Brevet FR2216439A1 — publié le 19740830

La prZsente invention se réfère aux moteurs à essence à combustion interne à allumage par bougies et concerne spocia- lement, mais non exclusivement, ceux de ces moteurs dont les chambres de combustion reçoivent une charge d'allumage stratifine. Les emanations nocives des gaz d'echappement des moteurs à essence à combustion interne comprennent de l'oxyde de carbone et des composes d'hyarocarbures non bravos ou partiellement brûlés provenant du carburant. Ces amanations nocives peuvent provenir de ce que la quantîts d'oxygène arrivant à la chambre de combustion est insuffisante pour brayer complètement le carburant composP d'hydrocarbures. On peut donc diminuer la quantito de ces émanations nocives en augmentant la teneur en oxygène dans le mblange air/carburant fourni à la chambre de combustion, donc en augmentant le rapport air/ carburant de ce melange. D'autres émissions d'échappement nocives comprennent les oxydes d'azote provenant de la fixation de l'azote et de l'oxygène de l'air. En gssnssral, plus la tempbrature est eleve, plus grandes sont les quantités d'oxydes d'azote formes et, dans les conditions idéales, la tempra- ture de combustion la plus élevée se situe thêoriquement à un rapport stoechiométrique air/carburant de l'ordre de 15/1. Mais, du fait du mélange imparfait, la tempkrature de combustion la plus élevée est souvent atteinte pour une teneur plus élevée en carburant, c 'est-à-dire pour un rapport air/carburant plus faible. La pratique a rOvél que, pour certains moteurs, la teneur minimale souhaitable en produits nocifs dans les gaz d'cSchappement se produisait pour un rapport air/carburant du mélange fourni au moteur de l'ordre de 19/1. Mais les moteurs à essence à combustion interne à allumage par bougies fonctionnent généralement avec un rapport air/carburant de l'ordre de 10/1 à 15/1 selon les conditions de marche et le type de moteur du fait qu'avec des mplanges air/carburant supérieurs à 10j1 il peut devenir difficile d'assurer l'allumage du mélange avec une bougie de type classique et qu'à des rapports air/carburant de 19/1 et plus faibles l'allumage peut rater complètement. Bien qu'ii puisse être difficile d'assurer l'allumage avec une bougie de type classique à des taux de mzlange infé- rieurs à 16/1, ces mélanges, et en particulier ceux dont le taux air/carburant est ae l'ordre de 19/1, peuvent cependant brûler de façon satisfaisante une fois enflammées. Dans certaines conditions, des mélanges très faibles, d'un taux de 24/1 ou plus, peuvent brûler convenablement une fois la combustion amorcée. La présente invention vise donc à réaliser un moteur à essence à combustion interne à allumage par bougies, pourvu d'une chambre de combustion et d'un dispositif d'allumage associé, et comportant, d'une part, un système d'alimentation en air et carburant disposé de façon à fournir une charge principale d'air et de carburant à la chambre de combustion, la proportion de carburant dans la charge principale étant suffisante pour qu'elle brtle mais insuffisante pour être certainement enflammée par le dispositif d'allumage, et, d'autre part, des organes d'injection d'une charge pilote de carburant à proximit du dispositif d'allumage pour former1 au voisinage de ce dernier, une charge plus riche d'air et de carburant susceptible d'être facilement enflammée par ce dispositif d'allumage, la combustion se propageant ensuite dans la charge principale fournie à la chambre de combustion par ledit système d'alimentation en air et carburant. Le système d'alimentation en air et carburant peut comporter un système classique d'injection de carburant, ou bien un ou plusieurs carburateurs classiques disposés de façon à fournir une charge principale de mélange air/carburant à la chambre de combustion. On pourra modifier la charge pilote de carburant injectable à proximité du dispositif d'allumage au cours de chaque temps d'explosion selon la puissance demandée au moteur mais, de prFfZrence, il sera prévu l'injection d'une charge pilote constante indpendante, assez faible, de carburant uniquement suffisante à assurer l'inflammation convenable à proximit du dispositif d'allumage. Le système d'alimentation en air et carburant et les organes d'injection de la charge pilote de carburant peuvent entre disposes de façon que le rapport air/carburant de la charge principale fournie à la chambre de combustion soit compris entre 16/1 et 24/1, de préférence entre 19/i et 21/1, taux auxquels les émanations nocives d'happement sont réduites. Dans un mode de réaliSation de l'invention, le moteur (un moteur d'automobile par exemple) est un moteur à combustion interne à plusieurs cylindres dont chacun comporte un dispositif d'allumage et un organe d'injection d'une charge pilote de carburant à proximitF de ce dernier, le moteur comportant en outre un système d'alimentation d'air et de carburant fournissant une charge principale de ces éléments à chaque cylindre. Le réglage de l'allumage pourra être commandé d'une façon connue en elle-meme en agissant sur ltétincelle du dispositif d'allumage mais, de prFfFrence, l'4tincelle ou la charge Flec- trique pourront se produire au cours d'une fraction assez grande du temps d'explosion, le réglage de l'allumage étant assuré par celui de l'injection de la charge pilote de carburant. Les organes d'injection de la charge pilote de carburant à proximités du dispositif d'allumage pourront être disposés à cEté de celui-ci ou incorporés à la bougie d'allumage et facilement amovibles et séparables du moteur. Le moteur pourra comporter une cavité prolongeant la chambre de combustion et abritant le dispositif d'allumage, et dans laquelle il se formera, lors de l'injection de la charge pilote de carburant dans le dispositif d'allumage, une charge stratifie d'air et de carburant facilement enflamme par ce dernier dispositif, la combustion tant suffisante pour se propager à travers la charge principale amenée à la chambre par le système d'alimentation. L'invention concerne un procédé de marche d'un moteur à combustion interne à allumage par bougies, consistant à fournir au moteur une charge d'air et de carburant dans laquelle la proportion de carburant est suffisante pour assurer la combustion de la charge mais insuffisante pour en assurer l'allumage, à injecter une charge pilote de carburant à proximité d'un dispositif d'allumage pour former une charge plus riche à proximité de ce dernier, et à produire une étincelle dans le dispositif d'allumage pour enflammer ladite charge plus riche, la combustion se propageant ensuite à travers la charge principale d'air et de carburant. De toute vidence, le rapport critique air/carburant auquel peut se produire un raté d'allumage dépend de divers paramètres tels que type, vitesse et charge du moteur. L'-nvention est décrite ci-après en ddtail au moyen de deux exemples prf4rs, non limitatifs,de réalisation reprbsentés aux dessins annexés dans lesquels - la figure I est une coupe axiale de la culasse et de la partie supérieure d'un des cylindres, conformes à l'invention, d'un moteur à essence à combustion interne, à allumage par bougies, à mouvement alternatif à quatre temps, montrant le piston prEs de la fin de sa course de compression ; et - la figure 2 est une variante, en tous autres points semblables, du cylindre de la figure 1. Sur la figure 1 on voit une partie d'un bloc-cylindres 4 dont fait partie un cylindre 3 contenant un piston 1 et ses segments 2. La culasse 5 comporte un collecteur d'entrée 6 et un collecteur de sortie 7 obturés par des soupapes 8 ou 9, respectivement, de type classique, rappeldes sur leur siège par ressort ; ces soupapes sont reprsentes en position fermée. Elles peuvent titre actionnées de n'importe quelle façon habituelle, par exemple par un culbuteur et ses tiges actionnées par une ou plusieurs cames montées sur l'arbre à cames du moteur. Une bougie d'allumage 10 est vissée dans la culasse 5; son entrefer 12 est placé près de la face interne de la culasse. Un injecteur de carburant 11 est placé à ctté de la bougie 10; sa buse 13 est dispose de façon à diriger le carburant vers l'entrefer 12. L'injecteur peut entre alimenté en carburant par une pompe d'injection (non représentée). Chacun des cylindres du moteur est semblable à celui repr4- santé à la figure 1, chacun avec un injecteur 11 placez à côt d'une bougie d'allumage 10. Le moteur fonctionne comme un moteur ordinaire d'automobile. Pendant le temps d'aspiration, la soupape d'admission est ouverte et un mélange faible d'air et de carburant est fourni au cylindre par un carburateur. Le carburateur est réglé de façon que le rapport air/carburant du mélange pénétrant dans le cylindre soit compris entre 19/1 et 21/1 mais il peut varier dans des limites plus étendues selon les conditions de fonctionnement du moteur telles que la vitesse et la puissance fournie. Les exigences de vitesse et de puissance du moteur peuvent être satisfaites en augmentant la quantité de la charge d'air et de carburant admise au cylindre. Pendant le temps de compression, les soupapes d'admission et d'échappement sont fermes et le mélange faible est compris. Le mnlange faible d'air et de carburant contenu dans le cylindre est enflamme en injectant une petite charge pilote de carburant à proximito de la Doucie par l'injecteur 11 pour former une charge stratifie d'air et de carburant. La buse 13 de l'injecteur 11 dirige la charge pilote de carburant vers l'entrefer 12 et donne naissance à une charge stratifiÇe, le mange autour de l'entrefer 12 étant assez riche pour entre facilement enflamm par une étincelle jaillissant de la bougie 10. Le réglage de l'allumage peut eAtre assure en maintenant l'étincelle sur une période assez longue et en faisant commander le moment de l'injection de la charge pilote de carburant par la période de l'étincelle. Mais ce réglage peut encore être effectué d'une façon habituelle en réglant le moment de l'étincelle et en faisant en sorte que l'injecteur envoie une charge pilote de carburant à l'entrefer 12 immédiatement avant l'Scla- tement de l'étincelle. Il se peut que l'allumage et la combustion doivent être réglés de façon à atteindre les caractéristi- ques optimales pour le moteur et il est peu probable que le rA- plage donnant la puissance maximale soit celui donnant une Smis- sion nocive minimale. La buse 13 de l'injecteur Il peut comporter un orifice conforme de façon à injecter la charge pilote de carburant dans le cylindre sous forme d'un fin brouillard. Le mélange riche forme autour de l'entrefer 12 sera facilement enflammé par une étincelle et la flamme qu nattra sera suffisante pour que la combustion se propage à travers le mnlan- ge faible d'air et de carburant fourni au cylindre par le carburateur et produise un temps moteur. Les gaz brûlots dans le cylindre sont AvacuEs par la soupape d'échappement 9 de la façon habituelle. La bougie d'allumage 10 et l'injecteur de carburant 11 représentée à 13 figure 1 peuvent être remplaces par un organe unique vissable dans la culasse 5. Cette disposition facilite l'enlèvement de l'injecteur et de la bougie de la culasse 5. La figure 2 reprosente une modification du moteur de la figure 1 ; les pièces semblables y portent les mêmes numaros. La culasse j comporte une cavité 14 sur les côtes opposos de laquelle sont placés la bougie 10 et l'injecteur 11. La buse 13 de l'injecteur Il dirige une petite charge pilote de carburant vers la bougie pour former un mélange suffisamment riche à l'entrefer 12 pour entre facilement enflammé par l'étincelle. Le cylindre 3 représenté à la figure 2 fonctionne exactement comme celui de la figure 1. Dans les exemples de réalisation de l'invention décrits cidessus, 1* système d'alimentation en air et carburant, comportant un carburateur unique, peut entre remplacé par des carburateurs multiples à raison d'un par cylindre, par exemple. Le carburateur peut encore entre remplacé par n'importe quel système classique approprié d'injection de carburant disposé de façon à injecter du carburant dans un courant d'air dans le collecteur d'entrée 6. Le rapport air/carburant du mélange faible réalisé ainsi devra savoir un taux semblable à celui du mélange fourni par le carburateur de la figure 1. Le rapport air/carburant du mélange fourni au cylindre peut varier selon les conditions de fonctionnement du moteur, telles que vitesse et puissance demandoe, mais en général ce rapport sera inférieur à 16/1 et ne sera pas strement et facilement enflammé par une bougie d'allumage de modèle courant. La quantité de faible charge pilote injectée dans le cylindre, dans l'un ou l'autre des deux exemples ci-dessus, doit seulement suffire à produire un mélange assez riche pour assurer un allumage fiable. Cette charge pilote pourra cependant comprendre n'importe quelle quantité convenable de carburant, mais le rspport général air/carburant du mélange dans le cylindre, au moment de l'allumage, devra être plus faible que celui géntrale- ment nécessaire pour assurer un allumage fiable, comme précédem- ment décrit. De préférence, la quantité de charge pilote de carburant ne devra représenter qu'unie faible proportion de la masse totale de carburant fournie à chaque temps. Dans ces circonstances, la charge pilote n'aura que peu d'effet sur le taux air/ carburant de la charge fournie par le système d'alimentation d'air et de carburant. Dans les exemples de réalisation de l'invention décrites et représentés, on peut faire varier la quantité de charge pilote injectée dans le cylindre par l'injecteur et la pompe d'injection en fonction de la charge impose au moteur mais il sera possible d'utiliser un dispositif d'injection plus simple si une charge pilote constante est injectée dans le cylindre pendant chaque temps. Ju fait que, dans tous les cas d'application ci-dessus, la teneur gnêrale en oxygène du mélange air/carburant dans le cylindre est plus grande que celle de certains moteurs mblables d'usage courant, la quantité de compost d'hydrocarbures non brt- lés et partiellement brQlds dans l'échappement peut être réduite. De meme le mélange plus faible peut abaisser la température de combustion et, dans ce cas, la quantité l'oxydes d'azote présente dans l'échappement sera plus faible, les pertes calorifiques dans le système de refroidissement seront moindres, et ceci entratnera une augmentation du rendement du moteur et mtme une diminution de la consommation de carburant. La présence d'une plus grande quantité d'oxygène dans le mélange air/carburant pourra également diminuer la proportion d'oxyde de carbone dégagée par le moteur. Le mélange plus faible pourra également réduire la possibilit de détonation et permettra d'utiliser un carburant à plus faible indice d'octane et de réduire l'addition de produits antidétonants tels que les composés du plomb. Bien que l'invention ait été décrite en relation avec des moteurs multi-cylindres à quatre temps et à mouvements alternatifs, elle est également applicable à des moteurs à deux temps, à des moteurs à un seul cylindre, et à des moteurs rotatifs. Elle est également applicable à des moteurs dont les culasses comportant des chambres de précombustion, à l'intérieur desquelles peuvent être logés l'entrefer de la bougie et l'injecteur de carburant. Un mélange riche d'air et de carburant s'enflammera facilement dans la préchambre et la combustion se propagera au cylindre auquel est fourni le mélange faible d'air et de carburant. R E V E N D I C A v I O N S 1.- Moteur à essence à combustion interne à allumage par bougies, pourvu d'une chambre de combustion et d'un dispositif d'allumage associé, et comportant un système d'alimentation en air et carburant disposé de façon à fournir une charge principale d'air et de carburant à la chambre de combustion, caractérisé en ce que la proportion de carburant dans la charge principale est suffisante pour qu'elle brtle mais insuffisante pour assurer son inflammation fiable par le dispositif d'allumage, et en ce que le moteur est pourvu d'un injecteur de carburant injectant une charge pilote de carburant à proximitd du dispositif d'allumage pour former, au voisinage de ce dernier, une charge plus riche d'air et de carburant pouvant être facilement enflammée par ce dispositif d'allumage, la combustion se propageant ensuite dans la charge principale fournie à la chambre de combustion par ledit système d'alimentation en air et carburant. 2.- Moteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la proportion de carburant dans la charge principale d'air et de carburant, et la quantité de charge pilote de carburant injectée à proximité du dispositif d'allumage, sont établies de façon à donner un rapport général air/carburant dans la chambre de combustion compris entre 16/1 et 24/1. 3.- Moteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que le rapport général air/carburant dans la chambre de combustion est compris entre 19/1 et 21/1. 4.- Moteur selon.une quelconque des revendications 1,2 ou 3, caractérisé en ce que l'on fait varier la quantité de la charge pilote de carburant injectée à proximité du dispositif d'allumage en fonction de la puissance exigée du moteur. 5.- Moteur selon une quelconque des revendications 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que la charge pilote de carburant injectée à prosimntd du dispositif d'allumage au cours de chaque temps d'explosion comporte une faible charge de carburant, essentiellement constante, uniquement suffisante à assurer un allumage fiable à proximité du dispositif d'allumage. 6.- Moteur selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'une étincelle ou une décharge électrique produite par le dispositif d'allumage est établie de façon à agir pendant une fraction assez grande du temps d'explosion du moteur, le régla ga de l'allumage étant commandé par le réglage de l'injection de la charge pilote de carburant. 7o- moteur selon une quelconque des revendications 1, 2, 3, 4 ou > , caractrisê en ce que la charge pilote de carburant est injectée à proximité du dispositif d'allumage immédiatement avant le fonctionnement de celui-ci, le réglage de l'allumage butant command^ par le réglage du fonctionnement du dispositif d'allumage e 8.- moteur selon une quelconque des revendications 1, 2, 3, 4, 5, 6 ou 7, caractérisé en ce que les organes d'injection de la charge pilote de carburant à proximité du dispositif d'allumage sont incorporés à ce dernier, lequel peut se séparer facilement du moteur. 9.- Moteur selon une quelconque des revendications 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 ou 8, caractérise en ce qu'il comporte une cavait; prolongeant la chambre de combustion et abritant le dispositif d'allumage, et dans laquelle l'injection de la charge pilote de carburant à proximité du dispositif d'allumage forme une charge d'air et de carburant facilement inflammable, la combustion étant suffisante pour se propager à travers la charge principale d'air et de carburant fournie à la chambre de combustion par le système d'alimentation en air et carburant. 10.- Moteur à essence à combustion interne à allumage par bougies pour vghicule automobile comportant une pluralitn de cylindres constituant chacun une chambre de combustion avec dispositif d'allumage associ, et un système d'alimentation en air et carburant disposé de façon à fournir une charge principale réglée d'air et de carburant à chaque cylindre, caractérisé ?en ce que la proportion de carburant dans la charge principale de chaque cylindre est suffisante pour qu'elle brûle mais insuffisante pour assurer son inflammation fiable par le dispositif d'allumage qui lui correspond, et en ce qu'il est provo un injecteur de carburant injectant une charge pilote de carburant à proximité du dispositif d'allumage pour former, au voisinage de ce dernier, une charge plus riche d'air et de carburant pouvant être facilement enflamme par ce dispositif d'allumage, la combustion se propageant ensuite dans lc charge principale fournie à ia chambre de combustion par ledit système d'alimentatIon an air et carburant. 11.- Procédd de conduite d'un moteur à essence à combustion interne et allumage par bougies, comportant la fourniture d'une charge principale d'air et de carburant à une chambre de combustion dudit moteur, caracterisé en ce que la proportion de carburant dans la charge principale est suffisante pour en assurer la combustion mais insuffisante pour en assurer l'inflammation fiable, en ce qu'on injecte une charge pilote de carburant à proximité d'un dispositif d'allumage associé à ladite chambre de combustion pour former une charge plus riche à pro ximité de ce dispositif d'allumage, et en ce qu'on produit une étincelle sur le dispositif d'allumage pour enflammer ladite charge plus riche, la combustion se propageant ensuite à travers la charge principale d'air et de carburant.