WO2009000991A2 - Systeme d'injection de carburant dans un moteur a explosion, et vehicule ainsi equipe - Google Patents
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- F02M67/00—Apparatus in which fuel-injection is effected by means of high-pressure gas, the gas carrying the fuel into working cylinders of the engine, e.g. air-injection type
- F02M67/005—Apparatus in which fuel-injection is effected by means of high-pressure gas, the gas carrying the fuel into working cylinders of the engine, e.g. air-injection type fuel-gas mixture being compressed in a pump for subsequent injection into the engine
Definitions
- the invention relates to combustion engines, and more specifically the fuel injection devices in the engine cylinders or upstream of the cylinders.
- the improvement of the pollutant emission control systems of spark-ignition engines, particularly from the years after 1980, has led to recent vehicles being significantly less polluting than older vehicles.
- a pre-1970 vehicle with no emissions control system emits CO, NOx and hydrocarbons at concentrations 25 times higher than emissions from recent vehicles, and also 1000 times more soot particles.
- older vehicles contribute in a very significant way to automobile pollution as a whole. For example, it is estimated that in California, 4% of vehicles prior to 1970 contribute to 15% of global car pollution.
- vehicles equipped with older generation catalytic converters (1975-1980) produce significantly more emissions than newer vehicles equipped with more efficient catalytic converters and diesel particulate filters.
- US-A-4 167 921 discloses a fuel injector equipped with a mixing chamber surrounding the injection head. Atomization of the fuel is carried out by using air from the atmosphere or the air intake pipe and injected into the mixing chamber.
- the position of the injection head with respect to the outlet of the chamber is adjustable according to the load of the engine.
- the output section of the chamber is variable, between what is needed for idle operation and what is necessary for full load operation.
- the exit of the inner tube is still open and the air is introduced into the chamber, at a low pressure, downstream of the orifice of the injector, it is not possible to obtain precise control of the combustion air.
- this system can not be applied to diesel engines and other direct injection engines.
- US-A-5,241,938 discloses a system where a fuel injector has a plurality of cylindrical air passages which allow air to be drawn into a mixing chamber opening on the intake duct, and in directions that intersect it with fuel from the injector to atomize it. Again, precise control of combustion air is not achieved and the system is not applicable to diesel and direct injection engines.
- Other documents such as US-A-5 884 611 and US-A-4 381 077 disclose injector heads equipped with high-pressure air injection mixing chambers.
- the object of the invention is to propose an efficient system promoting combustion air-fuel mixture, which can also be easily and inexpensively adapted to a pre-existing vehicle, so as to make possible a reduction in pollutant emissions and the fuel consumption of an old vehicle.
- the subject of the invention is a system for injecting fuel into the cylinders of an internal combustion engine, comprising at least one injector per cylinder, characterized in that it comprises, placed upstream of the injector or injectors. on the fuel path, an air-fuel premix device, comprising a pressurized air intake pipe and a fuel intake pipe at a pressure lower than that of the air, said pipes opening into a chamber mixing, and a pipe directing the air-fuel mixture out of the mixing chamber towards the injector or injectors.
- the air-fuel premixing device may comprise a ventilation tube whose downstream end is connected to the pipe directing the air-fuel mixture towards the injector or injectors, the inner space of said tube communicating with the mixing chamber.
- Said aeration tube may have orifices on its side wall.
- the system may comprise a compressor placed on the path of the fuel or air-fuel mixture and a common rail placed upstream of the injectors, said injection system being intended for a diesel engine.
- the invention also relates to a motor vehicle equipped with an internal combustion engine and a fuel injection system in said engine, characterized in that said injection system is of the type described above.
- the engine may be a diesel engine, or a gasoline engine.
- the invention consists in installing on the fuel supply circuit of a direct or indirect injection engine an air / fuel mixing chamber placed upstream of the injectors.
- an air / fuel mixing chamber placed upstream of the injectors.
- an intimate mixture of the air and the fuel at the outlet of the injectors is prematurely made with respect to the case where this mixing takes place only at the outlet of the injectors, as in the prior art.
- This allows for an efficient atomization of the fuel at its output of the injectors.
- this system has the advantage of being easily implantable on a pre-existing vehicle, because it does not require any major changes in the design of the engine and its annexes.
- FIG. 1 which shows schematically a diesel engine and its fuel supply system made according to the invention
- FIG. 2 which shows schematically in section an example of an air / fuel premix device used in the invention.
- FIG. 1 shows schematically a diesel engine 1 with four cylinders and its fuel intake circuit, equipped with an air-fuel premixing device 2 according to the invention, shown schematically in more detail in FIG. 2.
- This circuit also comprises the following elements :
- an air intake duct 3 in the premixing device 2 and a fuel intake duct 4 in the same device 2 and a device comprising a pressure sensor, which controls and controls the gas / liquid ratio materials feeding the premixing device 2; a pump 6 placed on the pipe 3 ensures pressurization of the air;
- a line 7 bringing the mixture of fuel / air saturated with air leaving the premixing device 2 in a compressor 8 raising it to 500-2000 atmospheres; - A line 9 bringing the fuel / air mixture leaving the compressor 8 in a common rail 10 which ensures the distribution of the air / fuel mixture in the cylinders of the engine 1, via the injectors January 1.
- the air-fuel premixing device 2 is placed in a housing 12.
- An internal metal wall 13 capable of withstanding high pressures contains a mixing chamber 14 into which the air intake and air intake pipes 3, 4 open. fuel respectively. Downstream of the outlets of the pipes 3, 4, the chamber 14 is partially occupied by a ventilation tube 15, whose upstream end 18 is connected to the fuel intake pipe 4 and whose downstream end 17 is connected to the pipe 7 which brings the fuel / air mixture leaving the premixing device 2 in the compressor 8.
- the chamber 14 has, for example, an internal diameter of 1 cm and a length of 10 cm.
- the aeration tube 15 may then have an outer diameter of 0.8 cm and a length of 10 cm, being bonded to the fuel inlet pipe 4 and to the outlet pipe 7 of the fuel / air mixture.
- Orifices 16 are pierced in an annular distribution on the side wall of the aeration tube 15. They are, for example, eight in number, 0.3mm in diameter, located about 5cm from the downstream end 17 of the aeration tube. 15. In this way, a massive trapping of gas in the fuel is obtained by suction through the orifices 16.
- the distance of the orifices 16 with respect to the downstream end 17 of the tube 15 makes it possible to ensure that the gas sucked through the orifices 16 will be well mixed with the fuel before the fuel reaches the downstream end 17 of the tube 15 to be sent into the engine injection system. It is possible to use several successive series of such orifices 16 pierced along the aeration tube 15.
- the pressures at which the fuel and the gas are introduced may be different, but the gas pressure must always be greater than that of the gas, in order to avoid a passage of the fuel in the gas supply pipe 3.
- a maximum gas pressure of 560 bar can be associated with a maximum fuel pressure of about 550 bar.
- the fuel flow, and therefore its pressure, is a function of the engine speed, and the flow rate and the gas pressure are consequently controlled by the pressure sensor 5 so as to obtain the desired gas / liquid ratio in the foaming mixture which is formed in the aeration tube 15.
- the atomization of the fuel at its outlet of the injectors 1 1 where it passes from a high-pressure medium (the injector) to a low-pressure medium (the chamber of combustion) is particularly and the intimacy of the air / fuel mixture. All this contributes to a better quality of the combustion, thus to a reduction of the polluting emissions.
- the exemplary air / fuel pre-mixing device 2 shown is not limiting, and any other device making it possible to obtain an intimate air-fuel mixture providing a very high atomization of the fuel at its outlet from the injectors 11 could be used.
- Known devices using membranes, foams, compression under high pressure, evaporators, condensers, stirrers ... would be suitable for this purpose.
- the invention is applicable to any type of engine with direct or indirect fuel injection, regardless of the type of liquid fuel used (gasoline, diesel, ethanol ).
- the precise type of injector 11 can be any.
- the premixing device 2 may be installed upstream (as in the example described) or downstream of the pump or compressor 8 which determines the fuel injection pressure.
- the higher air concentration than usually in the orifices of the injectors makes it possible to reduce the clogging of the orifices; it makes the operation of the engine more reliable thanks to a better regularity of the quantity of fuel injected;
- the compressor (if there is one) is less solitary because of the injection of additional air into the fuel procured by the invention
- the invention can be used at all stages of engine operation: starting, cruising, post-injection phases.
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Abstract
Système d'injection de carburant dans les cylindres d'un moteur à explosion (1), comportant au moins un injecteur (11) par cylindre, caractérisé en ce qu'il comporte, p lacée en amont du ou des injecteurs (11) sur le parcours du carburant, un dispositif (2) de prémélange air-carburant, comportant une conduite (3) d'admission d'air sous pression et une conduite (4) d'admission de carburant à une pression inférieure à celle de l'air, lesdites conduites (3, 4) débouchant dans une chambre de mélange (14), et une conduite (7) dirigeant le mélange air-carburant hors de la chambre de mélange (14) en d irection du ou des injecteurs (11). Véhicule automobile équipé de ce système d'injection.
Description
Système d'injection de carburant dans un moteur à explosion, et véhicule ainsi équipé.
L'invention concerne les moteurs à explosion, et plus précisément les dispositifs d'injection de carburant dans les cylindres du moteur ou en amont des cylindres. L'amélioration des systèmes de contrôle des émissions gazeuses polluantes des moteurs à explosion, notamment à partir des années postérieures à 1980, a conduit à ce que les véhicules récents soient très sensiblement moins polluants que les véhicules plus anciens. Un véhicule antérieur à 1970, dépourvu de système de contrôle des émissions, émet du CO, des NOx et des hydrocarbures à des concentrations 25 fois supérieures à celles des émissions des véhicules récents, et également 1000 fois plus de particules de suies. Même si leur nombre diminue progressivement, les véhicules anciens contribuent d'une façon très notable à la pollution automobile dans son ensemble. Ainsi, on estime qu'en Californie, les 4% de véhicules antérieurs à 1970 contribuent à 15% de la pollution automobile globale. Egalement, les véhicules équipés de pots catalytiques d'ancienne génération (1975-1980) produisent sensiblement plus d'émissions polluantes que les véhicules plus récents équipés de pots catalytiques plus efficaces et de filtres à particules Diesel.
Des progrès sensibles ont été réalisés non seulement dans le traitement des émissions gazeuses, mais aussi dans les systèmes assurant l'injection de carburant et le mélange entre le carburant et l'air de combustion. Les véhicules anciens consomment plus de carburant et produisent davantage d'émissions polluantes que les véhicules récents également pour cette raison. En particulier, l'encrassement des orifices des injecteurs provoque des variations dans le temps de la quantité et la qualité du carburant injecté. Cela diminue la précision et l'efficacité des stratégies de combustion pour les différentes conditions de roulage.
Différentes solutions pour optimiser les systèmes d'injection de carburant et/ou le mélange carburant/air ont été proposées.
US-A-4 167 921 décrit un injecteur de carburant équipé d'une chambre de mélange entourant la tête d'injection. Une atomisation du carburant est réalisée, en utili- sant à cet effet de l'air, provenant de l'atmosphère ou de la conduite d'admission d'air, et qui est injecté dans la chambre de mélange. La position de la tête d'injection par rapport à la sortie de la chambre est ajustable en fonction de la charge du moteur. Ainsi, la section de sortie de la chambre est variable, entre ce qui est nécessaire pour le fonctionnement au ralenti et ce qui est nécessaire pour le fonctionnement à pleine charge. Mais comme la sortie de la chambre à air est toujours ouverte et que l'air est
introduit dans la chambre, à une faible pression, en aval de l'orifice de l'injecteur, on ne peut obtenir un contrôle précis de l'air de combustion. Egalement, ce système ne peut s'appliquer aux moteurs diesel et aux autres moteurs à injection directe.
US-A 5 241 938 décrit un système où un injecteur de carburant possède une plu- ralité de passages d'air cylindriques qui permettent à l'air d'être aspiré dans une chambre de mélange s'ouvrant sur la conduite d'admission, et dans des directions qui le font intersecter avec le carburant provenant de l'injecteur pour l'atomiser. Là encore, un contrôle précis de l'air de combustion n'est pas réalisé et le système n'est pas applicable aux moteurs diesel et à injection directe. D'autres documents tels que US-A-5 884 611 et US-A-4 381 077 décrivent des têtes d'injecteurs équipées de chambres de mélange à injection d'air sous haute pression.
Tous ces systèmes ont en commun l'utilisation d'une chambre de mélange placée en aval de l'orifice de sortie de l'injecteur. Cela signifie que la conception du mo- teur, notamment de son dispositif d'admission de carburant, doit dès le départ intégrer ces dispositifs. Il n'est pratiquement pas possible de les intégrer à un véhicule préexistant, du fait notamment de l'encombrement de la chambre de mélange.
Le but de l'invention est de proposer un système efficace favorisant le mélange air de combustion-carburant, qui puisse en outre être adapté facilement et à peu de frais à un véhicule préexistant, de manière à rendre possible une diminution des émissions polluantes et la consommation de carburant d'un véhicule ancien.
A cet effet, l'invention a pour objet un système d'injection de carburant dans les cylindres d'un moteur à explosion, comportant au moins un injecteur par cylindre, caractérisé en ce qu'il comporte, placée en amont du ou des injecteurs sur le parcours du carburant, un dispositif de prémélange air-carburant, comportant une conduite d'admission d'air sous pression et une conduite d'admission de carburant à une pression inférieure à celle de l'air, lesdites conduites débouchant dans une chambre de mélange, et une conduite dirigeant le mélange air-carburant hors de la chambre de mélange en direction du ou des injecteurs. Le dispositif de prémélange air-carburant peut comporter un tube d'aération dont l'extrémité aval est connectée à la conduite dirigeant le mélange air-carburant en direction du ou des injecteurs, l'espace intérieur dudit tube communiquant avec la chambre de mélange.
Ledit tube d'aération peut comporter des orifices sur sa paroi latérale.
Le système peut comporter un compresseur placé sur le parcours du carburant ou du mélange air-carburant et une rampe commune placée en amont des injecteurs, ledit système d'injection étant destiné à un moteur Diesel.
L'invention a également pour objet un véhicule automobile équipé d'un moteur à explosion et d'un système d'injection de carburant dans ledit moteur, caractérisé en ce que ledit système d'injection est du type décrit précédemment.
Ledit moteur peut être un moteur Diesel, ou un moteur essence.
Comme on l'aura compris, l'invention consiste à implanter sur le circuit d'alimentation en carburant d'un moteur à injection directe ou indirecte une chambre de mélange air/carburant placée en amont des injecteurs. De cette façon, on réalise précocement un mélange intime entre l'air et le carburant à sa sortie des injecteurs par rapport au cas où ce mélange n'a lieu qu'à la sortie des injecteurs, comme dans les techniques antérieures. Cela permet de réaliser une atomisation efficace du carburant à sa sortie des injecteurs. De plus, ce système a l'avantage d'être aisément implantable sur un véhicule préexistant, car il ne nécessite pas de modifications profondes de la conception du moteur et de ses annexes.
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit, donnée en référence aux figures annexées suivantes :
- la figure 1 qui montre schématiquement un moteur Diesel et son système d'alimentation en carburant réalisé selon l'invention ;
- la figure 2 qui montre schématiquement vu en coupe un exemple de dispositif de prémélange air/carburant utilisable dans l'invention.
La figure 1 schématise un moteur Diesel 1 à quatre cylindres et son circuit d'admission de carburant, équipé d'un dispositif 2 de prémélange air-carburant selon l'invention, représenté schématiquement plus en détail sur la figure 2. Ce circuit comporte également les éléments suivants :
- un conduit 3 d'admission d'air dans le dispositif de prémélange 2 et un conduit 4 d'admission de carburant dans ce même dispositif 2, et un dispositif 5 comportant un capteur de pression, qui contrôle et commande le ratio gaz/liquide des matières alimen- tant le dispositif de prémélange 2 ; une pompe 6 placée sur la conduite 3 assure une mise sous pression de l'air ;
- une conduite 7 amenant le mélange carburant/air saturé en air sortant du dispositif de prémélange 2 dans un compresseur 8 le portant à 500-2000 atmosphères ;
- une conduite 9 amenant le mélange carburant/air sortant du compresseur 8 dans une rampe commune 10 qui assure la distribution du mélange air/carburant dans les cylindres du moteur 1 , par l'intermédiaire des injecteurs 1 1.
Le dispositif 2 de prémélange air-carburant est placé dans un boîtier 12. Une pa- roi métallique interne 13 apte à supporter des pressions élevées renferme une chambre de mélange 14 dans laquelle débouchent les conduites 3, 4 d'admission d'air et de carburant respectivement. En aval des débouchés des conduites 3, 4, la chambre 14 est partiellement occupée par un tube à aération 15, dont l'extrémité amont 18 est connectée à la conduite 4 d'admission de carburant et dont l'extrémité aval 17 est connectée à la conduite 7 qui amène le mélange carburant/air sortant du dispositif de prémélange 2 dans le compresseur 8. La chambre 14 a, par exemple, un diamètre interne de 1 cm et une longueur de 10cm. Le tube à aération 15 peut alors avoir un diamètre externe de 0,8cm et une longueur de 10cm, en étant lié à la conduite 4 d'entrée du carburant et à la conduite 7 de sortie du mélange carburant/air. Des orifices 16 sont percés selon une répartition annulaire sur la paroi latérale du tube à aération 15. Ils sont, par exemple, au nombre de huit, de diamètre 0,3mm, situés à environ 5cm de l'extrémité aval 17 du tube à aération 15. De cette façon, on obtient un piégeage massif de gaz dans le carburant, par aspiration à travers les orifices 16. L'éloignement des orifices 16 par rapport à l'extrémité aval 17 du tube 15 permet d'assurer que le gaz aspiré à travers les orifices 16 sera bien mélangé au carburant avant que le carburant n'atteigne l'extrémité aval 17 du tube 15 pour être envoyé dans le système d'injection du moteur. On peut éventuellement utiliser plusieurs séries successives de tels orifices 16 percées le long du tube à aération 15.
Les pressions auxquelles sont introduits le carburant et le gaz peuvent être di- verses, mais la pression du gaz doit toujours être supérieure à celle du gaz, afin d'éviter un passage du carburant dans la conduite 3 d'arrivée de gaz. Par exemple, une pression de gaz maximale de 560 bars peut aller de pair avec une pression maximale de carburant de 550 bars environ. Le débit de carburant, donc sa pression, est fonction du régime du moteur, et le débit et la pression du gaz sont maîtrisés en conséquence par le capteur de pression 5 de manière à obtenir le ratio gaz/liquide souhaité dans le mélange moussant qui est formé dans le tube à aération 15.
Grâce à l'utilisation du dispositif 2 de prémélange air-carburant, l'atomisation du carburant à sa sortie des injecteurs 1 1 où il passe d'un milieu à haute pression (l'injecteur) à un milieu à basse pression (la chambre de combustion) est particulière-
ment poussée, de même que l'intimité du mélange air/carburant. Tout cela contribue à une meilleure qualité de la combustion, donc à une réduction des émissions polluantes.
L'exemple de dispositif 2 de prémélange air/carburant représenté n'est pas limitatif, et tout autre dispositif permettant d'obtenir un mélange air-carburant intime procu- rant une très forte atomisation du carburant à sa sortie des injecteurs 11 serait utilisable. Des dispositifs connus utilisant des membranes, des mousses, une compression sous haute pression, des évaporateurs, des condenseurs, des agitateurs... seraient convenables à cet effet.
L'invention est applicable à tout type de moteur à injection directe ou indirecte de carburant, quel que soit le type de carburant liquide utilisé (essence, gazole, éthanol...). Le type précis d'injecteur 1 1 peut être quelconque.
Le dispositif de prémélange 2 peut être installé en amont (comme dans l'exemple décrit) ou en aval de la pompe ou du compresseur 8 qui détermine la pression d'injection du carburant. Les avantages de l'invention sont, en résumé :
- l'absence de modifications importantes des conceptions classiques du moteur et de ses annexes, ce qui rend possible, et à peu de frais, l'implantation de l'invention sur un véhicule non prévu initialement pour la recevoir ;
- l'obtention de gouttelettes de carburant très fines, favorables à une bonne combustion, comme l'est le mélange rapide et intime entre l'air et le carburant dans la chambre de combustion ; cette bonne combustion entraîne de faibles émissions de CO, hydrocarbures et suies ; on a donc besoin d'une moindre quantité de métaux précieux et autres catalyseurs dans la ligne d'échappement, à niveau égal d'émissions de gaz ;
- à atomisation du carburant égale, une plus faible pression nécessaire au niveau des injecteurs ;
- la concentration en air plus élevée qu'habituellement dans les orifices des injecteurs permet de diminuer le bouchage des orifices ; on fiabilise ainsi le fonctionnement du moteur grâce à une meilleure régularité de la quantité de carburant injectée ;
- à puissance et couple équivalents, le compresseur (s'il y en a un) est moins sol- licite du fait de l'injection d'air supplémentaire dans le carburant procurée par l'invention ;
- l'invention peut être utilisée à tous les stades de fonctionnement du moteur : démarrage, roulage de croisière, phases de post-injection.
Claims
1. Système d'injection de carburant dans les cylindres d'un moteur à explosion (1 ), comportant au moins un injecteur (1 1 ) par cylindre, caractérisé en ce qu'il comporte, placé en amont du ou des injecteurs (1 1 ) sur le parcours du carburant, un dispo- sitif (2) de prémélange air-carburant, comportant une première conduite (3) propre à admettre de l'air sous une première pression et une seconde conduite (4) propre à admettre du carburant à une seconde pression inférieure à ladite première pression, lesdi- tes conduites (3, 4) débouchant dans une chambre de mélange (14), et une conduite (7) dirigeant le mélange air-carburant hors de la chambre de mélange (14) en direction du ou des injecteurs (1 1 ), et un tube d'aération (15) dont l'extrémité aval est connectée à la conduite (7) dirigeant le mélange air-carburant en direction du ou des injecteurs, l'espace intérieur dudit tube (15) communiquant avec la chambre de mélange (14).
2. Système d'injection selon la revendication 1 , caractérisé en ce que ledit tube d'aération (15) comporte des orifices (16) sur sa paroi latérale.
3. Système d'injection selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comporte un compresseur (8) placé sur le parcours du carburant ou du mélange air-carburant et une rampe commune (10) placée en amont des injecteurs (11 ), ledit système d'injection étant destiné à un moteur Diesel (1 ).
4. Véhicule automobile équipé d'un moteur à explosion (1 ) et d'un système d'injection de carburant dans ledit moteur (1 ), caractérisé en ce que ledit système d'injection est du type selon l'une des revendications 1 à 3.
5. Véhicule selon la revendication 4, caractérisé en ce que ledit moteur (1 ) est un moteur Diesel.
6. Véhicule selon la revendication 4, caractérisé en ce que ledit moteur (2) est un moteur essence.
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| 121 | Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application |
Ref document number: 08805863 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A2 |
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| NENP | Non-entry into the national phase |
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| 122 | Ep: pct application non-entry in european phase |
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