FR2742811A1 - Procede et dispositif de controle de l'injection d'un melange carbure a l'admission d'un moteur a combustion interne - Google Patents

Abstract

La présente invention concerne un procédé de contrôle de l'injection d'un mélange carburé à l'admission des moteurs à combustion interne notamment à allumage commandé. Selon l'invention, on utilise un moyen de génération de gouttelettes de carburant dans lequel une onde de pression dans une buse permet de générer chaque gouttelette, l'alimentation en carburant étant assurée par effet capillaire consécutif à chaque éjection d'une gouttelette et en ce que l'on contrôle dans le temps la quantité et/ou le volume de chaque gouttelette ainsi émise. L'onde de pression peut être créée par un élément piézo-électrique ou bien par un échauffement local du carburant à l'intérieur de chaque buse.

Description

La présente invention concerne le domaine des moteurs à combustion interne à allumage commandé et plus particulièrement de leurs systèmes d'alimentation en mélange carburé.

n est en effet connu que la préparation du mélange carburé dans de tels moteurs est déterminante notamment vis-à-vis de sa consommation en carburant et des émissions de polluants.

On connait déjà des systèmes destinés à la préparation du mélange carburé et basés sur différents principes physiques tels que des différences de pression, de vitesses. Des éléments additionnels tels que des compresseurs extérieurs aux moteurs sont alors parfois nécessaires, ce qui rend les moteurs à la fois plus coûteux, moins fiables et finalement plus complexes.

Des injecteurs sophistiqués ont depuis longtemps été étudiés afin de contrôler l'injection de carburant. Très souvent, ces injecteurs permettent de pulvériser une quantité connue de carburant, ce sont alors des injecteurs-doseurs.

Sur la plupart des moteurs connus, les injecteurs sont montés dans la tubulure d'admission comme indiqué sur la figure 1 : l'injecteur crée un jet de carburant sous forme de gouttelettes dans la tubulure d'admission du moteur. Ce jet, s'il est proche de la soupape d'admission, impacte donc à la fois sur la paroi interne de la tubulure, et sur la (ou les) soupape(s) d'admission.

Quand la soupape s'ouvre, le carburant se mélange avec l'air dans le cylindre du moteur et s'évapore.

Le dosage de la quantité de carburant est le plus souvent réalisé par le temps d'ouverture de l'injecteur qui assure un débit à peu près constant lorsqu'il est ouvert.

De tels injecteurs permettent au mieux de vaporiser une quantité, plus ou moins finement déterminée, de carburant. Ainsi la demande de brevet EP 347634 divulgue un injecteur de carburant dans lequel un LASER d'intensité et de valeur déterminés est envoyé dans une cavité contenant une quantité définie de carburant, afin d'y vaporiser le carburant. Puis, l'ouverture d'une soupape placée à l'extérieur de l'injecteur permet d'évacuer à l'extérieur de l'injecteur le carburant vaporisé.

Bien que dans un tel injecteur un contrôle et une modulation puisse être faites quant à la quantité de carburant vaporisé, cette solution ne permet qu'un contrôle grossier puisque l'on intervient sur une quantité, un volume de carburant non infime.

Afin d'améliorer les performances des moteurs actuels, il s'avère donc nécessaire de pouvoir contrôler plus finement l'injection du carburant et son mélange avec le fluide moteur (généralement de l'air). En effet avec la technique actuelle, telle que représentée sur la figure 1 par exemple, une partie des gouttelettes créées par l'injecteur s'évapore dans la conduite d'admission et dans le cylindre, tandis qu'une autre partie colle d'abord à la paroi interne de la conduite d'admission et/ou adhère à la soupape pour finir par s'évaporer dans la chambre de combustion.

Le phénomène est donc non homogène, discontinu, la quantité et la qualité du carburant ainsi injectées ne sont pas totalement contrôlées.

En outre comme les conditions de fonctionnement du moteur (charge, vitesse) changent en permanence, les conditions de la combustion changent : dans certains moteurs par exemple on cherche à avoir, au moment de l'allumage, un mélange riche en carburant près de la bougie et pauvre ailleurs dans la chambre. Ceci est difficile à obtenir pour toute condition de fonctionnement du moteur parce qu'à la fois le lieu et le moment de l'évaporation du carburant sont très difficilement contrôlables.

Or, la maîtrise des processus d'évaporation et de mélange du carburant est fondamentale pour la performance de la combustion c'est-à-dire du moteur.

La présente invention propose une solution simple et adaptée au problème de la préparation du mélange carburé dans un moteur, notamment dans un moteur à allumage commandé.

De façon plus précise, la présente invention permet d'intervenir non pas sur un volume donné de carburant mais sur la formation de chaque gouttelette de carburant, comme il va être explicité ci-après.

Ainsi, la présente invention a pour objet un procédé de contrôle de l'injection d'un mélange carburé à l'admission de moteurs à combustion interne, notamment à allumage commandé.

Selon l'invention on utilise un moyen de génération de gouttelettes de carburant dans lequel une onde de pression permet de générer chaque gouttelette, l'alimentation en carburant étant assurée par effet capillaire consécutif à chaque éjection d'une gouttelette et on contrôle dans le temps la quantité et/ou le volume de chaque gouttelette ainsi émise.

En outre on contrôle l'orientation desdites gouttelettes.

Selon un mode de réalisation de l'invention, l'onde de pression est créée par un élément piézoelectrique.

Selon un autre mode de réalisation de l'invention, l'onde de pression est créée par une bulle de vapeur elle-même créée par une élévation de température du carburant.

Préférentiellement les gouttelettes présentent un diamètre compris entre 10 et 500 CLm.

La fréquence de génération des gouttelettes peut être 1 GHz.

La présente invention a en outre pour objet un dispositif de contrôle d'un mélange carburé utilisé pour alimenter des moteurs à combustion interne notamment des moteurs à allumage commandé.

Le dispositif selon l'invention comprend une pluralité de buses, chacune reliée à un réservoir de carburant par un tube et un moyen de génération d'une onde de pression au niveau desdits tubes, I'alimentation en carburant à l'intérieur de chaque tube étant assurée par effet capillaire consécutif à chaque éjection d'une gouttelette.

Selon un mode de réalisation de l'invention, le moyen de génération des ondes de pression consiste en un élément piézoélectrique.

Selon un autre mode de réalisation de l'invention, le moyen de génération des ondes de pression comprend un élément résistif capable de chauffer au moins l'un desdits tubes afin d'y créer des bulles de vapeur.

Conformément à un dispositif avantageux de l'invention, le dispositif de contrôle comprend des buses présentant des géométries différentes.

Ainsi les buses peuvent être implantées en plusieurs endroits d'au moins une conduite d'admission du moteur.

En outre, les buses peuvent présenter des orientations diverses dans au moins une conduite d'admission du moteur.

Selon une disposition particulière de l'invention, les buses de même géométrie sont regroupées pour former des sous-ensembles.

La présente invention, en utilisant et en contrôlant des moyens de génération de gouttelettes pour l'alimentation d'un moteur permet, une maîtrise beaucoup plus fine de l'injection puisqu'elle concerne la génèse même de chaque gouttelette.

Vis-à-vis des systèmes existants, elle présente des avantages certains puisqu'elle permet notamment de contrôler : I'instant de génération, la direction initiale, la taille, la vitesse des gouttelettes.

Comme il sera expliqué plus loin, différentes dispositions peuvent être adoptées afin d'avoir une alimentation optimale quelles que soient les conditions de fonctionnement du moteur.

D'autres caractéristiques, avantages, détails de l'invention apparaîtront mieux à la lecture de la description qui va suivre, faite à titre illustratif et nullement limitatif en référence aux dessins annexés sur lesquels: - la figure 1 montre un système d'alimentation selon l'art antérieur; - la figure 2 illustre le principe de fonctionnement d'un injecteur de type piézo
électrique; - la figure 3 a trait au principe de fonctionnement d'un injecteur de type à bulle; - la figure 4 illustre l'implantation d'un dispositif d'injection selon l'invention dans la
conduite d'admission d'un moteur à combustion interne; - la figure 5 montre par une coupe radiale l'arrivée et la distribution du carburant; et - la figure 6 concerne deux courbes A et B donnant respectivement le nombre de
gouttelettes et leur fréquence d'injection en fonction de leur diamètre, pour l'injection
d'une masse d'hydrocarbure donnée dans une durée déterminée.

La figure 2 illustre donc le principe de fonctionnement de l'injection de gouttelettes d'un liquide grâce à un injecteur piézo-électrique.

Plus précisément la figure 2A montre en coupe longitudinale l'état d'une buse d'injection avant toute mise sous tension : le liquide à projeter, en noir sur la figure, occupe tout le volume situé à l'extrémité de la buse.

La figure 2B montre l'effet de l'élément piézo P lors de la mise sous tension: la contraction de cet élément provoque l'éjection d'une gouttelette.

Une fois la gouttelette éjectée, la pointe de la buse est, comme visible sur la figure 2C, vide de liquide.

Puis, L'effet de la tension de surface à l'intérieur du capillaire attire le liquide vers ladite pointe, comme représenté sur la figure 2D.

Selon ce principe, utilisé de façon courante dans les imprimantes à jet d'encre, la fréquence de vibration de l'élément piézo-électrique détermine de façon précise la fréquence de formation et d'émission des gouttelettes destinées à être projetées sur un support papier.

La figure 3 montre, par les schémas 3A à 3F, le principe de formation de gouttelettes grâce à un élément résistif R inséré dans un support isolant S. Le liquide à projeter est véhiculé dans un capillaire en contact ponctuel avec l'élément résistif R.

Comme montré sur les figures 3B et 3C le chauffage de la résistance R crée dans le capillaire une bulle qui se développe jusqu'à réaliser l'expulsion d'une gouttelette. Par un contrôle précis de l'énergie ainsi absorbée par le liquide, on peut arriver à faire expulser des bulles de grosseur bien définie.

La figure 3D montre que, une fois la gouttelette éjectée, le liquide revient sensiblement à sa position d'origine (près de l'élément résistif R). Puis par effet capillaire, la buse se remplit de nouveau avec le liquide à projeter: cf. figures 3E et 3F.

On voit que selon ce principe, des gouttelettes peuvent être projetées à l'extérieur d'une buse grâce à une variation quasi instantanée de résistance, selon une fréquence déterminée.

L'un ou l'autre des principes décrits en relation avec les figures 2 et 3 pourront être appliqués, selon la présente invention, pour la formation de gouttelettes de carburant.

La figure 4 montre un mode de réalisation de l'invention conforme à l'un ou l'autre de ces principes.

Le dispositif d'injection remplace ici l'injecteur classique tel que représenté sur la figure 1. A la place, un ensemble 1 de buses (ou capillaires) d'injection sont disposées selon un anneau ; elles sont par exemple intégrées dans une entretoise annulaire 2 placée entre le collecteur d'admission et la culasse 4.

Selon l'exemple donné par la figure 5, I'ensemble des buses 1 débouche radialement dans le conduit d'admission 5, juste en amont de la soupape d'admission 6. Les buses 1 peuvent être angulairement régulièrement espacées, comme indiqué sur la figure 5. Sans sortir du cadre de l'invention elles peuvent être groupés en un ou plusieurs sous-ensembles ; leur diamètre pouvant être identique ou non dans chaque sous-ensemble.

En outre, les buses 1 peuvent être plus ou moins inclinées vis-à-vis de l'axe de la conduite d'admission 5.

L'alimentation générale des buses peut consister, comme représenté sur la figure 5 en un ou plusieurs passage(s) spécifique 7 qui dessert l'ensemble des buses 1.

A cet égard, la figure 5 illustre le cas où un passage 7 alimente plusieurs conduits d'admission 5 ; le passage 7 est évidemment relié au réservoir de carburant du véhicule.

La figure 6 illustre respectivement par les courbes A et B la relation entre le nombre (N) de gouttelettes et leur diamètre (D), et la relation entre la fréquence (f) de génération des gouttelettes et leur diamètre (D); ceci pour une masse d'hydrocarbure de 25 mg injectée en 10 ms.

La masse de 25 mg est ici prise comme référence car elle correspond sensiblement à la quantité maximale de carburant devant être injecté pour un cycle moteur, soit en un laps de temps d'environ 10 ms (ce qui correspond à un tour vilebrequin à une vitesse de 6000 tours/mn).

A noter que la quantité minimale de carburant à injecter pendant un cycle moteur est d'environ 2 mg.

En partant d'une masse de 25 mg de carburant à injecter en 10 ms, et en considérant les courbes A et B de la figure 6 : pour des gouttelettes de 100 pLm de diamètre, il faut en générer 7000 selon la courbe A, ce qui correspond à une fréquence de génération de 700 KHz selon la courbe B. Sachant que les buses capillaires peuvent couramment débiter de 3000 à 7000 gouttelettes par secondes, il faudrait de 100 à 250 buses opérant dans ces conditions, par cylindre.

On peut ainsi concevoir une implantation de buses dans une conduite d'admission d'un moteur, selon laquelle un certain nombre de buses présentant par exemple deux ou trois diamètres différents sont placées avec des positions et orientations différentes.

Ainsi à charge partielle seuls quelques-uns des sous-ensembles pourraient être utilisés, de façon à obtenir les meilleures performances pour chaque régime et charge du moteur.

Cette façon de procéder permet de moduler la charge, de contrôler finement le début et la fin de l'injection par la fréquence de génération des gouttelettes.

La présente invention permet notamment de bien contrôler la stratification du carburant dans le cylindre au moment de l'allumage.

Claims (15)

REVENDICATIONS

1) Procédé de contrôle de l'injection d'un mélange carburé à l'admission de moteurs à combustion interne notamment à allumage commandé, caractérisé en ce qu on utilise un moyen de génération de gouttelettes de carburant dans lequel une onde de pression dans une buse permet de générer chaque gouttelette, I'alimentation en carburant étant assurée par effet capillaire consécutif à chaque éjection d'une gouttelette et en ce que l'on contrôle dans le temps la quantité et/ou le volume de chaque gouttelette ainsi émise.

2) Procédé de contrôle selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on contrôle en outre l'orientation desdites gouttelettes.

3) Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'onde de pression est créée par un élément piézo-électrique.

4) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'onde de pression est créée par une bulle de vapeur elle-même créée par un échauffement local du carburant à l'intérieur de chaque buse.

5) Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que les gouttelettes présentent un diamètre compris entre 10 et 500 Fm.

6) Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la fréquence de génération des gouttelettes est inférieure à 1 GHz.

7) Dispositif de contrôle de l'injection d'un mélange carburé utilisé pour alimenter des moteurs à combustion interne notamment des moteurs à allumage commandé, caractérisé en ce qu'il comprend une pluralité de buses, chacune reliée à un réservoir de carburant par un tube et un moyen de génération d'une onde de pression au niveau desdites buses, I'alimentation en carburant à l'intérieur de chaque buse étant assurée par effet capillaire consécutif à chaque éjection d'une gouttelette.

8) Dispositif de contrôle selon la revendication 7, caractérisé en ce que le moyen de génération des ondes de pression consiste en un élément piézo-électrique.

9) Dispositif de contrôle selon la revendication 7, caractérisé en ce que le moyen de génération des ondes de pression comprend un élément résistif capable de chauffer localement au moins l'une desdites buses afin d'y créer des bulles de vapeur.

10) Dispositif de contrôle selon l'une quelconque des revendications 7 à 9, caractérisé en ce que les gouttelettes générées présentent un diamètre compris entre 10 et500Rm.

11) Dispositif de contrôle selon l'une quelconque des revendications 7 à 10, caractérisé en ce que la fréquence de génération des gouttelettes est inférieure à 1 GHz.

12) Dispositif de contrôle selon l'une quelconque des revendications 7 à 11, caractérisé en ce qu'il comprend des buses présentant des diamètres différents.

13) Dispositif de contrôle selon la revendication 12, caractérisé en ce que lesdites buses sont implantés en différents endroits d'au moins une conduite d'admission du moteur.

14) Dispositif de contrôle selon l'une quelconque des revendications 12 ou 13, caractérisé en ce que les buses présentent des orientations diverses dans au moins une conduite d'admission du moteur.

15) Dispositif de contrôle selon la revendication 12, caractérisé en ce que les buses de même diamètre sont regroupées pour former des sous-ensembles.