FR2790284A1 - Procede et appareil de commande d'un moteur a combustion interne a injection directe de carburant d'un vehicule automobile, notamment au demarrage - Google Patents

Abstract

Procédé selon lequel le carburant est fourni par au moins une pompe d'alimentation (5) selon un débit variable cycliquement, à un réservoir de pression (6) d'où le carburant est injecté sous pression à l'aide d'un injecteur (11) à un instant d'injection, directement dans une chambre de combustion du moteur à combustion interne (1). On mesure la pression (8) agissant sur le carburant. On accorde les cycles du débit d'au moins une pompe d'alimentation (5) et les instants d'injection de carburant, selon une relation chronologique.

Description

La présente invention concerne un procédé de mise

en ouvre d'un moteur à combustion interne, notamment d'un vé-

hicule automobile, selon lequel le carburant est fourni par

au moins une pompe d'alimentation selon un débit variable cy-

cliquement, à un réservoir de pression d'o le carburant est injecté sous pression à l'aide d'au moins un injecteur à un

instant d'injection, directement dans une chambre de combus-

tion du moteur à combustion interne et on mesure la pression

agissant sur le carburant.

L'invention s'applique notamment à la phase de

démarrage du moteur à combustion interne.

L'invention concerne également un appareil de commande applicable notamment à un tel moteur à combustion interne. Le procédé évoqué ci-dessus est notamment connu pour les véhicules automobiles équipés d'un moteur Diesel ou d'un moteur à essence à injection directe. A chacune des chambres de combustion du moteur est associé un injecteur qui injecte directement le carburant, sous pression, dans la chambre de combustion. Pour créer la pression appliquée au carburant, une pompe d'alimentation pompe le carburant vers

les injecteurs. Avant chaque injection, le carburant est tou-

tefois fourni d'abord à un réservoir sous pression, et la ou les chambres de combustion du moteur à combustion interne

sont reliées à ce réservoir par un ou plusieurs injecteurs.

Dans le réservoir sous pression, le carburant est mis à la

pression nécessaire à l'injection par la pompe d'alimenta-

tion. Dans le cas de l'injection directe d'essence, la pression de carburant est de plus en plus significative car cette pression détermine la qualité de la préparation et de la pénétration du carburant dans la chambre de combustion. En particulier dans le mode de fonctionnement dit " stratifié", contrairement à un fonctionnement homogène, il est nécessaire d'introduire le carburant dans la chambre de combustion de manière très définie à la fois dans le temps et dans

l'espace. Pour utiliser l'ensemble du potentiel de la pres-

sion disponible en principe pour la combustion à injection directe, on utilise des pressions de carburant différentes selon les points de fonctionnement en combustion, pour

l'injection dans la chambre de combustion.

Pour doser la masse de carburant à injecter dans les chambres de combustion, la pression agissant sur le car-

burant à chaque injection est particulièrement importante.

C'est ainsi que par exemple pour une même masse de carburant à injecter sous une pression élevée il faudra une durée d'injection courte alors qu'inversement, pour une pression

faible, l'injecteur respectif devra être ouvert plus long-

temps. Une installation d'injection correspondante est par exemple décrite dans le document DE 43 11 731 Ai. Dans

cette installation, on applique la pression d'injection mesu-

rée par un capteur de pression ainsi que les grandeurs carac-

térisant l'état de fonctionnement du moteur à combustion interne, comme autres grandeurs, à un appareil de commande électronique pour déterminer le temps d'ouverture nécessaire

des injecteurs.

Dans les moteurs à combustion interne connus se-

lon l'état de la technique, il y a tout d'abord une pompe électrique de pré-alimentation créant une pression d'environ 4 bars indépendante du régime du moteur. Cette pression de pré-alimentation est relevée, par une pompe d'alimentation principale entraînée directement de manière mécanique par le moteur à combustion interne, jusqu'à une haute pression d'environ 40 à 120 bars. Le débit ou la pression d'alimentation de la pompe d'alimentation principale dépend dans ces conditions principalement du régime du moteur et du

nombre de pistons de la pompe.

De plus, jusqu'à présent, lors du démarrage de moteurs à combustion interne, on n'utilise pas initialement

la pompe d'alimentation principale pour augmenter la pres-

sion. Souvent on établit seulement la pression de pré-

alimentation à l'aide d'une soupape ou par une commande ap-

propriée de la soupape à l'aide d'un appareil de commande. La raison de cette procédure est qu'au démarrage la pression, qui est une fonction, entre autres, du régime du moteur, de la quantité de carburant injectée, de l'instant d'injection, ne peut pas se régler de manière prévisible entre la pression de pré-alimentation et environ 120 bars si bien que l'on ne

peut pas calculer la quantité de carburant à injecter.

De plus, dans le cas des moteurs à injection di- recte évoqués ci-dessus, le temps d'injection est très limité car on ne peut injecter que si la soupape d'échappement de la chambre de combustion est fermée, et pendant l'intervalle au cours duquel la pression du cylindre est inférieure à la

pression régnant dans l'accumulateur de pression.

Pour permettre également une régulation contrôla-

ble de la pression du carburant, en plus de la création de pression, il est connu de déterminer la pression agissant sur le carburant dans l'accumulateur de pression, en utilisant un capteur de pression. Connaissant cette pression, il est alors

possible, en commandant les injecteurs, c'est-à-dire en ou-

vrant les injecteurs pendant une durée prédéterminée, de con-

trôler autant que possible l'opération d'injection.

Pour la réalisation géométrique du réservoir de pression, pour des raisons techniques, il est nécessaire d'augmenter le volume du réservoir. Par exemple, il est connu de s'opposer efficacement à la formation de bulles de gaz

dans le carburant, occasionnée par la température, à proximi-

té (géométrique) des injecteurs, en augmentant le volume du

réservoir de pression. Contrairement à cela, une autre ten-

dance, notamment pour des raisons de coût, consiste à dimi-

nuer la taille et ainsi la puissance de la pompe

d'alimentation principale. Il en résulte que le temps néces-

saire à l'établissement de la pression dans le réservoir de pression augmente plus qu'il ne diminue pendant le mode de démarrage.

Les problèmes évoqués ci-dessus sont encore ac-

centués dans le cas d'une pompe d'alimentation principale réalisée sous la forme d'une pompe monocylindre du fait qu'en

particulier aux faibles régimes qui existent par exemple pen-

dant la phase de lancement du moteur à combustion interne, le débit fourni par la pompe est soumis à de fortes variations

dans le temps, le cas échéant des variations périodiques.

De plus, il est connu que, précisément lors du démarrage à froid, des émissions pratiquement non filtrées peuvent sortir de la chambre de combustion. C'est pourquoi, contrairement à la norme régissant les gaz d'échappement EURO2 qui ne s'applique qu'à la fin du démarrage à froid, pour les futures normes EURO3 et EURO4, il faudra également

tenir compte (probablement) des émissions au démarrage.

La présente invention a ainsi pour but de déve-

lopper un procédé de mise en oeuvre d'un moteur à combustion

interne, ainsi qu'un moteur pour la mise en oeuvre de ce pro-

cédé, évitant les inconvénients cités ci-dessus et permettant notamment l'utilisation d'une pompe d'alimentation principale

entraînée par le moteur avec un débit aussi réduit que possi-

ble malgré les variations de régime qui se produisent en par-

ticulier dans la phase de démarrage et les variations de pression inhérentes. Le problème concerne de manière générale

des situations dans lesquelles des variations de régime (vi-

tesse de rotation) ou de faibles vitesses de rotation, con-

duisent à des variations correspondantes de la pression

d'alimentation de la pompe d'alimentation en carburant.

A cet effet, l'invention concerne un procédé du type défini ci-dessus, caractérisé en ce qu'on accorde les cycles du débit d'au moins une pompe d'alimentation et les

instants d'injection de carburant, selon une relation chrono-

logique.

Ce problème est également résolu par un appareil de commande selon l'invention, caractérisé par des moyens pour accorder dans le temps des cycles, le débit à variation cyclique d'au moins une pompe d'alimentation et des instants

d'injection.

La présente invention repose ainsi sur le concept

selon lequel l'alimentation en carburant d'un moteur à com-

bustion interne à injection directe d'essence, consiste à laisser la pression de carburant s'établir dans le réservoir

de pression dans une plage de temps pendant laquelle, en par-

ticulier au démarrage à froid, du carburant est injecté dans

la chambre de combustion.

Ainsi, le procédé selon l'invention se place dans l'hypothèse que la pression de carburant fournie par la pompe

d'alimentation varie en fonction du temps, notamment de ma-

nière pulsée ou cyclique, de sorte que la pression de carbu-

rant établie par exemple dans un réservoir de pression, ou celle du carburant déjà fourni, varie également en fonction du temps. Cette variation peut par exemple provenir de la pompe d'alimentation sous alimentée du point de vue de son entraînement aux faibles vitesses de rotation, car la pompe d'alimentation ne garantit le débit nécessaire de carburant qu'à partir d'une certaine vitesse de rotation ou encore par exemple en phase de démarrage du moteur à combustion interne, lorsque le moteur tourne à faible régime et que de plus la pression maximale nécessaire au réservoir de pression se

trouve encore en phase d'établissement tandis que le réser-

voir de pression ne peut pas encore assurer l'effet tampon

qui seul permet d'assurer une pression constante.

Selon un premier exemple de réalisation, le temps d'aspiration/compression d'au moins une pompe d'alimentation

est adapté à la phase du moteur à combustion interne.

Cela garantit automatiquement que la pompe d'alimentation fonctionne à la cadence du moteur à combustion interne et qu'ainsi les points d'injection, en corrélation stricte dans le temps avec la phase du moteur à combustion

interne, sont définis suivant les cycles de la pompe.

Selon une variante du procédé de l'invention, le temps d'aspiration/compression de la pompe d'alimentation est assuré par des cames d'entraînement appropriées prévues sur

l'arbre à cames du moteur à combustion interne.

Dans ce mode de réalisation il n'est plus néces-

saire de faire concorder, par une unité de commande, la com-

mande en cadence de la pompe d'alimentation et la cadence de fonctionnement du moteur à combustion interne. Au contraire, de façon automatique, la pompe d'alimentation est accordée

strictement sur le cycle du moteur à combustion interne, in-

dépendamment d'autres influences, si bien qu'il ne peut y

avoir ni déréglage ni déphasage.

Dans le cas du mode de démarrage du moteur à com-

bustion interne, notamment pour le démarrage à froid, on peut en outre injecter le carburant au niveau du maximum de sa

pression dans la chambre de combustion.

Précisément au démarrage à froid, il est néces-

saire d'injecter des quantités de carburant relativement im-

portantes dans la chambre de combustion, c'est-à-dire d'alimenter le moteur avec un mélange riche. Comme l'injection se fait chaque fois au voisinage du maximum de la pression de carburant, cela garantit que, dans tous les cas,

la quantité de carburant maximale possible soit fournie pen-

dant le démarrage à froid car la quantité ou la masse de car-

burant à injecter dans la chambre de combustion ne serait au contraire commandée que par la géométrie de l'orifice de l'injecteur ou par une variation du temps d'ouverture de l'injecteur. Dans le procédé de l'invention il est en outre

prévu de détecter les valeurs de la pression de carburant me-

surées sur une période pour que l'injection commence au ni-

veau du maximum de pression du carburant et que l'ensemble de la masse de carburant à injecter à un instant d'injection s'obtienne par l'addition ou l'intégration du produit de la pression par l'intervalle de temps respectif ou par

l'intervalle de temps infinitésimal, et que le ou les injec-

teurs se ferment lorsqu'on atteint la masse de carburant ap-

propriée pour le présent état de fonctionnement du moteur à combustion interne. Ainsi, par un choix approprié de l'instant d'alimentation et par une intégrale de quantité du produit par le temps, on introduit de manière avantageuse une quantité de carburant relativement importante dans la chambre

de combustion.

Selon l'idée de l'invention, on utilise de ma-

nière précise cette augmentation de pression par le calcul de l'intégrale de la quantité pour fournir une quantité optimale

de carburant à la chambre de combustion.

Le moteur à combustion interne selon l'invention

comporte des moyens pour résoudre le problème évoqué ci-

dessus et définir des cycles de l'établissement du débit de la pompe d'alimentation, variant dans le temps, suivant les

points d'injection.

Suivant d'autres caractéristiques de l'invention, le moteur à combustion interne est caractérisé par: - au moins une pompe d'alimentation dont le temps d'aspiration/compression est adapté à la phase du moteur à combustion interne; - un appareil de commande qui peut accorder aux instants d'injection le temps d'aspiration/compression d'au moins une pompe d'alimentation; - au moins une pompe d'alimentation entraînée par des cames d'entraînement appropriées prévues sur l'arbre à cames du moteur à combustion interne; - un appareil de commande qui détecte les valeurs mesurées

de la pression du carburant et commence l'injection au ni-

veau du maximum de la pression du carburant qui détermine,

à l'aide de ces valeurs, la masse totale de carburant in-

jecté à l'instant d'injection par sommation ou intégration

du produit de la pression et de l'intervalle de temps res-

pectif petit ou infinitésimal, et qui ferme le ou les in-

jecteurs, après avoir atteint la masse de carburant appropriée pour l'état de fonctionnement présent du moteur

à combustion interne.

La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide d'un exemple de réalisation

du procédé et du moteur à combustion interne représenté sché-

matiquement dans les dessins annexés dans lesquels:

- la figure 1 est un schéma par blocs d'un exemple de réali-

sation d'un système selon l'invention pour mettre en oeuvre un moteur à combustion interne de véhicule automobile à une ou plusieurs chambres de combustion, - la figure 2 montre un chronogramme pour la présentation du procédé de l'invention,

- la figure 3a montre la vitesse de rotation du moteur à com-

bustion interne selon l'invention en fonction du temps, et - la figure 3b montre la pression de pompe correspondant au

régime du moteur à combustion interne selon l'invention re-

présentée à la figure 3a.

Un exemple de réalisation d'un moteur à combus-

tion interne selon l'invention sera décrit à l'aide de la fi-

gure 1. Cette figure montre en particulier un système

d'alimentation en carburant 1 d'un moteur à combustion in-

terne appliqué à un véhicule automobile. Le moteur à combus- tion interne comporte quatre cylindres et ainsi quatre

chambres de combustion. Dans ce mode de réalisation, le mo-

teur à combustion interne est à injection directe de carbu-

rant, de préférence de l'essence dans les chambres de

combustion.

Le carburant est pris par une pompe 2 dans un ré-

servoir 3 pour être transféré à travers un filtre 4 à une au-

tre pompe 5; celle-ci pompe le carburant dans une chambre de pression 6. Les pompes 2, 5 établissent dans la chambre de

pression 6 (rampe commune) une pression de carburant relati-

vement élevée. Une soupape de commande de pression 7 et un capteur de pression 8 équipent le chambre de pression 6; le

capteur de pression mesure la pression régnant dans la cham-

bre 6 et agissant sur le carburant. Le capteur de pression 8 génère un signal électrique PRAIL correspondant à la pression

mesurée; ce signal est transmis par une ligne 9 à un appa-

reil de commande électrique 10. La soupape de commande de pression 7 et le capteur de pression 8 permettent de régler la pression dans la chambre de pression 6, c'est-à-dire la

pression agissant sur le carburant, avec l'appareil de com-

mande 10 pour atteindre une valeur de sortie élevée sensible-

ment constante.

L'appareil de commande 10 est un microprocesseur programmable comportant des mémoires et les éléments par ailleurs nécessaires; ce microprocesseur est monté dans le

véhicule automobile. L'appareil de commande 10 reçoit les si-

gnaux nécessaires à l'exécution du procédé, entre autres des capteurs respectifs, par exemple du capteur de pression 8

pour générer à partir de là, selon le procédé décrit, les si-

gnaux nécessaires pour la commande par exemple des action-

neurs faisant fonctionner les injecteurs 11il ou la soupape de

commande de pression 7.

Quatre injecteurs il sont reliés à la chambre de pression 6. Chacun des injecteurs 11 est associé directement

à une chambre de combustion du moteur à combustion interne.

Lorsque les injecteurs 11 sont fermés, la chambre de pression 6 est séparée de la chambre de combustion respective. Des li- gnes électriques 12 relient les injecteurs 11 à l'appareil de commande 10. Pour commander l'un des injecteurs 11,

l'appareil de commande 10 génère un signal électrique ti com-

mandant l'ouverture de l'injecteur associé. La longueur du signal ti correspond à la durée d'injection pendant laquelle le carburant passe de la chambre de pression 6, à travers l'injecteur 11, pour arriver dans la chambre de combustion

correspondante du moteur à combustion interne.

Le fonctionnement de principe d'un moteur à com-

bustion interne selon le procédé de l'invention sera décrit ci-après à l'aide du chronogramme de la figure 2. La partie inférieure de cette figure montre la courbe caractéristique du signal électrique ti commandant l'ouverture d'un certain

injecteur 11. La durée du signal ti correspond ainsi à la du-

rée d'injection respective. Comme cela apparaît en outre dans ce diagramme, chacun des injecteurs 11 est sollicité deux fois par cycle du moteur à combustion interne 1 (0 - 360 ) avec le signal ti, c'est-à-dire qu'il y a deux injections par cycle. La partie supérieure du diagramme montre à titre d'exemple la courbe schématique de l'évolution de la pression

de carburant dans le réservoir de pression 6 (rampe com-

mune); cette pression oscille dans une plage de pressions, c'est-à-dire qu'elle varie cycliquement dans le temps. Selon

le procédé proposé, les points d'injection se situent au ni-

veau des maxima de la courbe de pression. Comme, dans cet exemple, les phases des signaux ti et des maxima de pression sont strictement liées par corrélation dans le temps, cela garantit que la phase représentée pour les deux grandeurs ti et p reste inchangée même à long terme. Cette relation de phase fixe peut se réaliser par exemple par une commande dans le temps appropriée de la pompe d'alimentation 5, par exemple par l'appareil de commande 10 ou par une commande par arbre à cames. Le diagramme de la figure 3a montre une courbe

caractéristique de la vitesse de rotation d'un moteur à com-

bustion interne 1 selon l'invention en phase de démarrage. Selon les cycles évoqués du moteur à combustion interne 1, la vitesse de rotation augmente de façon ondulée ou pulsée à partir de zéro jusqu'au régime de ralenti (celui-ci n'est plus représenté). A l'intérieur de la fenêtre de temps de la figure 3a, apparaît la courbe de la pression de carburant dans le réservoir de pression 6 représenté à la figure 3b; comme le débit de la pompe d'alimentation principale 6 est en corrélation de temps avec la puissance du moteur à combustion interne 1, la courbe de la pression est analogue à celle du régime. Toutefois, on a un léger déphasage (la pression est en retard d'environ une fraction de seconde par rapport à la vitesse de rotation) du fait du temps de parcours nécessaire d'une onde de pression fournie par la pompe d'alimentation principale dans l'ensemble du système de conduite entre la pompe d'alimentation principale 5 et le réservoir de pression 6. Les plus fortes déviations entre la vitesse de rotation et

la pression (comme présenté ici) se situent évidemment au dé-

but de la mise en route du moteur à combustion interne car à ce moment la pression d'alimentation dans la pompe d'alimentation principale 5 doit tout d'abord s'établir ou se stabiliser. La figure 3b montre en outre comment, selon une autre caractéristique de l'invention, on peut utiliser

l'intégrale p*dt pour optimiser le carburant fourni globale-

ment au cours d'une injection. Une détection exécutée dans un intervalle de temps tl-t3 à l'aide d'un triplet de pression (tl, t2, t3) permet de trouver tout d'abord approximativement une pression maximale. Si, dans ces conditions, on commence l'injection de carburant à l'instant tl, on peut doser la masse totale de carburant à injecter à partir de cet instant d'injection, en sommant ou en intégrant le produit de la pression et de l'intervalle de temps ou de l'intervalle de temps infinitésimal tl-t2 ou t3 pour que l'injecteur 11 Il puisse de nouveau être fermé lorsque la masse de carburant

appropriée pour l'état de fonctionnement correspondant du mo- teur à combustion interne, est atteinte. Ainsi, par le choix approprié de l'instant de l'alimentation et avec l'intégrale5 de la quantité, on peut introduire dans la chambre de combus- tion une quantité de carburant aussi grande que possible. Se-

lon l'invention, on utilise alors de manière précise cette augmentation de pression pour fournir, par le calcul de l'intégrale de la quantité, comme évoqué, le carburant en10 quantité optimale dans la chambre de combustion.

Claims (9)

R E V E N D I C A T I ON S

1 ) Procédé de mise en oeuvre d'un moteur à combustion interne

(1), notamment d'un véhicule automobile, selon lequel le car-

burant est fourni par au moins une pompe d'alimentation (5) selon un débit variable cycliquement, à un réservoir de pres- sion (6) d'o le carburant est injecté sous pression à l'aide

d'au moins un injecteur (11) à un instant d'injection, direc-

tement dans une chambre de combustion du moteur à combustion interne (1), et on mesure la pression (8) agissant sur le carburant, caractérisé en ce qu' on accorde les cycles du débit d'au moins une pompe d'alimentation (5) et les instants d'injection de carburant,

selon une relation chronologique.

2 ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le temps d'aspiration/compression d'au moins une pompe

d'alimentation (5) est adapté à la phase du moteur à combus-

tion interne (1).

3 ) Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le temps d'aspiration/compression de la pompe d'alimentation

(5) est assuré par des cames d'entraînement appropriées pré-

vues sur l'arbre à cames du moteur à combustion interne (1).

4 ) Procédé selon l'une ou plusieurs des revendications 1 à

3, notamment pendant la phase de démarrage du moteur à com-

bustion interne (1), caractérisé en ce qu'

on injecte le carburant au niveau du maximum de sa pression.

) Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce qu' - on détecte des valeurs de la pression de carburant mesurées dans un intervalle de temps, - on commence l'injection au niveau du maximum de pression du carburant, - on détermine la masse totale de carburant à injecter à

l'instant d'injection, en sommant ou en intégrant le pro-

duit de la pression et de l'intervalle de temps respectif, petit ou infinitésimal, et - après avoir atteint la masse de carburant appropriée pour

l'état de fonctionnement présent du moteur à combustion in-

terne (1), on ferme de nouveau au moins un injecteur.

6 ) Elément de commande, notamment mémoire morte pour un ap-

pareil de commande (10) d'un moteur à combustion interne (1), notamment d'un véhicule automobile, contenant en mémoire, un

programme exécuté dans un calculateur, notamment un micropro-

cesseur, pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quel-

conque des revendications 1 à 5.

7 ) Moteur à combustion interne, notamment de véhicule auto-

mobile, selon lequel le carburant est fourni par au moins une pompe d'alimentation (5) avec un débit variable cycliquement, à un réservoir de pression (6), et à partir de celui-ci il

est injecté directement dans une chambre de combustion du mo-

teur à combustion interne (1) par au moins un injecteur (11) à l'instant d'injection, et un capteur de pression (8) mesure la pression agissant sur le carburant, caractérisé par des moyens pour accorder dans le temps des cycles, le débit à variation cyclique d'au moins une pompe d'alimentation et des

instants d'injection.

8 ) Moteur selon la revendication 7, caractérisé par au moins une pompe d'alimentation (5) dont le temps d'aspiration/compression est adapté à la phase du moteur à

combustion interne (1).

9 ) Moteur selon la revendication 7 ou 8, caractérisé par un appareil de commande (10), qui peut accorder aux instants d'injection le temps d'aspiration/compression d'au moins une

pompe d'alimentation (5).

) Moteur à combustion interne selon l'une ou plusieurs des

revendications 7 à 9,

caractérisé par au moins une pompe d'alimentation (5) entraînée par des cames

d'entraînement appropriées prévues sur l'arbre à cames du mo-

teur à combustion interne (1).

11 ) Moteur à combustion interne selon la revendication 7, caractérisé par un appareil de commande (10) qui détecte les valeurs mesurées de la pression du carburant et commence l'injection au niveau du maximum de la pression du carburant qui détermine, à l'aide de ces valeurs, la masse totale de carburant injecté à l'instant d'injection par sommation ou intégration du produit de la pression et de l'intervalle de temps respectif petit ou infinitésimal, et qui ferme le ou les injecteurs, après avoir

atteint la masse de carburant appropriée pour l'état de fonc-

tionnement présent du moteur à combustion interne.