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FR2720113A1 - Procédé et dispositif de préparation d'un mélange carbure dans un moteur quatre temps à allumage commande. - Google Patents

Procédé et dispositif de préparation d'un mélange carbure dans un moteur quatre temps à allumage commande. Download PDF

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Abstract

- La présente invention concerne un procédé et un dispositif de préparation d'un mélange carburé destiné à être injecté dans une chambre de combustion d'un moteur quatre temps à allumage commandé, comprenant au moins deux conduits séparés d'admission (2, 3) dudit mélange par cylindre, l'un au moins des conduits étant pourvu d'un moyen (8) de contrôle de sa section de passage. Selon l'invention chaque conduit d'admission (2, 3) est équipé d'au moins un injecteur de carburant (9, 10), les injecteurs ayant des débits différents les uns des autres.

Description

La présente invention concerne le domaine des moteurs à combustion interne et plus particulièrement les moteurs à quatre temps à allumage commandé ayant deux soupapes d'admission et deux conduits d'admission séparés par cylindre.
L'injection est de type multipoint c'est-à-dire qu'il est prévu au moins un injecteur de carburant par cylindre.
D'une façon générale, I'invention a trait à la préparation du mélange carburé dans le type de moteurs décrits ci-dessus.
Deux grandes voies sont possibles pour réaliser la préparation du mélange air/carburant lors d'un fonctionnement à charge partielle
La recherche d'un mélange stratifié et la recherche d'un mélange homogène ou faiblement stratifié.
Concernant la recherche d'un mélange stratifié, on cherche à réaliser une zone riche en carburant dans la chambre de combustion autour de la bougie pour permettre une initiation de la combustion plus rapide. Cette technique est surtout utilisée sur les moteurs à mélange pauvre ou dilué par les gaz brûlés car elle permet de diminuer la quantité de carburant admise dans le moteur.
La plupart du temps, une stratification verticale du mélange est réalisée, avec une zone riche autour de la bougie.
Selon un premier exemple connu, le carburant est injecté dans un seul des deux conduits et la zone riche en carburant si situe sur une moitié de la chambre de combustion. La bougie se situe alors en face de ce conduit et on ne peut placer qu'une soupape d'échappement.
Dans un autre cas, décrit dans la demande de brevet EP-A1- 0 558 073, chaque conduit admission est divisé en deux parties par une séparation verticale et le carburant est injecté dans la partie du conduit la plus proche de l'axe de symétrie, permettant de placer la zone riche en carburant au milieu de la chambre de combustion. La bougie est alors au centre de cette dernière et il est possible d'avoir deux soupapes échappement. L'utilisation d'un tel mélange stratifié nécessite l'obtention d'un fort mouvement tourbillonnaire dès les faibles régimes et charge, ce qui est défavorable au remplissage à fort régime et charge si la configuration d'admission est maintenue identique.
En ce qui concerne la recherche d'un mélange homogène ou faiblement stratifié. Le carburant est injecté dans chaque conduit débitant. L'obtention de la forte aérodynamique nécessaire au bon fonctionnement à faible régime et charge est alors réalisée par la fermeture partielle ou totale de l'un des deux conduits.
Il est aussi connu, par le brevet US 5 167 211, de prévoir un papillon dans l'un des deux conduits d'admission. Ce papillon, situé en amont de l'injecteur, est fermé en fonctionnement en mélange pauvre. L'injection est réalisée simultanément dans les deux conduits d'admission. Un passage est prévu au niveau de l'injecteur qui est placé à cheval sur les deux conduits d'admission, permettant la pulvérisation du carburant dans le conduit fermé par le papillon.
D'autre part, il a été enseigné, dans les documents JP-61083481 et EP 433 908, un système d'admission comprenant deux groupes de conduits d'admission reliés à deux plenums différents un groupe pour lequel une injection classique est réalisée dans chacun des conduits ; un autre groupe pour lequel une injection commune est réalisée pour tous les cylindres (injection de type monopoint).
Cet état de la technique ne permet qu'une modulation relativement faible de l'aérodynamique ou de la préparation du mélange, à l'exception de l'injection de type monopoint qui présente les inconvénients de donner une réponse lente en transitoire et une répartition du carburant dans chaque cylindre difficile à contrôler.
Du fait de ces limitations, le potentiel du moteur ne peut être exploité à son maximum dans toutes les conditions de fonctionnement
Dans le cas d'un mélange stratifié, le comportement à pleine charge peut être médiocre du fait d'un remplissage insuffisant (nécessité d'un tourbillon important pour les faibles charges) et d'une trop forte richesse dans certaines zones de la chambre de combustion.
Dans le cas du fonctionnement avec un mélange homogène ou faiblement stratifié, la qualité de la pulvérisation du carburant peut-être insuffisante à faible charge. D'autre part cette technique est inadaptée au fonctionnement en mélange pauvre ou dilué par les gaz bru lés lorsque la charge et le régime deviennent assez importants, du fait de pertes par pompage trop importantes.
La présente invention permet d'assurer une parfaite modulation de l'aérodynamique et de la préparation du mélange selon les différents modes de fonctionnement du moteur.
Elle permet avantageusement de contrôler individuellement la préparation du mélange carburé dans chaque conduit admission pour toutes les plages de fonctionnement du moteur.
Plus précisément la présente invention permet d'injecter du carburant dans l'un des deux conduits ou dans les deux conduits simultanément grâce à l'utilisation d'un injecteur par conduit.
En outre la présente invention prévoit d'adapter le type d'injecteur à chaque conduit d'admission, cette adaptation ne pénalisant nullement le fonctionnement en régime transitoire.
En d'autres termes, I'objet de la présente demande permet de dissymétriser à volonté l'injection dans les deux conduits d'admission.
En effet l'invention permet de faire varier le débit injecté, le type d'injecteur et la durée d'injection dans chaque conduit séparément.
Ainsi, selon l'invention, la durée de l'injection peut être augmentée par rapport aux systèmes d'injection classiques dédiés simultanément aux fortes et aux faibles charges puisqu'un débit statique trop fort limite alors les possibilités aux faibles charges.
L'augmentation de la durée d'injection permet donc une meilleure homogénéisation du mélange dans la chambre de combustion. Cet effet est particulièrement intéressant lors d'une injection soupape ouverte et notamment en combinaison avec une injection avec manteau d'air. Les fonctionnements en mélange pauvre et à charge partielle sont particulièrement visés par cet effet.
En outre la présente invention a pour avantage de permettre une dissymétrisation de l'aérodynamique des deux conduits admission.
I1 est connu en effet, sur les moteurs présentant deux conduits d'admission par cylindre, que la fermeture partielle ou totale de l'un des conduits admission permet d'améliorer le comportement du moteur lorsque celui-ci fonctionne à des régimes faibles. Ceci est vrai lors d'un fonctionnement à charge partielle du fait d'une augmentation de la vitesse du mélange au niveau de la bougie d'allumage et de la turbulence, facteurs déterminants pour améliorer la combustion du mélange carburé, mais aussi lors d'un fonctionnement à pleine charge du fait d'un meilleur remplissage en air, permettant d'améliorer les performances du moteur.
Cet avantage peut être encore amélioré selon l'invention en dissymétrisant les deux conduits dans leurs géométries.
I1 est aussi possible selon l'invention de dissymétriser la distribution de ces deux conduits pour augmenter les avantages liés aux utilisations de chacun d'entre eux.
La présente invention a pour objet un dispositif de préparation d'un mélange carburé destiné à être injecté dans une chambre de combustion d'un moteur quatre temps à allumage commandé, comprenant au moins deux conduits séparés d'admission dudit mélange par cylindre, I'un au moins des conduits étant pourvu d'un moyen de contrôle de sa section de passage.
Selon l'invention chaque conduit d'admission est équipé d'au moins un injecteur de carburant, les injecteurs ayant des débits différents les uns des autres.
Préférentiellement, le moyen de vannage et l'injecteur ayant le plus gros débit sont disposés dans le même conduit d'admission.
Selon un mode de réalisation de l'invention, l'un au moins des injecteurs est un injecteur à petit débit, tel qu'un injecteur "manteau d'air".
Avantageusement, l'injecteur ayant le plus faible débit est placé dans le conduit d'admission de plus faible section.
En outre l'injecteur ayant le plus gros débit est disposé dans le conduit d'admission ayant la plus grande section.
La présente invention vise aussi un procédé de préparation d'un mélange carburé destiné à être injecté dans la chambre de combustion d'un moteur quatre temps à allumage commandé comprenant plusieurs admissions séparées du mélange carburé par cylindre. Selon l'invention, le mélange carburé formé en amont de la chambre de combustion est réalisé individuellement et de façon différente dans chaque conduit d'admission, en fonction des conditions de fonctionnement du moteur.
Conformément à l'invention, le débit de carburant est adapté au débit d'air de façon différenciée dans chaque conduit d'admission grâce à au moins un injecteur placé dans chaque conduit.
Selon un mode particulier de réalisation de l'invention, I'on réalise un contrôle du débit d'air, en amont de l'injection de carburant, dans le conduit d'admission ayant le plus gros débit.
En accord avec l'invention, on fait varier la durée d'injection individuellement dans chaque conduit d'admission, en fonction des conditions de fonctionnement du moteur.
Plus précisément, on augmente la durée d'injection sur l'un au moins des conduits d'admission.
Selon l'invention, à faible charge, l'injection a lieu dans le conduit de plus faible section et de l'air est simultanément injecté dans ledit conduit.
En outre à charge moyenne, 1 injection a lieu dans le conduit de plus grande section, de l'air est simultanément injecté dans ledit conduit, le moyen de contrôle de la section de passage étant ouvert, et une injection d'air ou de gaz recyclé de l'échappement réalisée dans le conduit de plus faible section.
Préférentiellement à pleine charge, l'injection a lieu simultanément dans chacun des conduits d'admission, le moyen de contrôle de la section de passage étant ouvert et de l'air étant simultanément injecté dans chaque conduit
D'autres avantages et améliorations de la présente invention ressortiront mieux à la lecture de la description qui va suivre faite à titre illustratif et nullement limitatif, en référence aux figures annexées selon lesquelles - La figure 1 représente le dispositif de préparation d'un mélange
carburé selon l'invention par une vue de dessus; - La figure 2 montre des courbes d'évolution de la stabilité de la
pression moyenne indiquée (P) en fonction de la richesse à
l'échappement (R) pour différents types d'injection; et - Les figures 3A, 3B et 3C schématisent le fonctionnement pour
respectivement les faibles charges, les charges moyennes et les
pleines charges.
Un seul cylindre 1 est représenté sur cette coupe, qui montre par ailleurs deux conduits 2, 3 d'admission de mélange carburé qui vont être définis plus en détail plus tard, et à chacun desquels est associé un moyen d'obturation intermittent telle une soupape destinée à mettre en communication chaque conduit d'admission 2, 3 avec le cylindre 1.
De façon classique, une ou plusieurs soupapes d'échappement 6, 6' assurent une obturation intermittente entre le cylindre 1 et le (ou les) conduits d'échappement 7.
Selon l'invention, les conduits d'admission 2, 3 ont une section de passage différente. Ici le conduit 3 a une plus faible section que le conduit 2.
Préférentiellement, dans le conduit 2 de plus grande section est prévu un moyen 8 de contrôle de la section de passage.
En outre, ce même conduit 2 est équipé d'au moins un dispositif 9 d'injection de carburant.
Le conduit d'admission 3 est lui aussi pourvu d'au moins un dispositif 10 d'injection de carburant.
Préférentiellement, les injecteurs 9 et 10 présentent des caractéristiques différentes notamment au niveau de leurs débits respectifs.
L'injecteur 10 disposé dans le conduit 3 d'admission de plus faible section, présente un débit plus faible que l'injecteur 9 placé dans le conduit 2. Un injecteur, connu en soi, de type manteau d'air peut être avantageusement prévu dans le conduit 3. Ce type d'injecteur est en effet particulièrement bien adapté pour fonctionner à faibles charges puisqu'un débit d'air important y est présent du fait de la dépression à l'admission. La référence 1 1 sur la figure 1 symbolise l'arrivée d'air spécifique pour l'injecteur 10 de type manteau d'air.
Une bougie d'allumage 14, de préférence légèrement décentrée vers le conduit 2, est montée sur la culasse.
La présente invention permet donc d'adapter séparément, dans chaque conduit d'admission le débit d'air au débit de carburant, et d'obtenir ainsi la richesse désirée dans chacun des conduits. Si par exemple le moyen 8 de contrôle de la section de passage du plus gros conduit 2 obture complètement ce conduit, alors l'injecteur correspondant 9 sera coupé, inhibant ainsi totalement l'admission 2.
Cette parfaite adaptation aux conditions de fonctionnement ne gène pas pour autant le fonctionnement en transitoire puisque le dispositif selon l'invention est évidemment souple et répond rapidement.
La présente invention, permet d'avoir une durée d'injection plus longue combinée avec une injection soupape ouverte et une injection type manteau d'air lors du fonctionnement avec un seul conduit débitant car la présence de deux injecteurs permet d'avoir un injecteur de faible débit statique dans le conduit 3.
Cet avantage permet d'obtenir une parfaite homogénéisation du mélange en mélange pauvre, plage de fonctionnement où les émissions de NOx et d'hydrocarbures sont actuellement particulièrement importantes à cause précisément d'une mauvaise homogénéité du mélange.
La figure 2 permet d'illustrer l'amélioration du fonctionnement en mélange pauvre apportée par l'utilisation d'une injection manteau d'air et par l'augmentation de la durée de l'injection.
Cette figure représente l'évolution de la stabilité de la pression moyenne indiquée P en fonction de la richesse mesurée à l'échappement R.
La courbe (1) montre une injection standard, la courbe (2) une injection de type manteau d'air de même durée et la courbe (3) une injection manteau d'air de durée augmentée. Les trois courbes ont été obtenues dans des conditions de fonctionnement semblables, avec une injection en milieu d'ouverture soupape.
On observe une nette amélioration de la stabilité avec l'injection manteau d'air : cf. courbe (2) ; et une amélioration encore plus grande si on ajoute l'effet de l'augmentation de la durée de l'injection : cf. courbe (3). Ces améliorations permettent donc d'atteindre des mélanges plus pauvres, et d'obtenir ainsi des niveaux moindres concernant les émissions de matières polluantes et les consommations.
Enfin les figures 3A, 3B et 3C schématisent le fonctionnement du dispositif selon l'invention pour trois plages de fonctionnement du moteur.
Ainsi la figure 3A montre le réglage pour les régimes de ralenti avec une richesse égale à l'unité, et les faibles charges avec un mélange pauvre. Dans cette configuration, le moyen 8 de contrôle de la section de passage du conduit 2 de plus grande section est fermé et l'injecteur 9 placé dans ce conduit ne débite pas.
Seul débite l'injecteur 10 placé dans le conduit 3 de plus faible section ; le cône 12 symbolise ce débit. L'admission par une seule soupape crée dans la chambre de combustion 1 un mouvement tourbillonnaire des gaz symbolysé par la flèche 13.
Bien entendu, la qualité de pulvérisation de l'injecteur 10 peut être amélioré par la mise en place de tout moyen connu en soi tel qu'un injecteur manteau d'air par exemple.
De l'air peut être préférentiellement utilisé comme fluide moteur dans le conduit 3.
Par ailleurs le fonctionnement en mélange pauvre peut être amélioré en augmentant la durée de l'injection. Cet effet, combiné par exemple à l'utilisation d'un injecteur manteau d'air apporte une très nette amélioration dans cette plage de fonctionnement.
A noter que la bougie d'allumage 14 est préférentiellement légèrement décalée vers le conduit 2 de plus grande section, position particulièrement avantageuse pour le fonctionnement à charge moyenne comme il va être expliqué ci-après en relation avec la figure 3B.
En effet en charge moyenne, pour une richesse globalement égale à l'unité, le moyen 8 de contrôle est ouvert, laissant un fluide moteur tel que de l'air pénétrer librement dans le conduit 2. Simultanément l'injecteur 9 placé dans ce conduit, est activé et injecte donc le carburant vers la chambre de combustion 1 à travers l'orifice d'admission correspondant 4. Parallèlement, dans le conduit 3, L'autre injecteur 10 ne débite pas et un fluide tel que par exemple des gaz recyclés de l'échappement (EGR) ou de l'air traversent le conduit 3. On crée ainsi une stratification des gaz dans la chambre de combustion 1 selon laquelle une zone riche en carburant (R > 1) existe dans la zone située du côté du conduit 2 qui injecte, tandis qu'une zone pauvre en carburant (hachurée sur la figure 3B) est créée en face du conduit 3, où débouchent les gaz recyclés de l'échappement EGR ou l'air admis.Cette stratification explique la position préférée de la bougie d'allumage 14, légèrement décalée vers la zone ayant ici la richesse la plus élevée.
Enfin à pleine charge, la présente invention permet d'avoir les deux injecteurs 9, 10 qui débitent dans les deux conduits 2, 3 simultanément traversés par un fluide moteur tel que de l'air.
Des performances optimales du moteur peuvent ainsi être atteintes, avec un mélange bien homogénéisé dû à la quasisymétrie de cette configuration.
De ce qui précède il ressort que la présente invention permet à loisir d'adapter la nature du mélange (homogène ou stratifié) selon le point de fonctionnement. Ainsi
A faible régime, on peut réaliser un mélange homogène avec une aérodynamique de forte intensité, en fermant partiellement ou totalement le conduit de plus grosse section et en injectant le carburant essentiellement dans le conduit de plus faible section. Cette configuration sera particulièrement bien adaptée au mélange pauvre à charge faible ou modérée, d'autant plus si l'on combine avec une injection de type manteau d'air et de forte durée sur ce conduit comme expliqué ci-avant.
A régime moyen, on peut réaliser un mélange stratifié avec une aérodynamique d'intensité plus modérée permettant un meilleur remplissage et de moindres pertes par pompage, en ouvrant les deux conduits et en injectant dans un seul. L'injection se fera alors préférentiellement dans le conduit de forte section, ce qui permet d'allumer du coté riche avec la bougie légèrement décalée vers le conduit de plus grosse section. Cette configuration sera bien adaptée au mélange pauvre à charge faible ou modérée, mais plus encore au mélange dilué par les gaz brûlés si on utilise lors de ce fonctionnement une entrée des gaz brûlés sur le plus petit conduit permettant d'augmenter le mouvement tourbillonnaire dans la chambre de combustion.
Enfin à régime élevé ou à pleine charge, on pourra fonctionner avec un mélange homogène grâce à l'ouverture simultanée des deux conduits et à une injection dans chacun d'entre eux. Cette configuration est particulièrement bien adaptée à l'obtention de performances élevées.

Claims (17)

REVENDICATIONS
1) Dispositif de préparation d'un mélange carburé destiné à être injecté dans une chambre de combustion d'un moteur quatre temps à allumage commandé, comprenant au moins deux conduits séparés d'admission (2,3) dudit mélange par cylindre,
I'un au moins des conduits étant pourvu d'un moyen (8) de contrôle de sa section de passage, caractérisé en ce que chaque conduit d'admission (2, 3) est équipé d'au moins un injecteur de carburant (9, 10), les injecteurs ayant des débits différents les uns des autres.
2) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen (8) de vannage et l'injecteur (9) ayant le plus gros débit sont disposés dans le même conduit d'admission (2).
3) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'un au moins des injecteurs est un injecteur à petit débit (10) tel qu'un injecteur "manteau d'air".
4) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'injecteur ayant le plus faible débit (10) est placé dans le conduit d'admission de plus faible section (3).
5) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'injecteur ayant le plus gros débit (9) est disposé dans le conduit d'admission ayant la plus grande section (2).
6) Procédé de préparation d'un mélange carburé destiné à être injecté dans la chambre de combustion (1) d'un moteur quatre temps à allumage commandé comprenant plusieurs admissions (2, 3) séparées du mélange carburé par cylindre, caractérisé en ce que le mélange carburé formé en amont de la chambre de combustion est réalisé individuellement et de façon différente dans chaque conduit d'admission (2, 3), en fonction des conditions de fonctionnement du moteur.
7) Procédé de préparation d'un mélange carburé selon la revendication 6, caractérisé en ce que le débit de carburant est adapté au débit d'air de façon différenciée dans chaque conduit d'admission grâce à au moins un injecteur placé dans chaque conduit.
8) Procédé selon l'une quelconque des revendications 6 ou 7, caractérisé en ce que l'on réalise un contrôle du débit d'air, en amont de l'injection de carburant, dans le conduit d'admission ayant le plus gros débit.
9) Procédé selon l'une quelconque des revendications 6 à 8, caractérisé en ce que l'on fait varier la durée d'injection individuellement, dans chaque conduit d'admission, en fonction des conditions de fonctionnement du moteur.
10) Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'on augmente la durée d'injection sur l'un au moins des conduits d'admission.
11) Procédé selon l'une quelconque des revendications 6 à 10, caractérisé en ce que, à faible charge, l'injection a lieu dans le conduit (3) de plus faible section et en ce que de l'air est simultanément injecté dans ledit conduit (3).
12) Procédé selon l'une quelconque des revendications 6 à 11, caractérisé en ce que, à charge moyenne, I'injection a lieu dans le conduit de plus grande section (2), en ce que de l'air est simultanément injecté dans ledit conduit, le moyen (8) de contrôle de la section de passage étant ouvert, et en ce qu'une injection d'un autre fluide est réalisée dans le conduit (3) de plus faible section.
13) Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce que le fluide injecté dans le conduit (3) de plus faible section est de l'air.
14) Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce que le fluide injecté dans le conduit (3) de plus faible section comprend des gaz d'échappement recyclés.
15) Procédé selon l'une quelconque des revendications 6 à 10, caractérisé en ce que, à pleine charge, l'injection a lieu simultanément dans chacun des conduits d'admission (2, 3), le moyen (8) de contrôle de la section de passage étant ouvert et de l'air étant simultanément injecté dans chaque conduit.
16) Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'on augmente la durée d'injection en fonctionnement à faible charge et mélange pauvre.
17) Procédé selon la revendication 16, caractérisé en ce que l'on utilise un injecteur de type "manteau d'air" sur le conduit de faible section.
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