FR2994218A1

FR2994218A1 - Procede de demarrage a froid d'un moteur a combustion pouvant fonctionner a l'ethanol

Info

Publication number: FR2994218A1
Application number: FR1257508A
Authority: FR
Inventors: Gilberto Geraldo
Original assignee: Peugeot Citroen Automobiles SA
Current assignee: Stellantis Auto Sas Fr
Priority date: 2012-08-02
Filing date: 2012-08-02
Publication date: 2014-02-07
Anticipated expiration: 2032-08-02
Also published as: BR102013019294A2; FR2994218B1

Abstract

L'invention porte sur un procédé de démarrage à froid d'un moteur à 4 temps à combustion interne à injection directe, comportant plusieurs cylindres, et adapté pour fonctionner avec un carburant contenant jusque 100% d'éthanol, dans lequel on injecte le carburant en plusieurs injections par cycle moteur et par cylindre, de sorte à obtenir un mélange carburé stratifié, et dans lequel on séquence les injections de carburant de sorte à éviter l'injection simultanée de carburant dans deux cylindres distincts.

Description

PROCEDE DE DEMARRAGE A FROID D'UN MOTEUR A COMBUSTION POUVANT FONCTIONNER A L'ETHANOL [0001] L'invention porte sur le domaine du démarrage des moteurs à combustion pouvant fonctionner avec un carburant contenant une part importante d'éthanol.

Notamment, il peut s'agir de moteurs fréquemment désignés par l'appellation « Flex- Fuel », pouvant fonctionner avec un carburant contenant de 0% à 100% d'éthanol. Elle vise en particulier les moteur à injection directe capable de fonctionner avec un fort taux d'éthanol, typiquement jusqu'à 100% d'éthanol hydraté, souvent désigné « E100 ». [0002] Les moteurs pouvant fonctionner à l'éthanol ou un mélange de carburant traditionnel et d'éthanol sont sujets à des difficultés de démarrage à basse température. Par carburant traditionnel, on entend en particulier le carburant utilisé classiquement dans les moteurs à allumage commandé, communément appelé essence, ou supercarburant. [0003] En particulier, lorsque le moteur est froid, l'inflammation de l'éthanol étant plus difficile que celle de l'essence, le démarrage est difficile. En effets, les propriétés physico- chimique de l'éthanol lui confèrent un point éclair plus élevé que celui de l'essence, à savoir de l'ordre de 13°C, ce qui empêche l'éthanol dans des conditions froides d'être suffisamment vaporisé pour être enflammé par une source incandescente. [0004] La notion de moteur froid s'entend vis-à-vis de la température qui règne dans les chambres de combustion du moteur, ce qui peut être apprécié selon la température du liquide contenu dans le circuit de refroidissement du moteur. [0005] Il est donc connu que selon la proportion d'éthanol contenue dans le carburant, et en particulier lorsque celle-ci est élevée, les démarrages à basse température peuvent en se révéler problématique, c'est-à-dire se traduire par un démarrage plus long, voire impossible, du moteur dans des conditions de températures particulièrement basses. [0006] On connait dans l'état de la technique divers dispositif pour permettre les démarrages à froid des moteurs fonctionnant avec un mélange d'éthanol. [0007] La demande de brevet brésilienne BRP18801648 présente une variante particulière d'un tel dispositif. Ce dispositif comporte un réservoir additionnel rempli d'un second carburant, à faible teneur en éthanol. Lors des démarrages à froid, et en présence d'une importante concentration en éthanol dans le carburant, le dispositif de démarrage auxiliaire introduit du carburant à faible concentration en éthanol à l'admission du moteur. L'emploi de cette technologie nécessite cependant d'embarquer deux qualités de carburant pour le fonctionnement du moteur, ce qui implique une architecture complexe d'alimentation en carburant du moteur. [0008] Une autre approche est envisagée dans le document EP1934467, à savoir de chauffer l'air d'admission et/ou le carburant par des résistances électriques avant le démarrage d'un moteur, notamment lors de la détection de l'actionnement d'une portière du véhicule équipé. [0009] Toutes ces technologies sont complexes et couteuses à mettre en oeuvre. [0010] Afin de tenter d'éviter l'emploi de tels dispositifs, des procédés ont été développés pour favoriser le démarrage à froid des moteurs à éthanol. On connaît notamment le document BRP10705394 qui divulgue une méthode de démarrage à froid d'un moteur à injection indirecte fonctionnant à l'éthanol, dans lequel on : crée un mélange air carburant dans le conduit d'admission, et, tout en maintenant le papillon d'admission fermé et en désactivant l'allumage, on effectue un ou plusieurs cycles moteur complets sans allumage pour réaliser un réchauffement adiabatique du mélange avant de revenir à un fonctionnement normal. [0011] Néanmoins, cette méthode n'est utilisable que dans le cadre des moteurs à injection indirecte, et par ailleurs, vu les exemples donnés, il apparaît qu'elle n'est efficace que pour des démarrages effectués à une température positive. [0012] Dans l'invention, on vise donc à proposer un procédé de démarrage à froid pour moteurs fonctionnant à l'éthanol, adapté pour permettre le démarrage de moteur à injection directe, notamment à des températures négatives. [0013] La difficulté de démarrage étant liée à la difficulté de vaporiser efficacement l'éthanol en atmosphère froide, du fait de son point éclair élevé, on tend dans l'invention à mettre en oeuvre un ou plusieurs moyens visant essentiellement à maintenir une pression d'injection élevée dans les chambres de combustion du moteur. [0014] Plus précisément, l'invention porte donc sur un procédé de démarrage à froid d'un moteur à 4 temps à combustion interne à injection directe, comportant plusieurs cylindres, et adapté pour fonctionner avec un carburant contenant jusque 100% d'éthanol, dans lequel on injecte le carburant en plusieurs injections par cycle moteur et par cylindre, de sorte à obtenir un mélange carburé stratifié, et dans lequel on séquence les injections de carburant de sorte à éviter l'injection simultanée de carburant dans deux cylindres distincts. En évitant l'ouverture simultanée de deux injecteurs, on évite une chute brutale de la pression d'alimentation des injecteurs, et donc une chute brutale de leur pression d'injection. [0015] Typiquement, on peut injecter le carburant en 3 à 5 injections par cycle et par cylindre. [0016] De préférence, le moteur est mis en rotation lors de la phase de démarrage à une vitesse de rotation supérieure à 300 tours par minutes. Par exemple, le moteur est mis en rotation lors de la phase de démarrage à une vitesse de rotation de l'ordre de 400 tours par minutes. [0017] De préférence, on ferme une vanne à l'admission d'air du moteur jusqu'à son démarrage. La dépression ainsi créée dans les cylindres favorise la vaporisation du carburant injecté. [0018] De préférence, l'allumage de la charge carburée présente dans la chambre de combustion est réalisé par une pluralité d'étincelles successives dans chaque cylindre, et de préférence de 3 à 6 étincelles par cycle moteur. Cela assure une combustion plus complète de la charge carburé, et augmente le niveau thermique dans les chambres de combustion. [0019] De préférence, au moins un allumage est réalisé dans un cylindre en phase de détente. Dans ce cas, préférentiellement, au moins une injection par cycle est réalisée dans un cylindre en phase de détente. [0020] De préférence, le procédé comporte en outre une première étape d'évaluation de la température du moteur, l'application de la suite du procédé étant conditionnée à une température du moteur inférieure à un seuil prédéfini. Le seuil de température peut avantageusement être de l'ordre de 13°C. [0021] La température du moteur peut être déterminée par assimilation à la température d'un liquide de refroidissement du moteur. On peut donc prendre simplement directement la température du liquide de refroidissement, généralement connue par mesure directe dans le cadre d'une application à un véhicule automobile, comme température du moteur. [0022] De préférence, on évalue en premier lieu le taux d'éthanol contenu dans le carburant, l'application de la suite du procédé étant conditionnée à un taux supérieur à un taux prédéfini. En effet, en dessous d'un certain seuil d'éthanol, dépendant de la température du moteur, le démarrage du moteur n'est pas problématique. [0023] L'invention est décrite plus en détail ci-après et en référence à la figure 1 unique représentant schématiquement le procédé objet de l'invention dans son mode de réalisation préférentiel. [0024] La figure 1 présente donc schématiquement sous forme d'un ordinogramme un procédé conforme à une variante préférentielle de l'invention. [0025] Dans cette variante, lorsqu'un ordre de démarrage est perçu, on effectue une première étape d'évaluation de la température du moteur (référence 1). Dans cette première étape, l'évaluation de la température du moteur peut être par exemple réalisée par mesure de la température du liquide présent dans un circuit de refroidissement du moteur. La température du moteur retenue peut alors être directement assimilée à la température du liquide de refroidissement. [0026] En plus d'être conditionné à un seuil de température donné, l'application de la suite du procédé de démarrage à froid peut être également conditionnée à un taux d'éthanol minimal dans le carburant employé par le moteur. En effet, en dessous d'un certain taux, et en fonction de la température, le démarrage du moteur est obtenu sans difficultés selon un procédé de démarrage conventionnel. [0027] Dans l'invention, une des caractéristiques majeure du procédé de démarrage à froid est que l'on injecte le carburant en plusieurs injections par cycle moteur et par cylindre, de sorte à obtenir un mélange carburé stratifié. Les zones de richesse importante sont plus facilement inflammables, ce qui favorise l'initiation de l'inflammation de l'ensemble de la charge carburée présente dans un cylindre du moteur. En outre, en multipliant les injections de courte durée, on limite fortement la formation d'un film de carburant liquide sur les parois des cylindres du moteur. On peut par exemple diviser la quantité de carburant introduite dans une chambre de combustion au cours d'un cycle en 3 injections. Dans une certaine limite de faisabilité, notamment du fait de la nécessaire bonne maîtrise du temps des injections et du nécessaire espacement temporel suffisant entre deux injections pour que la pression dans le système se rétablisse, plus le nombre d'injection dans un cylindre au cours d'un cycle moteur est important, plus les bénéfice tirés de la technique d'injections multiples seront élevés. Donc, selon les limites de faisabilité imposées par le système de contrôle moteur et l'injecteur employé, on peut réaliser 3, 4, 5, voir un nombre supérieur d'injections par cycle et par cylindre. [0028] Par ailleurs, on séquence les injections (référence 2) dans les cylindres du moteur de sorte à éviter l'injection simultanée de carburant dans deux cylindres distincts. En effet, toute ouverture d'un injecteur a pour effet immédiat la baisse de la pression dans le circuit d'alimentation en carburant. Si deux injecteurs sont simultanément ouverts, la chute de pression sera d'autant plus importante, et les deux injections seront réalisées à une pression moindre, ce qui est néfaste à la bonne pulvérisation du carburant. [0029] Par ailleurs, d'autres mesures, optionnelle dans l'invention, peuvent être prises afin de faciliter le démarrage. En effet, l'injection séquencée évoquée précédemment permet de réduire le débit de carburant injecté à un instant donné, un fort débit ayant pour conséquence une chute brutale de la pression dans le circuit d'alimentation des injecteurs en carburant. Une autre mesure, potentiellement complémentaire, pour maintenir une pression d'injection élevée, est de compenser le débit injecté en augmentant le débit de la pompe haute pression. Ainsi, dans le but de maintenir une pression d'injection élevée, dans la variante de l'invention ici représentée, on met le moteur en rotation, pendant la phase de démarrage, à une vitesse supérieure à 300 tours par minutes (référence 3), par exemple de l'ordre de 400 tours par minutes. Ceci peut être réalisé à l'aide d'un démarreur de forte puissance et/ou fonctionnant en 24 volts, tandis qu'un démarreur conventionnel met généralement en rotation le moteur qu'il démarre à environ 180 à 200 tours par minutes. [0030] La pompe d'injection étant entrainée par le moteur, et son débit étant directement proportionnel à sa vitesse de rotation, une vitesse de rotation plus élevée de la pompe va permettre un meilleur maintien de la pression d'injection malgré les quantités importantes de carburants injectées lors d'un démarrage à froid. [0031] La demanderesse a démontré qu'en maintenant la pression d'injection à un niveau élevé, le démarrage d'un moteur à basse température était possible, même avec 100% d'éthanol comme carburant. Par exemple, sur un moteur à 4 cylindre de 1,6L de cylindrée, typique d'une application automobile, un démarrage à froid est garanti à une température négative de -5°C si l'on maintient l'alimentation en carburant des injecteur à une pression comprise entre 150 et 200 bars, et cela dans un temps de démarrage inférieur à 4 secondes. [0032] Par ailleurs, dans la variante de l'invention ici représentée, on ferme une vanne à l'admission d'air du moteur (référence 4), jusqu'à son démarrage. Cela a pour effet d'abaisser la pression à l'admission du moteur. Sous une faible pression, la vaporisation du carburant, notamment de l'éthanol, introduit par un injecteur dans la chambre de combustion, est facilitée. [0033] En plus des moyens principaux employés permettant de maintenir une pression d'injection élevée ou d'abaisser la pression à l'admission, on met en jeu dans la variante préférentielle de l'invention ici représentée des stratégies permettant d'augmenter le réchauffage du moteur. [0034] On réalise ainsi l'allumage de la charge carburée présente dans une chambre de combustion par une pluralité d'étincelles successives (référence 5), typiquement jusque 6 étincelles par chambres au cours d'un cycle moteur. Cette technique, appelée allumage multiple, permet d'assurer une combustion plus complète de la charge carburée. Par ailleurs, on peut répartir les étincelles d'allumage dans le cycle moteur de sorte qu'au moins une étincelle se produise en phase de détente d'un cylindre. Cette caractéristique est avantageusement combinée avec au moins une injection de carburant en phase de détente du cylindre, afin d'augmenter le niveau thermique dans la chambre de combustion. [0035] L'invention ainsi développée permet le démarrage à froid d'un moteur alimenté par un carburant contenant jusque 100% d'éthanol, et cela même par une température ambiante très faible, voire négative. Le procédé mis en jeu dans l'invention peut en outre être mis en oeuvre sans modification physique du moteur, si ce n'est l'éventuelle modification du système de contrôle du moteur. [0036] La seule modification physique important concerne la variante de l'invention mettant en jeu un démarreur de forte puissance, et consiste à employer un tel démarreur et/ou à modifier l'alimentation électrique du démarreur de sorte à l'alimenter par exemple en 24V. [0037] L'invention se fonde notamment sur l'idée, mise en pratique et validée empiriquement par la demanderesse, qu'une pression d'injection élevée est un levier important pour garantir le démarrage à froid d'un moteur à injection directe fonctionnant à l'éthanol. Pour maintenir une pression d'injection élevée, on peut augmenter la pression nominale de la pompe, mais surtout en augmenter le débit (par exemple par augmentation de la vitesse de mise en rotation du moteur par le démarreur) et/ou répartir temporellement les injections (typiquement de sorte qu'on n'ouvre pas deux injecteurs en même temps), limitant ainsi le débit instantané d'injection en considérant l'ensemble des cylindres du moteur.5

Claims

REVENDICATIONS: 1. Procédé de démarrage à froid d'un moteur à 4 temps à combustion interne à injection directe, comportant plusieurs cylindres, et adapté pour fonctionner avec un carburant contenant jusque 100% d'éthanol, dans lequel on injecte le carburant en plusieurs injections par cycle moteur et par cylindre, de sorte à obtenir un mélange carburé stratifié, caractérisé en ce qu'on séquence les injections (2) de carburant de sorte à éviter l'injection simultanée de carburant dans deux cylindres distincts.
2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel on injecte le carburant en 3 à 5 injections par cycle et par cylindre.
3. Procédé selon la revendication 1 ou la revendication 2, dans lequel le moteur est mis en rotation lors de la phase de démarrage à une vitesse de rotation supérieure à 300 tours par minutes (3).
4. Procédé selon la revendication 3, dans lequel le moteur est mis en rotation lors de la phase de démarrage à une vitesse de rotation de l'ordre de 400 tours par minutes.
5. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel on ferme une vanne à l'admission d'air du moteur (4) jusqu'à son démarrage.
6. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel l'allumage de la charge carburée présente dans la chambre de combustion est réalisé par une pluralité d'étincelles successives dans chaque cylindre (5), et de préférence de 3 à 6 étincelles par cycle moteur.
7. Procédé selon la revendication 6, dans lequel au moins un allumage est réalisé dans un cylindre en phase de détente.
8. Procédé selon les revendications 6 et 7, dans lequel au moins une injection par cycle est réalisée dans un cylindre en phase de détente.
9. Procédé de démarrage selon l'une des revendications précédentes, comportant en outre une première étape d'évaluation de la température du moteur (1), l'application de la suite du procédé étant conditionnée à une température du moteur inférieure à un seuil prédéfini.
10. Procédé selon la revendication 9, dans lequel le seuil de température est de l'ordre de 13°C.
11. Procédé selon la revendication 9 ou la revendication 10, dans lequel la température du moteur est déterminée par assimilation à la température d'un liquide de refroidissement du moteur.
12. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel on évalue en premier lieu le taux d'éthanol contenu dans le carburant, l'application de la suite du procédé étant conditionnée à un taux supérieur à un taux prédéfini.10