FR2960261A1 - Procede de controle de la combustion d'un moteur a combustion interne bicarburation, notamment pour vehicule automobile - Google Patents

Procede de controle de la combustion d'un moteur a combustion interne bicarburation, notamment pour vehicule automobile Download PDF

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Abstract

La présente invention concerne un procédé de contrôle de la combustion d'un moteur à combustion interne fonctionnant en bicarburation selon quatre phases et comprenant une chambre de combustion (12) dans laquelle se réalise la combustion d'un mélange carburé, des moyens d'admission (24), des moyens d'injection d'un premier carburant (36) et des moyens d'injection d'un deuxième carburant (38). Selon l'invention, le procédé consiste, pendant la phase d'admission du moteur, à réaliser un mélange carburé homogène avec des gaz d'échappement recirculés, de l'air et un premier carburant dans la chambre de combustion du moteur, le taux de gaz d'échappement recirculés étant compris entre 25 à 40% ; à injecter, pendant la phase de compression de ce moteur, un deuxième carburant dans le mélange carburé homogène avec un rapport entre le premier et le deuxième carburant compris entre 80 et 95% pour y réaliser un mélange carburé partiel stratifié, de manière à obtenir, après la phase de compression, la combustion en trois étapes avec flamme de diffusion du mélange stratifié partiel, puis par propagation de flamme suivie d'un auto-allumage.

Description

La présente invention se rapporte à un procédé de contrôle de la combustion d'un moteur à combustion interne, notamment pour véhicule automobile. Elle concerne plus particulièrement un tel moteur fonctionnant en bicarburation.
Comme cela est largement connu, le fonctionnement en bicarburation d'un tel moteur est issu des deux grandes familles de moteurs à combustion interne.
Une de ces familles est le moteur à allumage commandé fonctionnant avec un carburant permettant d'obtenir un mélange carburé homogène à la stoechiométrie, comme de l'essence, un gaz naturel 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), grâce à l'action de moyens de dépollution de gaz d'échappement, comme un catalyseur trois voies.
L'autre de ces familles concerne le moteur qui fonctionne avec une combustion du mélange 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 moteur a pour intérêt de limiter la consommation de carburant mais son fonctionnement avec un mélange carburé pauvre empêche le post traitement des NOx par le catalyseur trois voies.
Un moteur fonctionnant en bicarburation a pour inconvénient majeur de ne 30 pas pouvoir contrôler de façon précise le déroulement de la combustion. Ceci débouche sur des disparités de dégagements d'énergie qui peuvent entrainer des dégradations au niveau de ce moteur suite à des combustions violentes ainsi que des désagréments pour le confort de conduite, notamment par des bruits de combustion.
De plus, compte tenu du mélange des deux carburants, il peut être difficile de maintenir le fonctionnement du moteur avec une richesse à la stoechiométrie. Cela perturbe l'efficacité du catalyseur trois voies, qui doit fonctionner à la stoechiométrie, en rejetant ainsi dans l'atmosphère des polluants non traités.
La présente invention se propose de remédier aux inconvénients ci-dessus grâce à un procédé de contrôle de la combustion simple qui utilise les carburants conventionnels.
A cet effet, la présente invention concerne un procédé de contrôle de la combustion d'un moteur à combustion interne fonctionnant en bicarburation selon quatre temps et comprenant une chambre de combustion dans laquelle se réalise la combustion d'un mélange carburé, des moyens d'admission avec au moins une tubulure d'admission associée à une soupape d'admission, des moyens d'échappement avec au moins une tubulure et une soupape d'échappement, des moyens d'injection d'un premier carburant et des moyens d'injection d'un deuxième carburant, caractérisé en ce qu'il consiste - pendant la phase d'admission du moteur, à réaliser un mélange carburé homogène avec des gaz d'échappement recirculés, de l'air et un premier carburant dans la chambre de combustion du moteur, le taux de gaz d'échappement recirculés étant compris entre 15 à 50%, - à injecter, pendant la phase de compression de ce moteur, un deuxième carburant dans le mélange carburé homogène avec un rapport en masse entre le premier et le deuxième carburant compris entre 50 et 95% pour y réaliser un mélange carburé partiel stratifié, de manière à obtenir la combustion du mélange carburé en trois étapes successives avec flamme de diffusion du mélange stratifié partiel puis la combustion par propagation de flamme suivie d'une combustion par auto-allumage du mélange carburé homogène.
Le procédé peut consister à réaliser le mélange carburé homogène dans la tubulure d'admission avant son admission dans la chambre de combustion.
Le procédé peut consister à injecter le deuxième carburant à un angle de vilebrequin compris entre 30 et 40° avant la fin de la phase de compression du moteur.
Le procédé peut consister à utiliser un moteur avec un rapport 10 volumétrique compris entre 12 et 15.
Le procédé peut consister à utiliser de l'essence en tant que premier carburant.
15 Le procédé peut consister à utiliser du diesel en tant que deuxième carburant.
Les autres caractéristiques et avantages de l'invention vont apparaître à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre uniquement illustratif et 20 non limitatif, et à laquelle sont annexés : - la figure 1 qui montre un moteur à combustion interne avec bicarburation utilisant le procédé selon l'invention et - la figure 2 qui est un graphique avec la courbe de dégagement d'énergie en fonction de l'angle de vilebrequin obtenue avec le procédé selon l'invention. 25 Sur la figure 1, le moteur à combustion interne illustré est un moteur à combustion interne fonctionnant avec deux carburants de type différent (ou bicarburation) et selon un mode à quatre temps (ou quatre phases) avec une phase d'admission, de compression, de détente et d'échappement. Pour la facilité de la description, le premier carburant est de l'essence (de type RON 95) permettant d'obtenir un mélange carburé homogène voisin de la 30 stoechiométrie 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. L'association de ces deux carburants permet ainsi d'obtenir un mélange carburé global qui est à la stoechiométrie.
Bien entendu tout autre association de deux carburants peut être envisagée, comme du gaz naturel avec du diesel à titre d'exemple.
Ce moteur comprend au moins un cylindre 10 comportant une chambre de combustion 12 dans laquelle se produit la combustion d'un mélange carburé. Cette chambre de combustion est délimitée par la paroi périphérique 14 du cylindre, la face supérieure 16 du piston 18 coulissant dans ce cylindre et la partie 20 d'une culasse 22 en regard du piston.
Cette culasse porte également un moyen d'admission 24 qui comprend au moins une tubulure d'admission 26 contrôlée par un moyen d'obturation, tel qu'une soupape d'admission 28. La culasse porte également un moyen d'échappement 30 des gaz brûlés comprenant au moins une tubulure d'échappement 32 associée à un moyen 20 d'obturation, comme une soupape d'échappement 34. Ces moyens d'échappement 30 sont reliés à une ligne d'échappement (non représentée) qui comporte des moyens de dépollution des gaz d'échappement (non représentés), comme un catalyseur trois voies, pour le traitement notamment des NOx. 25 Des moyens d'injection 36 du premier carburant de type essence, sous forme d'un injecteur mono ou multi orifices, sont placés sur la tubulure d'admission de manière à injecter le carburant dans cette tubulure pour y réaliser un mélange carburé. Des moyens d'injection 38 du deuxième carburant de type diesel, ici 30 également sous la forme d'un injecteur mono ou multi orifices, sont situés sur la culasse 22 pour injecter directement ce carburant à l'intérieur de la chambre de combustion 12.
Bien entendu, ce moteur comprend également une unité de calcul (non représentée), dite calculateur-moteur, qui contient des cartographies ou des tables de données permettant de contrôler les différents paramètres liés au fonctionnement du moteur, comme les paramètres d'injection des carburants, de réintroduction de gaz brulés recirculés, ... Ainsi, durant le fonctionnement de ce moteur, un mélange carburé homogène à base d'essence est conventionnellement admis dans la chambre de combustion 12 pendant sa phase d'admission durant laquelle le piston se déplace entre son point mort haut et son point mort bas. Pour cela, l'injecteur du premier carburant 36 est opérationnel en introduisant du carburant dans la tubulure d'admission 26. Ce carburant se mélange avec le fluide présent dans la tubulure pour réaliser un mélange carburé légèrement inférieur à la richesse 1.
Par fluide, il est entendu de l'air extérieur (à pression ambiante ou suralimenté) ou un mélange d'air (ou d'air suralimenté) et de gaz d'échappement recirculés (en abréviation EGR pour Exhaust Gas Recirculation). A titre d'exemple, ces gaz d'échappement recirculés peuvent provenir d'un circuit EGR (non représenté) qui débute au moyen d'échappement 30 pour aboutir au moyen d'admission 24 et plus particulièrement sur la tubulure d'admission 26, comme cela est illustré par la conduite EGR 40 en pointillés.
Ce mélange est ensuite introduit dans la chambre de combustion, lors de l'ouverture de la soupape d'admission 28, durant toute la phase d'admission en occupant tout le volume de la chambre de combustion sous la forme d'un mélange carburé homogène d'air, de carburant et d'EGR.
Dans la configuration connue où les gaz d'échappement recirculés sont des gaz brulés résiduels de la chambre de combustion, dit EGR interne, le circuit EGR avec sa conduite 40 est inexistant. Par cela, le mélange carburé réalisé dans la tubulure d'admission est un mélange d'air et de carburant essence. Ce mélange est ensuite admis dans la chambre de combustion à l'intérieur de laquelle il se mélange avec les gaz brûlés résiduels de façon à obtenir en fin de phase d'admission un mélange d'air (ou d'air suralimenté), de carburant essence et d'EGR.
A la fin de cette phase d'admission, l'injecteur d'essence 36 est arrêté et la 5 soupape d'admission 28 est commandée en position de fermeture.
Dans les deux cas de mélange carburé mentionné ci-dessus, le taux de gaz recirculés est compris entre 15 à 50% de la masse totale d'air contenue dans la chambre de combustion. A la suite de cette phase d'admission, le moteur suit une phase de compression avec un déplacement du piston 18 de son point mort bas vers son point mort haut.
15 Durant ce déplacement, le mélange carburé à base d'essence précédemment défini est comprimé. Dans ce cas, le moteur utilisé est un moteur avec un rapport volumétrique compris entre 12 et 15.
Avant que le piston n'atteigne sa position de point mort haut (PMH de la 20 figure 2) et ce à un angle de vilebrequin compris entre 30 et 40° avant ce PMH, l'injecteur du deuxième carburant diesel 38 est actionné. Ce deuxième carburant est introduit dans le mélange carburé homogène comprimé contenu dans la chambre de combustion de manière à réaliser un mélange stratifié partiel qui est localisé autour de cet injecteur. 25 Ce carburant est admis dans la chambre avec une quantité telle que le rapport entre la quantité d'essence et la quantité en diesel (en masse) est compris entre 50 et 95%.
30 Une fois que le deuxième carburant diesel est injecté, le mélange carburé (avec deux carburants) présent dans la chambre de combustion est à richesse global de 1 10 Sous l'effet conjugué de la chaleur dégagée par le mélange carburé comprimé et les radicaux du diesel, le mélange carburé stratifiée s'autoenflamme après le PMH durant une portion de la phase de détente du moteur avec un dégagement d'énergie, comme illustré par la portion de courbe Cd de la figure 2. Le taux d'EGR associé au taux de compression du moteur permet de contrôler le déclenchement de cette auto-inflammation. Suite à cette combustion avec flamme de pré-mélange et de diffusion, le dégagement de chaleur permet de démarrer la combustion du mélange carburé via une flamme de propagation avec un dégagement d'énergie comme illustré par la portion de courbe Ce de la figure 2. Par cela, le mélange carburé de type essence est allumé en plusieurs points de la chambre de combustion et plusieurs flammes se propagent simultanément dans cette chambre. Suite à cette combustion en plusieurs points, l'augmentation de la température et de la pression dans la chambre de combustion va déclencher un auto-allumage avec un fort dégagement d'énergie (courbe CAI de la figure 2) du mélange carburé qui n'a pas encore brûlé et qui est essentiellement situé près de la paroi du cylindre.
Ceci permet de réaliser un processus de combustion en trois étapes qui procure un moteur avec un fort rendement qui fonctionne à la stoechiométrie favorisant ainsi le post-traitement des NOx par le catalyseur trois voies.
De plus, ce processus permet d'avoir de très bons résultats en terme de 25 consommation de carburant, de réduction de bruit de combustion ainsi que de réduction de risque d'apparition du cliquetis.
Grâce à l'invention, on peut limiter l'émission de suies par l'emploi de faible quantité du deuxième carburant diesel au profit de grandes quantités de 30 premier carburant essence.
On obtient également un accroissement de la vitesse de combustion grâce aux multiples points de combustion du mélange carburé homogène.
On peut aussi maintenir une propagation de flamme dans le mélange carburé à base d'essence malgré la présence d'un taux d'EGR élevé.
La présente invention n'est pas limitée à l'exemple décrit mais englobe toutes variantes et tous équivalents.

Claims (6)

  1. REVENDICATIONS, 1) Procédé de contrôle de la combustion d'un moteur à combustion interne fonctionnant en bicarburation selon quatre temps et comprenant une chambre de combustion (12) dans laquelle se réalise la combustion d'un mélange carburé, des moyens d'admission (24) avec au moins une tubulure d'admission (26) associée à une soupape d'admission (28), des moyens d'échappement (30) avec au moins une tubulure (32) et une soupape d'échappement (34), des moyens d'injection d'un premier carburant (36) et des moyens d'injection d'un deuxième carburant (38), caractérisé en ce qu'il consiste - pendant la phase d'admission du moteur, à réaliser un mélange carburé homogène avec des gaz d'échappement recirculés, de l'air et un premier carburant dans la chambre de combustion du moteur, le taux de gaz d'échappement recirculés étant compris entre 15 à 50%, - à injecter, pendant la phase de compression de ce moteur, un deuxième carburant dans le mélange carburé homogène avec un rapport en masse entre le premier et le deuxième carburant compris entre 50 et 95% pour y réaliser un mélange carburé partiel stratifié, de manière à obtenir la combustion du mélange carburé en trois étapes successives avec flamme de diffusion du mélange stratifié partiel puis la combustion par propagation de flamme suivie d'une combustion par auto-allumage du mélange carburé homogène.
  2. 2) Procédé de contrôle selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste à réaliser le mélange carburé homogène dans la tubulure d'admission (26) avant son admission dans la chambre de combustion.
  3. 3) Procédé de contrôle selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce 30 qu'il consiste à injecter le deuxième carburant à un angle de vilebrequin compris entre 30 et 40° avant la fin de la phase de compression du moteur.
  4. 4) Procédé de contrôle selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il consiste à utiliser un moteur avec un rapport volumétrique compris entre 12 et 15.
  5. 5) Procédé de contrôle selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il consiste à utiliser de l'essence en tant que premier carburant.
  6. 6) Procédé de contrôle selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il consiste à utiliser du diesel en tant que deuxième carburant.
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