Brevet FR2138746A1 — publié le 19730105

L'invention concerne un moteur à combustion interne 3 piston à mouvement alternatif avec injection de carburant. Elle a pour but de réaliser un moteur à combustion interne de ce genre, de fabrication peu coûteuse , à fonctionnement silencieux et à consommation spécifique de carburant avantageuse, notamment grâce à des parcours de l'air comburant et du mélange carburant, de faible longueur et exempts de pertes dans une large mesure. Ce but est atteint conformément à l'invention par la combinaison des caractéristiques suivantes a) il est prévu dans le piston une chambre de combustion séparée de la chambre du cylindre, b) l'air comburant entre dans la chambre du cylindre avec un mouvement giratoire en formant un tourbillon autour de l'axe du cylindre, c) la chambre de combustion est munie d'une ouverture centrale vers la chambre du cylindre et de plusieurs canaux entourant cette ouverture et débouchant dans la zone du bord de la chambre de combustion, d) les canaux se trouvent sur les faces externes d'un prisme ou d'une pyramide et sont inclinés par rapport à l'axe du cylindre en direction du mouvement giratoire de l'air comburant admis dans la chambre du cylindre, e) le carburant est amené à travers l'un des canaux à partir de la culasse au moyen d'un injecteur disposé excentriquement dans celle-ci, f) la section de l'ouverture centrale possède une surface comprise entre la moitié et le triple de la somme des surfaces de section des canaux, g) à la culasse est fixé un organe de fermeture, plongeant dans l'ouverture centrale avant que le piston n'atteigne son point mort haut. Dans un moteur à combustion interne à injection connu (brevet allemand NO 1.012.115), il est prévu une admission d'air comburant dans le cylindre et dans une chambre de combustion se trouvant dans le piston et recouverte par la chambre du cylindre, et le carburant est introduit au moyen d'un injecteur disposé excentriquement sur la culasse par l'un de plusieurs canaux débouchant dans la zone marginale de la chambre de combustion, mais ce moteur ne comporte ni ouverture centrale, ni mouvement initial de l'air. Pour créer un mouvement tourbillonnaire énergique dans la chambre de combustion, l'air comburant parcourant les canaux doit recevoir une impulsion suffisante et, par suite, atteindre une certaine vitesse, ce qui limite la somme des surfaces de section des canaux pour un débit volumétrique donné à l'avance. La circulation à travers les canaux donne lieu à son tour à des pertes par etranglement importantes, qui doivent être couvertes en fin de compte par l'énergie du carburant, dont la consommation spécifique est par conséquent plus élevée. Un autre inconvénient de cette disposition connue réside en ce que du carburant encore incomplètement brûle, inclus dans les gaz chauds qui se concentrent au centre de la chambre de combustion par suite du mouvement tourbillonnaire, parvient relåti- vement tard dans la chambre du cylindre pendant la détente en raison du détour par les canaux se trouvant dans la zone marginale de la chambre de combustion, de sorte qu'une combustion complète de ce carburant n'est pas assurée. Cette utilisation insuffisante du carburant amené se traduit naturellement de façon négative sur la consommation spécifique. Ce dernier inconvénient est éliminé par le moteur à combustion interne à piston à mouvement alternatif décrit dans le brevet français NO 1.287.172. L'ouverture centrale supplémentaire prévue dans ce moteur permet aux particules de carburant imbrûlées provenant du coeur tourbillonnaire de parvenir rapidement dans la chambre du cylindre lors de la détente. La formation du tourbillon est toutefois perturbée par 17ouverture centrale, car l'air entre par cette ouverture sans mouvement giratoire dans la chambre de combustion, contrairement à l'invention, selon laquelle l'air comburant est introduit avec un mouvement giratoire dans la chambre du cylindre en formant un tourbillon autour de l'axe du cylindre.Il n'est donc pas possible d'obtenir une réduction déterminante des pertes par étranglement, en meme temps qu'un accroissement du mouvement giratoire dans la chambre de combustion. Un agrandissement sensible de l'ouverture centrale diminuerait bien les pertes de charge qui se produisent, mais perturberait dans une proportion-inacceptable la formation du tourbillon dans la chambre de combustion. La description qui va suivre en regard du dessin annexé, donné a titre d'exemple non limitatif, fera bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. La figure 1 représente en coupe longitudinale une chambre de combustion selon l'invention. La figure 2 est une vue par le dessus au piston suivant la figure 1. La figure 3 est une coupe, faite le long de la ligne III-III de la figure 2. La figure 4 reprasrnte un autre exemple de réalisation, en coupe longitudinale comme la figure 1. La forme de réalisation selon la figure 1 comporte un piston 17 une culasse 2 et un chambre de cylindre intermédiaire 3. Le piston 1 est muni d'une chambre de combustion centrale 4, sensiblement symétrique par rapport d l'axe longitudinal A-A du cylindre et séparée de la chambre du cylindre 3, par exemple par un plateau 5 en un matériau hautement réfractaire, loge dans la partie supérieure du piston 1. Le plateau 5 est fixé au piston 1 au moyen de vis 6. Comme le montre clairement la figure 2, ce plateau qui obture vers le haut la chambre de combustion est pourvu de trois canaux 7, 8, 9 débouchant dans la zone marginale de la chambre de combustion 4, et d'une ouverture centrale 10. Les canaux 7,8,9 sont rectiliÓnes et d diamètre constant, de sorte qu'ils peuvent être exécutés facilement. La section du canal 9 est de surface plus grande que celle de canaux 7,8. Fendant la phase finale de la course de compression le carburant est introduit dans la chambre de combustion 4 au moyen d'un injecteur 11, qui est disposé excentriquement dans la culasse 2 et pénètre dans le canal 9. Par des soupapes non représentées montées dans la culasse 2, l'air comburant est introduit dans la chambre du cylindre 3 avec un mouvement giratoire orienté en sens inverse des aiguilles d'une montre (flèche a) dans le présent exemple de réalisation. Les canaux 7,G,9 s trouvent sur les trois faces externes d'un prisme fictif, qui sont parallèles à l'axe A-A et inclines en direction du mouvement giratoire de l'air, comme l'indique L'angle a dans la fiGure 3. Ces canaux débouchent dans la zone du bord extérieur de la chantre d combustion 4. Sur la culasse 2, il est prévu on outre un organe de fermeture 12, conformé de manière à pouvoir s'cngaer dans ltouverture centrale 10 et à l'obturer dans une large mesure. Au commencement de la course de compression, Itair comburant s'écoule de la chambre du cylindre 3 dans la chambre de combustion 4 à travers les canaux 7,8,9, ainsi qu'à travers l'ouverture centrale 10. Par suite de l'inclinaison des canaux 7,8,9, il est certain que l'air comburant en circulation peut entrer sans pertes de charge sensibles dans la chambre de combustion 4 et engendre dans cette chambre un tourbillon d'air (flèche a) orienté pareillement autour de l'axe A-A. Comparativement aux dispositions connues, les canaux 7,8,9 ne doivent pas être considérés comme des ouvertures d'étranglement en raison de leur inclinaison en direction du courant d'air, mais comme des canaux directeurs agissant à peu près parallèlement à l'écoulement. Leur section peut donc être choisie relativement grande, sans réduction notable de l'énergie du mouvement giratoire dans la chambre de combustion 4. L'autre fraction de l'air comburant peut parvenir par l'ouverture centrale dans la chambre de combustion 4 sans perte par étranglement exagérée, avec un mouvement giratoire initial dans la direction voulue. La faible longueur des canaux 7,8,9 et de l'ouverture centrale 10 dans le plateau 5 relativement mince contribue à maintenir à une faible valeur les pertes de charge et, par suite, l'énergie nécessaire pour l'échange alternatif du gaz. Dans la phase finale de la course de compression, l'ouverture centrale 10 se place sur l'organe de fermeture 12. Il en résulte que l'air comburant ne peut pratiquement plus pénétrer par l'ouverture centrale 10 dans la chambre de combustion 4. L'air comburant déjà fortement comprimé ne passe plus alors que par les canaux 7,8,9 et peut par conséquent former dans la chambre de combustion 4 un tourbillon énergique qui ntest plus influencé par d'autres mouvements d'air, et renforcer pendant un temps limité l'isolement entre la chambre de combustion 4 et la chambre du cylindre 3. A peu près en même temps commence l'injection du carburant.L'injecteur il s'engageant dans le canal 9 introduit le carburant pratiquement parallèlement à l'axe du canal 9 dans la chambre de combustion 4 avec une composante de mouvement orientée en direction du tourbillon d'air, comme le montre dans les figures 2 et 3 la ligne 13 représentant l'axe des jets de carburant, lequel commence à s 1allumer dans la chambre de combustion 4.Le tourbillon d'air exerce cependant une action de centrifugation, de sorte que les particules de carburant encore non allumées et, de ce fait, plus froides et plus lourdes, se déplacent au voisinage de la paroi de la chambre de combustion 4, tandis que les particules déjà allumées, c'est-à-dire plus chaudes et plus légères, sont repoussées dans la zone du coeur du tourbillon et peuvent s'écouler selon l'invention dans la chambre du cylindre 3 lorsque l'ouverture centrale 10 est découverte.Le dégagement de l'ouverture centrale 10 crée brusquement une voie d'écoulement supplémentaire entre la chambre de combustion 4 et la chambre du cylindre 3, voie par laquelle le gaz s'échappe rapidement dans la zone de l'axe A-A de la chambre de combustion 4, étant donné que l'étranglement précédemment renforcé de la chambre de combustion 4 vis-a-vis de la chambre du cylindre 3 a donné lieu à l'établissement d'une chute de pression élevée en direction de la chambre du cylindre 3. Il se produit donc une séparation logique dans la chambre du cylindre 3 entre le carburant brûlé et le carburant imbrûlé et non pas seulement, comme dans les solutions connues jusqu'à présent, un mélange général de carburant brûlé et imbrûlé avec l'air comburant dans la chambre du cylindre 3. Le mélange du carburant encore imbrûlé au voisinage de la paroi de la chambre de combustion 4 avec l'air comburant dans la chambre du cylindre 3 est volontairement favorisé, du fait que l'énergie du mélange et l'air comburant se trouvant dans la chambre du cylindre 3 se concentrent principalement sur le carburant imbrûlé sortant par les canaux périphériques 7,8,9.Le mélange intime du gaz enrichi en carburant imbrûlé avec le reste de l'air comburant dans la chambre du cylindre 3 est obtenu en particulier grâce au fait que le courant de gaz s'échappant de la chambre de combustion 4 pendant la course de détente est dirigé à l'opposé du mouvement giratoire initial de l'air comburant dans la chambre du cylindre 3 en raison de l'inclinaison (angle a) des canaux 7,8,9. La phase finale de la combustion a donc lieu sensiblement dans une zone annulaire autour de l'ouverture centrale 10 et son coeur se trouve à une certaine distance radiale des canaux 7,8,9. Une autre caractéristique essentielle de l'invention réside en ce que les parcours du gaz encore saturé de carburant imbrûlé sont maintenus aussi courts que possible, de sorte que l'air et le carburant se rejoignent rapidement. Le déroulement en deux stades de l'opération de combustion, réalisé conformément à l'invention, assure un fonctionnement silencieux du moteur. La dísposít1on Su-decrite de ltouverture cer;- trale 10 et des canaux 7,8,9, favorable sur le plan de lfécoule- ment et du fonctionnement, permet, d'une part, une utilisation complète du carburant injecté et conduit, d'autre part, à une consommation spécifique optimale de carburant par suite de la diminution des pertes de charge qui se produisent. Dans l'exemple de réalisation suivant la figure 4, la chambre de combustion 14 se trouvant dans un piston 15 est séparée d'une chambre de cylindre 16 par un plateau de fermeture 17, qui se distingue de celui de l'exemple de réalisation selon la figure 1 en ce qu'il comporte sur sa face supérieure un évidement supplémentaire 18.En position de point mort haut du piston 15, cet évidement 18 permet à un volume d'air plus grand de séjourner dans la chambre du cylindre 16 au-dessus de la chambre de combustion 14, de sorte que la combustion commençant dans la chambre de combustion 14 de plus petites dimensions conduit, en raison du manque d'oxygène apparaissant plus rapidement dans la chambre de combustion 14, à un pourcentage plus élevé de carburant imbrûlé, dont la combustion totale est assurée après la sortie de la chambre de combustion 14 par l'oxygène accumulé dans la chambre du cylindre 16. Dans cet exemple de réalisation, les canaux tels que 19 ménagés dans le plateau 17 sont inclinés non seulement de l'angle a mais aussi d'un angle ss en direction de l'axe A-A de la chambre de combustion 14. Ils se trouvent donc sur les faces externes d'une pyramide fictive, dont les arêtes incluent un angle de 2 ss. La valeur de cet angle est inférieure à 900C. Le perçage pour l'injecteur 20 est disposé de telle façon que la ligne médiane 21 du jet de carburant présente pareillement une inclinaison (angle ss) sensiblement égale à celle du canal 19. Dans la figure 4 est représenté de plus un dispositif o'allumage connu en soi, permettant d'améliorer la commande du début de la combustion par un allumage indépendant. Ce dispositif d'allumage est constitué par une électrode 22, qui est montée dans la culasse et s'engage dans la chambre de combustion 14, au voisinage du point mort haut du piston 15, par un perçage 23 servant également de canal supplémentaire. Dans la phase finale de la course de compression, la pointe 24 de l'électrode d'allumage 22 se rapproche de la paroi de la chambre de combustion 14 et se décharge par la masse du piston 15 avec formation d'une étincelle au moment où est atteinte une distance prédéterminée. La disposition selon l'invention, décrite et exposée ci-dessus, se prête aussi bien à une injection répartie à 1'air dans la chambre de combustion 4 ou 14 qu'd une injection par pulvérisation du carburant sur la paroi chaude de la chambre de combustion. Dans tous les cas, des mesures additionnelles, connues en soi, peuvent être prises pour influencer l'opération de combustion dans la chambre, par exemple au moyen de déflecteurs pour l'air et/ou le carburant au voisinage des parois de la chambre de combustion. RLVENDICATIONS 1. Moteur à combustion interne à piston à mouvement alternatif avec injection de carburant, caractérisé par les particularités suivantes a) il est prévu dans le piston (1) une chambre de combustion (4) séparée de la chambre du cylindre (3), b) l'air comburant entre dans la chambre du cylindre (3,16) avec un mouvement giratoire en formant un tourbillon autour de l'axe (A-A) du cylindre, c) la chambre de combustion (4) est munie d'une ouverture centrale (10) vers la chambre du cylindre (3) et de plusieurs canaux entourant cette ouverture et débouchant dans la zone marginale de la chambre de combustion (4), d) les canaux (7,8,9) se trouvent sur les faces externes d'un prisme ou d'une pyramide et sont inclinés par rapport à l'axe (A-A) du cylindre en direction du mouvement giratoire de l'air comburant admis dans la chambre du cylindre (3), e) le carburant est amené à travers l'un des canaux (7,8,9) à partir de la culasse (2) au moyen d'un injecteur (11) disposé excentriquement dans celle-ci, f) la section de l'ouverture centrale (10) possède une surface comprise entre la moitié et le triple de la somme des surfaces de section des canaux (7,8,9), g) d la culasse (2) est fixé un organe de- fermeture (12) plongeant dans l'ouverture centrale (10) avant que le piston (1) n'atteigne son point mort haut. 2. Moteur à combustion interne à piston à mouvement alternatif suivant la revendication 1, caractérisé par une chambre de combustion (4), séparée de la chambre du cylindre (3) au moyen d'un plateau (5) en un matériau hautement réfractaire. 3. Moteur à combustion interne à piston à mouvement alternatif suivant la revendication I ou 2, caractérisé par une chambre de combustion(4,14)enforme générale d'un corps de révolution. 4. Moteur à combustion interne à piston à mouvement alternatif suivant l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'axe de la chambre de combustion (4,14) coincide avec l'axe longitudinal (A-A) du cylindre. 5. Moteur à combustion interne à piston à mouvement alternatif suivant l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la direction d'injection est sensiblement parallèle d l'axe du canal (9,19) par lequel a lieu l'injection. 6. Moteur d combustion interne à piston à mouvement alternatif suivant la revendication 5, caractérisé en ce qu'il est prévu pour l'injection du carburant un canal (9) plus gros que les autres canaux (7,8). 7. Moteur à combustion interne à piston à mouvement alternatif suivant l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le plateau (5,17) est logé dans le fond du piston. 8. Moteur à combustion interne à piston à mouvement alternatif suivant l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les parois de la chambre de combustion (4,14) sont munies de déflecteurs pour l'air et/ou le carburant. 9. Moteur à combustion interne à piston à mouvement alternatif suivant l'une des revendications 1 d 8, caractérisé par une électrode d'allumage (22), connue en soi, susceptible d'être introduite dans la chambre de combustion (14).