FR2928703A1 - Moteur a combustion interne et procede d'injection - Google Patents
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Abstract
Moteur à combustion interne comprenant une alimentation en carburant liquide et au moins un dispositif d'injection (1) de carburant comprenant un injecteur (5) délivrant du carburant (11) dans un corps creux (6), un élément chauffant (9) situé dans le corps creux (6), un conduit d'alimentation en air (7) débouchant dans le corps creux (6), caractérisé en ce qu'un moyen de fractionnement et de vaporisation (10) du carburant (11) est situé à l'intérieur du corps creux (6).
Description
B07/4733FR AxC/SKI Société par Actions Simplifiée dite : RENAULT Moteur à combustion interne et procédé d'injection Invention de : Monsieur Denis CROTEAU Dispositif et procédé d'injection assisté par air et chauffage
L'invention concerne les moteurs à combustion interne de véhicule automobile et en particulier lors de la phase de démarrage à froid du véhicule. Elle porte notamment sur un moteur équipé d'un dispositif adapté à une injection indirecte, mais qui peut être utilisé également pour une injection directe, et sur un procédé associé pour un moteur à allumage commandé et à injection indirecte. Les dispositifs d'injection indirecte comportent un injecteur disposé dans un conduit d'admission dont l'extrémité débouche dans la chambre de combustion, par un orifice qui peut être fermé par une soupape d'admission.
Une partie du carburant injecté peut se déposer sous forme d'un film liquide sur les parois du conduit d'admission ou sur la surface extérieure de la soupape d'admission, avant d'être aspirée à l'intérieur de la chambre de combustion, avec un certain retard par rapport à l'injection. La quantité de carburant qui adhère aux parois dépend de la température de ces parois et de la pression qui règne dans le conduit d'admission du moteur. L'épaisseur de ce film est d'autant plus importante que le carburant est peu volatil et que la surface extérieure de la soupape et les parois du conduit d'admission sont froides. En phase de démarrage, le mélange entre l'air issu de la conduite d'admission et le carburant est relativement inhomogène et n'est pas satisfaisant pour le fonctionnement du moteur pour les raisons évoquées ci- avant. I1 entraîne une grande quantité d'hydrocarbures imbrûlés à l'échappement de la chambre de combustion. Des dispositifs existent dans l'état de la technique pour pallier à ce problème de carburant imbrûlé qui résulte de la difficulté de mélanger le carburant injecté avec l'air de la conduite d'admission en phase de démarrage.
La demande de brevet britannique GB 2281101 décrit un dispositif à injection comportant un logement qui reçoit de l'air et du carburant, et dans lequel est disposé un élément chauffant. Un évidement relié au logement permet de pulvériser le carburant par une forme tronconique vers la conduite d'admission. La demande de brevet canadien CA 2522342 illustre un dispositif d'injection qui vaporise le carburant au niveau de l'une de ses extrémités par un élément chauffant. Ces dispositifs ne sont pas satisfaisants.
Ils ne permettent pas notamment d'adapter le débit du carburant vaporisé en sortie du dispositif d'injection avec la durée de la phase d'admission dans la chambre de combustion du moteur. L'invention a pour objet de résoudre ce problème, et de rendre le mélange carburant- air dans la conduite d'admission plus homogène.
Dans un mode de réalisation, il est proposé un moteur à combustion interne comprenant une alimentation en carburant liquide et au moins un dispositif d'injection de carburant comprenant un injecteur délivrant du carburant dans un corps creux, un élément chauffant situé dans le corps creux, un conduit d'alimentation en air débouchant dans le corps creux, caractérisé en ce qu'un moyen de fractionnement et de vaporisation du carburant est situé à l'intérieur du corps creux. Le moyen de fractionnement comprend de préférence un bloc poreux composé d'un matériau conducteur de la chaleur comportant des interstices entourés par des parois internes, et peut être par exemple un matériau fritté choisi parmi les alliages métalliques et les métaux tels que le cuivre, l'aluminium et le laiton. Ainsi, le carburant qui le traverse dans son volume (suivant sa section et sa longueur) peut, dans un premier temps, être fractionné par les interstices selon toute la section du bloc, puis dans un second temps, être vaporisé par le chauffage des parois internes selon la longueur du bloc poreux. Cette double fonction s'opère à l'intérieur du volume du bloc poreux. Avantageusement, l'élément chauffant enserre le bloc poreux, et est enserré le long d'une paroi du corps creux.
Cette disposition de l'élément chauffant périphérique au bloc poreux permet de ne pas gêner l'écoulement d'air et de carburant dans le bloc poreux, tout en assurant la fonction de chauffage des parois internes de ce dernier.
En outre, l'injecteur, le corps creux, l'élément chauffant et le bloc poreux peuvent être disposés co-axialement. Le conduit d'alimentation en air débouche de préférence latéralement au niveau d'une partie proximale du corps creux dans un espace libre de ce dernier.
Avantageusement, un deuxième conduit d'alimentation en air est prévu et débouche sur le bloc poreux, au niveau d'une partie distale du corps creux orientée vers la sortie du dispositif. Les deux conduits d'alimentation en air sont de préférence reliés par un système de réglage, commandé par une unité de contrôle électronique de façon à piloter le débit des deux alimentations. La première alimentation permet d'obtenir le débit de carburant souhaité en sortie du bloc poreux en fonction de la durée de la phase d'admission dans la chambre de combustion, et la deuxième alimentation d'accélérer ce débit, et dans le cas d'une vaporisation partielle de rendre les gouttelettes en sortie du bloc poreux plus fines. Ce dispositif d'injection est plus spécifiquement adapté pour un moteur à allumage commandé et à injection indirecte comportant une conduite d'admission reliée à une chambre de combustion par au moins une soupape d'admission. I1 peut néanmoins être utilisé pour un moteur à injection directe à condition de prévoir un élément obturant protégeant le dispositif d'injection des fortes pressions qui règnent dans la chambre de combustion. Selon un autre aspect, il est proposé un procédé d'injection de carburant dans un moteur à combustion interne comprenant une conduite d'admission reliée à une chambre de combustion par au moins une soupape d'admission et un dispositif d'injection débouchant dans le conduit d'admission dans lequel on fractionne et on vaporise le carburant liquide avant injection dans la conduite d'admission.
Au démarrage, l'injection est réalisée avec la soupape d'admission en position ouverte. Après le démarrage, jusqu'à un temps tl fonction de la température de la surface extérieure de la soupape d'admission, l'injection est réalisée avec la soupape d'admission en position ouverte. Après le démarrage et après un temps t2 supérieur à ti, l'injection est réalisée en soupape d'admission fermée en régime moteur stabilisé, et en soupape d'admission ouverte en régime moteur transitoire.
Après un temps t3 supérieur à t2, l'injection est réalisée en soupape d'admission fermée. I1 est ainsi possible d'optimiser les quantités de carburant injecté en phase de démarrage pendant la phase d'admission de la chambre de combustion en fonction du régime de rotation du moteur, par l'utilisation du dispositif d'injection tel que présenté dans la présente invention selon ce procédé, ce qui permet de réduire les émissions d'hydrocarbures imbrûlés. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée d'un mode de réalisation pris à titre d'exemple non limitatif et illustré par les dessins annexés, sur lesquels : - la figure 1 représente schématiquement un dispositif d'injection relié à une conduite d'admission ; - la figure 2 représente schématiquement le dispositif d'injection en coupe longitudinale ; - la figure 3 représente une stratégie d'injection selon l'invention. La figure 1 représente un dispositif d'injection 1 disposé sur moteur à allumage commandé et à injection indirecte non illustré débouchant sensiblement tangentiellement dans une conduite d'admission 2 reliée à une chambre de combustion 3 par au moins une soupape d'admission 4. Le dispositif d'injection 1 décrit un injecteur 5 alimenté par une arrivée d'essence 11 et un corps creux 6.
Deux conduits d'alimentation en air 7 et 8 débouchent latéralement dans le corps creux 6. Ils sont reliés à une arrivée d'air 21 par un système de réglage du type vanne 19 commandé par une unité de commande électronique 20.
La figure 2 représente, de manière plus détaillée et en coupe longitudinale, un mode de réalisation du dispositif d'injection 1. Le dispositif 1 comprend l'injecteur 5 de carburant, le corps creux 6 cylindrique à l'intérieur duquel est monté un élément chauffant 9, un bloc poreux cylindrique 10 jouant le rôle de moyen de fractionnement et de vaporisation du carburant, et les deux conduits d'alimentations en air pulsé 7 et 8, l'injecteur 5, le corps creux 6 et l'élément chauffant 9 étant co-axiaux. L'élément chauffant 9 est enserré le long d'une paroi 20 du corps creux 6 cylindrique. I1 présente suivant l'axe X-X' une longueur plus grande que celle du bloc poreux 10 et vient en appui sur l'injecteur 5. L'élément chauffant 9 peut comporter à titre illustratif des résistances chauffantes 9a. Le bloc poreux 10 est logé dans le corps creux 6 en laissant subsister en partie proximale opposée à la sortie 15 du dispositif 1, et proche de l'injecteur 5, un espace 12, la longueur du bloc poreux 10 suivant l'axe X-X' étant inférieure à la longueur du corps creux 6. De plus, le bloc poreux 10 est monté dans l'élément chauffant 9. Dans l'exemple illustré, son diamètre est adapté pour un montage serré dans l'élément chauffant 9.
Le bloc poreux 10 comprend une structure poreuse comportant des interstices 13 séparés par des parois internes 14, cette structure étant conductrice de la chaleur. I1 comprend un matériau fritté ayant une conductivité thermique élevée, et peut être choisi, par exemple, parmi les alliages métalliques et les métaux tels que le cuivre, l'aluminium et le laiton d'un métal ou d'un alliage (cuivre, laiton, aluminium). Les deux conduits d'alimentation 7 et 8 débouchent latéralement dans le corps creux 6, le conduit 7 au niveau d'une partie proximale 16a proche de l'injecteur 5, et le conduit 8 au niveau d'une partie distale 16b opposée à l'injecteur 5 et proche de la sortie 15 du dispositif 1.
Le conduit 7 débouche dans l'espace 12 tandis que la conduite 8 débouche directement dans le bloc poreux 10. Les deux conduits d'alimentation 7 et 8 sont disposés radialement par rapport à l'axe X-X', mais peuvent être orientés de façon différente. Par exemple, ils peuvent être orientés avec un angle aigu par rapport à l'axe X-X'. Le conduit 7 peut être parallèle à l'axe X-X' et déboucher dans le corps creux 6 entre l'injecteur 5 et l'élément chauffant 12. Ces deux conduits d'alimentation 7 et 8 sont liées par un système de réglage 19 commandé par une unité de contrôle électronique 20 (UCE). Le principe de fonctionnement du dispositif 1 est le suivant. L'injecteur 5 délivre le carburant dans l'espace 12 situé au-dessus du bloc poreux 10 à un instant initial t. A cet instant t, l'élément chauffant 9 est activé si la température de la surface extérieure 17 de la soupape d'admission 4 (surface orientée vers le conduit d'admission) est inférieure à une valeur seuil donnée, ce qui permet de chauffer le carburant dans l'espace 12. A un instant suivant t+dt, l'air issu du conduit d'alimentation 7 vient se mélanger au carburant situé dans l'espace 12 au-dessus du bloc poreux 10 et permet, par entraînement suivant l'axe X-X', l'écoulement du carburant dans les interstices 13 du bloc poreux 10. Ainsi du fait de la disposition des interstices 13 suivant la section du bloc poreux 10, le carburant est fractionné. L'écoulement du carburant se fait sur les parois internes 14 des interstices 13, sous forme d'un film de faible épaisseur, l'air s'écoulant sur le film. Le bloc poreux 10 permet de présenter une grande surface d'échange thermique entre le film de carburant de faible épaisseur et les parois internes 14 des interstices 13, ces parois internes 14 ayant par exemple une forme sensiblement sphérique ou cylindrique pour augmenter cette surface d'échange. Comme les parois internes 14 sont chauffées, le film de faible épaisseur de carburant en contact avec ces parois internes 14 peut facilement se vaporiser avant de sortir à la vitesse de l'écoulement de l'air.
Ainsi, du fait de la disposition des interstices 13 suivant la longueur du bloc poreux 10, ce dernier permet d'obtenir, à sa sortie 15, du carburant partiellement ou totalement vaporisé en fonction de la volatilité du carburant, de la surface d'échange, et de la température de l'élément chauffant 9. Lorsque le carburant est partiellement vaporisé, de fines gouttelettes de carburant qui correspondent au film qui s'est écoulé dans les interstices 13 sans se vaporiser sortent du bloc poreux 10. Cela peut être le cas avec un carburant peu volatil tel que l'éthanol. La disposition de l'élément chauffant 9 en appui sur le corps creux 6 et périphérique au bloc poreux 10 ne perturbe pas les écoulements de l'air et du carburant qui sortent selon toute la section du bloc 10, permettant un débit important de carburant en sortie 15 du bloc 10. Le débit d'air du conduit d'alimentation 7 conditionne la quantité ou masse de carburant qui traverse le bloc poreux 10, la conduite 8 se situant en aval de l'espace 12 dans lequel est déposé le carburant par l'injecteur 5. Le débit du conduit d'alimentation 7 est réglé de telle sorte que la quantité de carburant l i a débouchant en sortie 15 du bloc poreux 10 avec une vitesse donnée et selon toute la section du bloc poreux 10 corresponde à celle souhaitée pendant la durée de la phase d'admission dans la chambre de combustion. Par exemple, pour un régime moteur de 1200tr/min, le débit d'air du conduit d'alimentation 7 sera quatre fois supérieur au débit d'air du conduit 7 pour un régime moteur de 300tr/min, étant donné que la durée de la phase d'admission est quatre fois inférieure à celle d'un régime moteur de 300tr/min. Ainsi, le dispositif 1 peut fonctionner avec une seule alimentation 7. Le deuxième conduit d'alimentation en air 8 permet d'ajuster la vitesse d'éjection souhaitée de l'air hors du dispositif 1. Le débit d'air de l'alimentation 8 peut servir à accélérer le débit du carburant en sortie 15 du bloc poreux 10, mais est davantage utilisé pour réduire la taille des gouttelettes dans le cas d'une vaporisation partielle. En effet, dans le cas d'une vaporisation partielle, le diamètre des gouttelettes de carburant liquide Il qui est une fonction de la vitesse d'éjection de l'air en sortie 15 du bloc poreux 10 est diminué par une augmentation du débit de l'air de l'alimentation 8. De façon non limitative, le deuxième conduit 8 se situe de préférence entre le tiers et la mi-hauteur de la sortie 15.
Dans une dernière étape, le jet de carburant 1 la qui sort, complètement vaporisé ou partiellement vaporisé et fractionné en gouttelettes suite en fonctionnement du dispositif 1, se mélange à l'air du conduit d'admission 2. Ainsi, le dispositif 1 permet une plus grande homogénéité du mélange carburant/air dans le conduit d'admission pendant la phase de démarrage du véhicule, puisqu'il permet de fractionner et de vaporiser le carburant au moins partiellement, en amont de la conduite d'admission 2, et de façon appropriée au régime moteur puisque le système des deux conduits d'alimentation 7 et 8 permet de contrôler le débit de carburant lla en sortie 15 du bloc poreux 10. Une stratégie d'injection spécifique à ce dispositif 1 est de préférence utilisée en fonction du régime de rotation du moteur et de l'instant de démarrage, comme illustré sur la figure 3. Au démarrage, dans une première étape, entre les instants tO et tl, l'injection du jet de carburant lla est effectuée avec la soupape d'admission 4 ouverte. Le jet vaporisé et/ou fractionné en gouttelettes se mélange avec l'air du conduit d'admission 2 avant d'entrer dans la chambre de combustion 3. Juste après le démarrage, dans une seconde étape, entre les instants tl et t2, avant que la température de la surface extérieure 17 de la soupape 4 n'atteigne une valeur seuil (T< Tl), la stratégie d'injection dépend du régime moteur. En régime moteur stabilisé, l'injection du jet de carburant lla est effectuée avec la soupape d'admission 4 fermée. Le jet vaporisé se mélange à l'air de la conduite d'admission 2 et les gouttelettes viennent frapper la surface extérieure 17 de la soupape d'admission 4, orientée vers le conduit d'admission. Cette surface 17 est suffisamment chauffée pour que les gouttelettes se vaporisent rapidement à son contact.
En régime moteur transitoire (accélération ou décélération), comme la pression d'air du conduit d'admission varie rapidement, l'injection du jet de carburant 1 la est effectuée avec la soupape d'admission 4 ouverte ce qui permet un meilleur contrôle de la quantité de carburant 1 la entrant dans la chambre de combustion 3. Le jet vaporisé ou fractionné en gouttelettes se mélange avec l'air du conduit d'admission 2 avant d'entrer dans la chambre de combustion 3. Ainsi, la quantité de carburant 1 l a injectée correspond dans ce cas sensiblement à la quantité de carburant 11 entrant dans la chambre de combustion 3.
Après la phase de démarrage, dans une troisième étape, à partir de l'instant t2, lorsque la température de la surface extérieure 17 de la soupape d'admission 4 est supérieure à la valeur seuil (T>Tl), l'injection du jet de carburant 1 la est effectuée avec la soupape d'admission 4 fermée. L'élément chauffant 9 du dispositif 1 peut ne pas être utilisé dans cette troisième étape. La température de seuil Tl de la surface extérieure 17 de la soupape d'admission 4 qui conditionne la stratégie d'injection en soupape d'admission 4 ouverte ou fermée peut être déterminée par une cartographie de la température d'eau du moteur, cartographie mémorisée dans l'UCE 20. Ainsi, le bloc poreux 10 peut, dans un premier temps, fractionner sur sa section par les interstices 13 le carburant qui le traverse. Dans un second temps, en fonction de la stratégie d'injection, il le vaporise au moins en partie selon sa longueur par le chauffage des parois internes 14 avant que la température extérieure de la soupape 4 n'atteigne la valeur seuil Tl. A partir de cet instant pour lequel T>Tl, le chauffage de l'élément chauffant 9 n'est plus nécessaire. Le dispositif d'injection permet d'adapter le débit du carburant vaporisé à sa sortie avec la durée de la phase d'admission dans la chambre de combustion du moteur et de rendre le mélange carburant- air dans la conduite d'admission plus homogène.
Claims (10)
1. Moteur à combustion interne comprenant une alimentation en carburant liquide et au moins un dispositif d'injection (1) de carburant comprenant un injecteur (5) délivrant du carburant (11) dans un corps creux (6), un élément chauffant (9) situé dans le corps creux (6), un conduit d'alimentation en air (7) débouchant dans le corps creux (6), caractérisé en ce qu'un moyen de fractionnement et de vaporisation (10) du carburant (11) est situé à l'intérieur du corps creux (6).
2. Moteur à combustion interne selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen de fractionnement et de vaporisation comprend un bloc poreux (10) composé d'un matériau conducteur comportant des interstices (13) entourés par des parois internes (14).
3. Moteur à combustion interne selon l'une des revendications 1, 2, caractérisé en ce que l'élément chauffant (9) enserre le bloc poreux (10), et est enserré le long d'une paroi du corps creux (6).
4. Moteur à combustion interne selon l'une des revendications 1, 2, 3, caractérisé en ce que le conduit d'alimentation en air (7) débouche latéralement dans le corps creux (6) au niveau d'un espace (12).
5. Moteur à combustion interne selon l'une des revendications 1, 2, 3, 4, caractérisé en ce qu'un deuxième conduit d'alimentation en air (8) débouche dans le bloc poreux (10) latéralement au niveau d'une partie distale du corps creux (6).
6. Moteur à combustion interne selon la revendication 5, caractérisé en ce que les deux conduits d'alimentation en air (7, 8) sont alimentés par l'intermédiaire d'un système de réglage commandé par une unité de contrôle électronique.
7. Moteur à combustion interne selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le dispositif d'injection (1) débouche dans une conduite d'admission (2) reliée à une chambre de combustion (3) du moteur par au moins une soupape d'admission (4).
8. Procédé d'injection de carburant dans un moteur à combustion interne comprenant une conduite d'admission (2) reliée à une chambre de combustion (3) par au moins une soupape d'admission (4) et un dispositif d'injection (1) débouchant dans le conduit d'admission caractérisé par le fait que l'on fractionne et que l'on vaporise le carburant liquide (11) avant son injection dans la conduite d'admission (2), et en ce que l'injection est faite : au démarrage, avec la soupape d'admission (4) en position ouverte, - après le démarrage, jusqu'à un temps tl fonction de la température de la surface extérieure (17) de la soupape d'admission (4), avec la soupape en position ouverte.
9. Procédé d'injection selon la revendication 8, dans lequel après un temps t2 supérieur à ti, l'injection est réalisée en soupape d'admission (4) fermée en régime moteur stabilisé et en soupape d'admission (4) ouverte en régime moteur transitoire.
10. Procédé d'injection selon la revendication 9, dans lequel après un temps t3 supérieur à t2, l'injection est réalisée en soupape d'admission (4) fermée.20
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