interne fonctionnant avec une injection concomitante de deux carburants dans un même cycle moteur, notamment pour un véhicule automobile.
Comme cela est largement connu, le fonctionnement d'un tel moteur avec ce type d'injection est issu des deux modes de combustion.
Un de ces modes est la combustion à allumage commandé fonctionnant avec un carburant permettant d'obtenir un mélange carburé homogène à la stœchiométrie, comme de l'essence, un carburant gazeux ou de l'éthanol. Ce type de carburant a généralement un indice d'octane élevé, ce qui est peu propice à l'auto-inflammation. Ceci permet donc de réaliser une combustion du mélange par propagation de flamme.
Ce type de combustion a cependant pour avantage de minimiser le rejet d'émissions de polluants, tels que les oxydes d'azote (NOx).
L'autre de ces modes concerne la combustion d'un mélange carburé avec flamme de diffusion en utilisant un carburant de type Diesel ou bioDiesel. Ce carburant a un indice de cétane élevé qui est favorable à l'auto-inflammation.
Ce type de combustion a pour intérêt de limiter la consommation de carburant mais son fonctionnement avec un mélange carburé pauvre rend le post traitement des NOx plus complexe.
Comme mieux illustré sur la figure 1 montrant un exemple de l'état de la technique, un tel moteur comprend un cylindre 10 à l'intérieur duquel se déplace un piston 12 en un mouvement alternatif rectiligne, une culasse 14 fermant le cylindre en partie haute, des moyens d'admission 1 6 avec une tubulure d'admission 18 contrôlée par une soupape d'admission 20, des moyens d'échappement 22 des gaz brûlés avec une tubulure d'échappement 24 et une soupape d'échappement 26 et des moyens d'injection indirecte 28 et directe 30 de carburant. Les moyens d'injection indirecte comprennent un injecteur 32 introduisant du carburant dans la tubulure d'admission 18 pour qu'il se mélange avec l'air qui y circule alors que les moyens d'injection directe comprennent un injecteur 34 projetant un autre carburant dans le cylindre.
Le piston 12 comprend un bol concave 36 logeant un téton 38, une zone de chasse 40 située en partie haute du piston et une série de segments 42 placée sur la périphérie du piston.
Ainsi, la chambre de combustion 44 de ce moteur est formée par la paroi du cylindre, la partie de la culasse 14 en regard du piston et la partie haute du piston avec son bol et la zone de chasse.
Durant le fonctionnement du moteur avec une injection concomitante de carburants, l'injecteur de carburant 32 introduit du carburant dans la tubulure d'admission 18 de ce moteur et se mélange avec le fluide présent dans la tubulure pour réaliser un mélange carburé. Ce mélange carburé homogène est admis dans la chambre de combustion 44 pendant la phase d'admission du moteur au travers de sa tubulure d'admission.
Ce mélange introduit dans la chambre de combustion du moteur occupe alors tout le volume de cette chambre de combustion.
A la suite de cette phase d'admission, le moteur suit une phase de compression où le mélange carburé présent dans la chambre de combustion est comprimé. Aux environs du point mort haut du piston, un autre carburant, comme du
Diesel, provenant de l'injecteur 34 est introduit directement dans la chambre de combustion. Plus précisément, ce carburant est introduit dans le mélange carburé homogène comprimé déjà contenu dans la chambre de combustion de manière à réaliser un mélange stratifié partiel.
Sous l'effet conjugué de la chaleur dégagée par le mélange carburé comprimé et les radicaux du Diesel, le mélange carburé stratifié s'auto-enflamme. Suite à cette auto-inflammation, le dégagement de chaleur permet de démarrer la combustion du mélange carburé via des mécanismes complexes dont la flamme de propagation. Ce mode de combustion avec une injection concomitante de carburants permet d'atteindre de forts rendements du fait de rapports de compression élevés, d'une vitesse de combustion rapide et d'une fin combustion rapide. Un moteur fonctionnant en injection concomitante de carburants a cependant un inconvénient non négligeable.
En effet, le mélange carburé homogène va aller se loger dans tous les endroits de la chambre de combustion 44, et plus particulièrement dans les zones de chasse 40 situées en partie haute du piston et dans les zones du volume mort formé par la hauteur importante du premier cordon, généralement considérée entre le premier segment 42 et la face supérieure du piston.
Ces zones sont relativement froides du fait d'échanges thermiques importants avec les parois environnantes du cylindre. Il devient alors très difficile de brûler le mélange carburé présent dans ces zones du fait des faibles conditions de température et une flamme ne peut donc correctement s'y propager. Le mélange carburé dans ces zones risque donc fortement de ne pas brûler, or la quantité de carburant du mélange carburé de ces zones peut représenter jusqu'à 5% de la masse du carburant injecté.
La non-consommation de ce carburant dégrade le rendement de combustion et est responsable d'émissions importantes d'hydrocarbures imbrûlés parfois difficiles à post-traiter. Notamment, dans le cas d'un moteur utilisant du gaz naturel pour réaliser un mélange carburé homogène, le post-traitement du méthane (CH4) est une réelle difficulté à prendre en compte dans l'évaluation du potentiel d'un moteur avec injection concomitante de carburants.
La présente invention se propose de remédier aux inconvénients ci-dessus grâce à un moteur à combustion interne fonctionnant en injection concomitante de carburants avec la combustion quasi-totale du mélange carburé.
A cet effet, la présente invention concerne un moteur à combustion interne fonctionnant avec une injection concomitant de carburants, notamment pour véhicule automobile, comprenant au moins un cylindre logeant un piston, des moyens d'admission, des moyens d'échappement, des moyens d'injection indirecte d'un carburant et des moyens d'injection directe d'un autre carburant, caractérisé en ce que la face supérieure du piston est formée d'une proéminence saillante en direction des moyens d'injection directe. La proéminence peut être est un cône ou une calotte ou un dôme.
La proéminence peut comprendre une base et un sommet dirigé vers les moyens d'injection directe. L'angle au sommet de la proéminence peut être sensiblement égal à l'angle de nappe de jets provenant des moyens d'injection directe.
L'étendue de la base de la proéminence peut être moindre que l'étendue de la section transversale du piston.
Le carburant injecté par les moyens d'injection indirecte peut comprendre un carburant gazeux.
Le carburant injecté par les moyens d'injection directe peut comprendre du Diesel.
Les autres caractéristiques et avantages de l'invention vont apparaître maintenant à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre uniquement illustratif et non limitatif, et à laquelle sont annexées :
- la figure 1 qui est un schéma montrant un moteur à combustion interne fonctionnant en injection concomitante de carburants selon l'état de la technique et
- la figure 2 qui illustre schématiquement montrant un moteur à combustion interne fonctionnant en injection concomitante de carburants selon l'invention.
Sur la figure 2, le moteur à combustion interne illustré est un moteur à combustion interne fonctionnant en injection concomitante de carburants, notamment pour un véhicule automobile. Dans la suite de la description et uniquement à titre d'exemple, le premier carburant un carburant gazeux, de type GNV (Gaz Naturel pour Véhicule), permettant d'obtenir un mélange carburé homogène voisin de la stœchiométrie alors que le deuxième carburant est du diesel avec un indice de cétane compatible avec une auto-inflammation pour obtenir une combustion avec flamme de pré-mélange et de diffusion.
Bien entendu tout autre association de deux carburants peut être envisagée, comme de l'essence avec du Diesel à titre d'exemple.
De même, le terme fluide utilisé dans la description désigne de l'air à pression ambiante ou de l'air suralimenté ou encore un mélange d'air (suralimenté ou non) avec des gaz brûlés. Sur la figure 2, le moteur comprend au moins un cylindre 50 avec un piston
52, une culasse 54, des moyens d'admission 56 avec une tubulure d'admission 58 contrôlée par un moyen d'obturation, tel qu'une soupape d'admission 60, des moyens d'échappement 62 des gaz brûlés avec une tubulure d'échappement 64 et une soupape d'échappement 66, un injecteur indirect de carburant 68 introduisant du carburant, ici du GNV, dans la tubulure d'admission 58 pour qu'il se mélange avec le fluide qui y circule et un injecteur direct de carburant 70 projetant un autre carburant - du Diesel - dans le cylindre.
Comme mieux visible sur la figure 2, la face supérieure 72 du piston 52 se présente sous la forme d'une proéminence s'érigeant vers l'injecteur direct 70.
Cette proéminence est ici sous la forme d'un cône 74 dont l'étendue de sa base 76 est confondue avec l'étendue de la section transversale du piston et dont le sommet 78 est en regard de l'injecteur direct 70.
Avantageusement, l'axe du cône est confondu avec celui de l'injecteur direct de manière à mieux répartir les jets de carburant 80.
Préférentiellement, l'angle au sommet a du cône est sensiblement égal à l'angle de nappe de jets β de l'injecteur direct 70. De manière avantageuse, l'angle de nappe de jets β est aux environs de
150°.
Il peut être également envisagé, comme cela est illustré en traits pointillés sur la figure 2, que l'étendue de la base 76' du cône 74 soit moindre que l'étendue de la section transversale du piston.
Cela est particulièrement utile pour pouvoir réaliser le taux de compression du moteur qui est demandé. La chambre de combustion est alors formée par la paroi du cylindre, la partie de la culasse 54 en regard du piston et la paroi du cône 74 porté par le piston 52.
Grâce à cette forme saillante de la face supérieure du piston, les volumes morts ou les zones froides où le mélange carburé est présent sont alors plus réduits.
De plus, l'absence de bol va permettre à la flamme et/ou aux jets de carburant chaud d'atteindre toutes les zones de la chambre de combustion. II est alors possible de remonter la position du premier segment sur le piston afin de limiter la masse de mélange carburé enfermé dans cette zone.
Toutefois, si du mélange carburé parvient à être piégé dans ce volume mort, celui-ci sera évacué, lors la phase d'expansion du moteur, dans des régions à bien plus fortes températures du fait des réactions de combustion susceptibles d'avoir lieu à proximité des parois.
De plus, de par la suppression des réentrants du bol, la longueur libre des jets de carburant Diesel est augmentée en autorisant des stratégies d'injection plus variées sans risquer de mouiller les parois du cylindre, ce qui ne peut que limiter les émissions de polluants et préserver le film d'huile entre le piston et le cylindre. Bien entendu, d'autres formes de la face supérieure peuvent être envisagées, comme une proéminence en forme de calotte ou de dôme, dont le sommet courbe fait saillie en direction de l'injecteur direct 70.
De même, comme précédemment décrit, il peut être envisagé que la base de la calotte ou du dôme soit d'étendue moindre que celle de la section transversale du piston.

Claims

REVENDICATIONS
1 ) Moteur à combustion interne fonctionnant avec une injection concomitant de carburants, notamment pour véhicule automobile, comprenant au moins un cylindre (50) logeant un piston (52), des moyens d'admission (56), des moyens d'échappement (62), des moyens d'injection indirecte (8) d'un carburant et des moyens d'injection directe (70) d'un autre carburant, caractérisé en ce que la face supérieure (72) du piston est formée d'une proéminence (74) saillante en direction des moyens d'injection directe (70).
2) Moteur à combustion interne selon la revendication 1 , caractérisé en ce que la proéminence est un cône (74).
3) Moteur à combustion interne selon la revendication 1 , caractérisé en ce que la proéminence est une calotte.
4) Moteur à combustion interne selon la revendication 1 , caractérisé en ce que la proéminence est un dôme. 5) Moteur à combustion interne selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la proéminence comprend une base (76, 76') et un sommet (78) dirigé vers les moyens d'injection directe (70).
6) Moteur à combustion interne selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'angle au sommet (a) de la proéminence (72, 74) est sensiblement égal à l'angle de nappe de jets (β) provenant des moyens d'injection directe (70).
7) Moteur à combustion interne selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'étendue de la base (76') de la proéminence (72, 74) est moindre que l'étendue de la section transversale du piston. 8) Moteur à combustion interne selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le carburant injecté par les moyens d'injection indirecte (68) comprend un carburant gazeux.
9) Moteur à combustion interne selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le carburant injecté par les moyens d'injection directe (70) comprend du Diesel.
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