Brevet FR2484018A1 — publié le 19811211

La présente invention concerne les moteurs diesel et plus précisément ceux qui comportent des injecteurs ultra- sonores de carburant dans la chambre de combustion, afin que le carburant soit atomisé et que le rendement soit accru. Les moteurs diesel réalisés suivant le système de la chambre de précombustion ont leur chambre de combustion divisée en une chambre de précombustion incorporée à la tête du cylindre et une chambre principale de combustion placée entre le bord inférieur de la tête du cylindre et la couron- -10 ne ou partie supérieure du piston. La chambre de précombus- tion dans laquelle le carburant est injecté et dans laquel- le la combustion se déclenche, est reliée à la chambre principale par une fente ou un passage étroit. Lors du fonctionnement, alors que le piston se déplace vers la tête du cylindre, l'air est chassé dans la chambre de précombustion alors que, à proximité dé la fin de cette course de compression, le carburant est injec- té dans la chambre de précombustion. Ensuite, les produits de la combustion reviennent par le canal de circulation de la chambre de précombustion à une chambre secondaire de combustion formée dans la tête du piston. La combustion de cette combinaison de carburant et d'air provoque l'applica- tion de la poussée nécessaire à la course de puissance du piston. Il faut noter que, bien que le brevet des Etats- Unis d'Amérique no 4 122 804 décriveun moteur diesel fonc- tionnant théoriquement par mise en oeuvre d'une précombustion et ayant une chambre de précombustion à injecteur de carbu- rant de type allongé, ce brevet ne décrit aucunement un système d'injection ultrasonore d'un carburant dans la chambre de combustion. L'invention concerne une chambre de combustion pour moteur diesel, comprenant un injecteur ultrasonore destiné à atomiser le carburant. Lors du fonctionnement, un courant alternatif, ayant une fréquence de l'ordre de 1000 kHz, est transmis à un transducteur qui se dilate et se contracte de manière linéaire. Ces vibrations ultrasonores sont concentrées par un cornet ayant une surface active permettant la transmission de ces vibrations ultrasonores au carburant qui s'écoule sur cette surface active. Le dé- placement rapide crée une pression de radiation à l'inté- rieur du film de carburant qui est ainsi atomisé. L'invention concerne donc un moteur diesel de rendement élevé. Elle concerne un tel moteur qui assure une com- bustion plus complète du carburant. Elle concerne aussi un tel moteur dans lequel la matière particulaire des gaz d'échappement est nettement réduite. Elle concerne aussi un tel moteur qui produit très peu d'oxyde nitreux. Elle concerne aussi une chambre de combustion dans laquelle du carburant est atomisé lorsqu'il est injecté dans la chambre de combustion. Elle concerne aussi une chambre de combustion ayant un injecteur ultrasonore de carburant. D'autres caractéristiques et avantages de l'inven- tion ressortiront mieux de la description qui va suivre, faite en référence aux dessins annexés sur lesquels: - la figure 1 est une coupe schématique d'une première chambre de précombustion et d'un injecteur ultra- sonore de carburant; - la figure 2 est une coupe schématique d'un se- cond mode de réalisation de chambre de combustion et d'in- jecteur ultrasonore de carburant; - la figure 3 est une coupe schématique d'un troi- sième mode de réalisation de chambre de précombustion et d'injecteur ultrasonore de carburant; - la figure 4 est une coupe schématique d'une soupape circulaire incorporée au corps de l'injecteur; - la figure 5 est une coupe schématique d'une soupape à aiguille incorporée au corps de l'injecteur; - la figure 6 est un graphique représentant la variation de la dimension des gouttelettes, portée en ordonnées, en fonction de la fréquence, portée en abscisses; et - la figure 7 est une coupe schématique d'une chambre de précombustion ayant un injecteur de carburant de type ultrasonore et électrostatique. Sur les figures, les mêmes éléments sont désignés par des mêmes références, bien que-des éléments équivalents portent des références suivies du signe '. L'invention concerne donc un injecteur ultraso- nore pour moteur diesel fonctionnant d'une manière telle que les vibrations ultrasonores provoquent l'atomisation du carburant en fines gouttelettes. La théorie de la com- bustion et des expériences fondamentales montrent que la ré- duction de la dimension des gouttelettes de carburant ac- croît le rendement de combustion et réduit la tendance de cette combustion à former des particules, dans un moteur diesel. Les très faibles dimensions particulaires, de l'or- dre de 0,1 à 10 microns, nécessaires à cette augmentation du rendement de combustion et à cette réduction des pollu- ants, sont obtenues par vibration ultrasonore du carburant lorsqu'il est transmis par l'injecteur ultrasonore à l'in- térieur de la chambre de combustion. Les figures 1 à 3 représentent trois modes de réalisation de la chambre de précombustion portant la ré- férence générale 10. Cette chambre 10 de précombustion com- prend essentiellement un injecteur ultrasonore 12, une cham- bre 14 de combustion et une bougie 16 de réchauffage. Il faut noter que, bien qu'il soit avantageux que l'injecteur ultrasonore 12 soit disposé afin qu'il pénètre dans la chambre 14 de précombustion par un joint 13 d'étanchéité, il peut aussi être incorporé au cylindre 18 du moteur. L'injecteur ultrasonore 12 a une entrée 20 de carburant et un élément ultrasonore 22. Bien que cette en- trée 20 puisse être simplement formée par un élément tubu- laire, comme indiqué sur les figures 1 à 3, dans un mode de réalisation avantageux, un clapet 24 est disposé près de la zone 26 de sortie ou d'un noeud de vitesse par rapport -4 à l'entrée 20 de carburant. Les figures 4 et 5 représentent, comme exemple de clapet convenant à cet effet, une soupape circulaire 28 et une soupape 30 à aiguille. L'élément ultrasonore 22 comporte en outre un dis- positif 32 de 'fixation, par exemple une tige de support, ayant des extrémités avant et arrière permettant le maintien en place de l'injecteur ultrasonore 12, un isolateur éven- tuel 34, relié axialement à l'extrémité avant du dispositif de fixation et destiné à atténuer les vibrations vers l'ar- rière, un dispositif 36 destiné à faciliter des oscillations d'amplitude et de fréquence élevées, ce dispositif étant raccordé axialement soit directement, soit par l'intermé- diaire d'un isolateur éventuel 34 au dispositif 32 de fi- xation, et étant relié électriquement à une source 38 de tension alternative. Un dispositif 40 de concentration est monté axialement à l'extrémité avant du dispositif 36 et il est destiné à favoriser la formation d'oscillations d'ampli- tude et de fréquence élevées. Ce dispositif 40 de concentra- tion peut être un cornet ayant une configuration géométrique presque quelconque. Bien qu'il soit avantageux que le cornet ait la forme en gradins indiquée sur la figure 1, diverses dimensions et configurations géométriques peuvent être uti- lisées, certaines étant décrites dans Ultrasonic- Engineering, Julian Ross Frederick, New-York, J. Wiley 1965, pages 52 à 57. Le dispositif 40 de concentration comporte en outre une surface active 42 destinée à l'atomisation du carburant lorsqu'il provient de l'entrée 20, s'écoule sur la surface active 42 et pénètre dans la chambre 14 de combustion. Le dispositif 36 destiné à favoriser la formation d'oscillations d'amplitude et de fréquence élevées comprend essentiellement un transducteur tel qu'un élément à magné- tostriction ou piézoélectrique. Lors du fonctionnement, un courant alternatif est appliqué au transducteur 36 si bien que celui-ci se dilate et se contracte linéairement en fonction de la fréquence du courant alternatif appliqué, alors que l'amplitude est réglée par la densité de courant en fonction du dessin du transducteur. La figure 6 montre 24'O 18 comment la dimension des gouttelettes varie avec la fré- quence lors de l'atomisation par ultrasons. Bien que toute configuration géométrique de cham- bre classique de précombustion puisse être utilisée lors de la mise en oeuvre de l'invention, cette configuration, pour la chambre 14, est de préférence sphérique. La chambre 14 représentée sur la figure 1 comporte un orifice 44 pour l'injecteur ultrasonore, permettant l'introduction à la fois de l'élément ultrasonore 22 et de l'entrée 20 de car- burant. Un orifice 46 est placé dans une région qui se trou- ve à l'opposé de l'orifice 44 de l'injecteur et il a une dimension telle qu'il permet le logement d'un dispositif d'inflammation du mélange d'air et de carburant, par exemple d'une bougie 16 de préchauffage. Enfin, un passage 48, des- tiné à l'injection d'air dans la chambre 14 de précombustion et l'échappement des gaz de combustion dans le cylindre 18 du moteur, occupe. un emplacement permettant le transport du carburant atomisé et de l'air introduit vers le disposi- tif 16. Dans les modes de réalisation des figures 2 et 3, 20. l'injecteur ultrasonore 12 est divisé en deux éléments, l'entrée 20' de carburant et l'élément ultrasonore 22', si bien que la chambre 14' de précombustion doit avoir un orifice 50 d'entrée de carburant et un orifice 44' pour le logement de l'élément ultrasonore. Lors du fonctionnement, les très petites goutte- lettes nécessaires à une combustion efficace recherchée se- lon l'invention, sont produites de la manière suivante. Un courant alternatif dont la fréquence est de l'ordre de 1000 kHz est appliqué au transducteur 36 et provoque des vibrations ultrasonores. Ces dernières sont concentrées par le cornet 40 qui pénètre à l'intérieur de la chambre 14 de combustion du moteur diesel par l'espace 15 et le joint d'étanchéité 13. Ce dernier se trouve de préférence à un noeud de vitesse du cornet 40 afin qu'il réduise au minimum la dissipation d'énergie ultrasonore. Le carburant s'écoule alors à l'entrée 20 et sur la surface active 42. Le courant de carburant est de préférence dirigé afin qu'il se répartisse régulièrement sur la surface active 42 du cornet 40, le déplacement rapide de cette surface 42 exer- çant une pression de radiation à l'intérieur du film de carburant qui repose sur le bout du transducteur, ou dans la colonne de carburant transmise dans le transducteur, d'une manière continue. Cette pression de radiation crée des vir brations à la surface du carburant si bien qu'il se forme des ondes capillaires. L'amplitude de la déformation dans le film de carburant qui est au contact du transducteur est à certains moments suffisante pour qu'elle dépasse les for- ces de tension superficielle et de cohésion du carburant, avec formation d'une gouttelette libre ayant à peu près la dimension de la moitié de la longueur d'onde des ondes ca- pillaires. Comme les gouttelettes sont très petites et sont lancées par la surface active 42 de manière dispersée et avec une grande énergie de pénétration, l'injecteur 12 ou 22' doit se trouver à un endroit o le courant d'air intro- duit dans la chambre de combustion 14, 14' permet l'entrai- nement des gouttelettes et leur mélange à l'air de combus- tion. Un emplacement avantageux pour l'entrée 20' de car- burant et l'élément ultrasonore 22' se trouve dans le pas- sage 48 décrit en référence à la figure 3 ou à proximité de ce passage. Il faut noter que l'injecteur ultrasonore 12 peut en outre comporter un dispositif de charge électrostatique, tel que représenté sur la figure 7 du présent mémoire et dé- crit dans la demande de brevet français n0 80.26 704 déposée le 16 décembre 1980 au nom de la Demanderesse, sous le titre "injecteur de carburant pour moteur diesel et dispositif de précombustion équipé d'un tel injecteur". Dans ce mode de réalisation, la chambre de combustion 10' comprend une chambre 14' ayant un orifice 44' pour l'injecteur ultraso- nore, un orifice 46' pour bougie 16' de réchauffage et un passage 48' de circulation. L'injecteur ultrasonore 12' comporte en outre un élément ultrasonore 22' ayant une tige de support 32', un atténuateur 34' de vibration, un trans- ducteur 36' et un cornet 40' ayant une surface active 42', 424.!ic3 l'injecteur 20' faisant circuler le carburant sur la surface active 42'. Des éléments électrostatiques peuvent être ajou- tés aux éléments ultrasonores précités afin que l'atomisation soit accrue. Ces éléments comprennent notamment l'élément électrostatique 50 et des isolements électriques 52 ainsi que des électrodes 54, disposées le long de la paroi interne de la chambre 14'. L'élément électrostatique 50 comprend en outre un corps 20' d'injecteur conducteur de l'électricité, jouant aussi le rôle de l'injecteur 20' et ayant au moins une entrée et au moins une sortie de carburant, un disposi- tif 56, 58 d'isolement électrique du corps de l'injecteur par rapport au moteur diesel, et un dispositif 60 de charge du corps de l'injecteur à une tension comprise entre environ 000 et 100 000 V. Il est bien entendu que l'invention n'a été dé- crite et représentée qu'à titre d'exemple préférentiel et qu'on pourra apporter toute équivalence technique dans ses éléments constitutifs sans pour autant sortir de son cadre- REVEND ICAT IONS 1. Chambre de combustion pour moteur diesel, caracté- risée en ce qu'elle comprend un injecteur ultrasonore (12) destiné à atomiser le carburant. 2. Chambre selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'injecteur ultrasonore (12) de carburant comprend -un élément ultrasonore (22> qui comporte un dispositif (32) de fixation de l'injecteur ultrasonore sur le moteur, un dispositif (36) destiné à favoriser la formation d'oscillations d'amplitude et de fréquence éle- vées et monté axialement sur le dispositif de fixation., et un dispositif (40) de concentration des os- cillations de fréquence et d'amplitude élevées, monté axia- lement par rapport au dispositif qui favorise la formation de ces oscillations, le dispositif de concentration ayant une surface active, et -un dispositif destiné à faire circuler le car- burant sur la surface active du dispositif de concentration des oscillations. 3. Chambre selon la revendication 2, caractérisée en ce que le dispositif de fixation (32) comporte une tige de support. 4. Chambre selon la revendication 2, caractérisée en ce que l'élément ultrasonore (22) comporte en outre un iso- lateur (34) disposé entre le dispositif de fixation (32) et le dispositif (36) destiné à-favoriser la formation d'os- cillations d'amplitude et de fréquence élevées, cet isola- teur étant destiné à atténuer les oscillations d'amplitude et de fréquence élevées dirigées vers l'arrière. 5. Chambre selon la revendication 2, caractérisée en ce que le dispositif (36) destiné à favoriser la formation d'oscillations d'amplitude et de fréquence'élevées comporte - une source de tension (38e, et - un transducteur relié électriquement à la source de tension et monté axialement sur le dispositif de fixation. 6. Chambre selon la- revendication 5, caractérisée en 249401O ce que le transducteur est un élément à magnétostriction. 7. Chambre selon la revendication 5, caractérisée en ce que le transducteur est un élément piézoélectrique. 8. Chambre selon la revendication 2, caractérisée en ce que le dispositif (40) de concentration des oscillations d'amplitude et de fréquence élevées est un cornet. 9. Chambre selon la revendication 2, caractérisée en ce que le dispositif destiné à faire circuler le carburant sur la surface active du dispositif de concentration des oscillations d'amplitude et de fréquence élevées est un injecteur de carburant. 10. Chambre selon la revendication 9, caractérisée en ce que l'injecteur de carburant est disposé axialement daxis le cornet (40). 11. Chambre selon la revendication 9, caractérisée en ce que l'injecteur de carburant est orienté de manière qu'il se trouve en face de la surface active. 12. Chambre selon la revendication 9, caractérisée en ce que l'injecteur de carburant comporte en outre un clapet de retenue (24) disposé dans l'injecteur de carburant. 13. Chambre selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle forme une chambre de précombustion. 14. Chambre selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle est formée dans un cylindre d'un moteur. 15. - Chambre de combustion pour moteur diesel, carac- térisée en ce qu'elle comprend un dispositif d'atomisation du carburant avant son injection dans la chambre de combus- tion, ce dispositif d'atomisation comportant un élément ul- trasonore (22') combiné à un injecteur électrostatique (50) de carburant.