Brevet FR2479329A1 — publié le 19811002

La présente invention concerne les moteurs Diesel comportant des antichambres de combustion et, en particulier un perfectionnement de ces dernières destiné à assurer un meilleur rendement. L'antichambre de combustion des moteurs du type con- sidéré est formée dans la culasse et communique au moyen d'une étroite lumière ou d'un conduit avec une chambre principale de combustion comprise entre le bord inférieur de cette cu- lasse et le fond du piston qui va et vient dans le cylindre. Le carburant est injecté dans l'antichambre de combustion et n'y brûle que partiellement avant de passer dans la chambre principale de combustion. En se déplaçant vers la culasse, le piston chasse l'air dans l'antichambre de combustion. A la fin de cette course de compression, le carburant est injecté et enflammé dans l'antichambre d'o il passe dans une chambre secondaire de combustion que forme intérieurement le fond du piston. La combustion de ce mélange air-carburant exerce sur le piston la poussée qui lui fait effectuer sa course de travail. L'antichambre de combustion selon l'invention ainsi que les conduits correspondants ont une conformation géomé- trique sensiblement différente de celle des antichambres et conduits de la technique antérieure. L'antichambre de combus- tion 50 que décrit le brevet des Etats-Unis d'Amérique NO 4 122 804 est presque sphérique alors que celle qui fait l'objet de la présente invention est en grande partie cylin- drique. De plus, le conduit 72 que décrit le même brevet pré- cité forme intérieurement des angles aigus et se raccorde à l'antichambre de combustion par des orifices à bords effi- lés ou tranchants. Par suite de cette conformation assez sim- pliste de l'antichambre de combustion et des conduits, le rendement est mauvais et la combustion est incomplète. La présente invention concerne donc un dispositif destiné à pulvériser ou atomiser le carburant injecté dans une antichambre. de combustion. A cet effet, la paroi de l'ap- pareil 10 qui forme intérieurement cette antichambre est percée de deux trous voisins l'un de l'autre par lesquels y font saillie un organe d'allumage et un injecteur.de car- burant à l'opposé duquel son profil est celui d'une tuyère de Laval destinée à renforcer le courant d'air qui y pénètre face à cet injecteur. L'entrée étranglée ou convergente de la tuyère de Laval communique coaxialement par un diffuseur bidimensionnel à écoulement subsonique et un conduit avec l'intérieur du cylindre de façqn à faire passer dans un sens dans l'antichambre de combustion de l'air chassé par le pis- ton et dans l'autre sens, c'est-à-dire de cette dernière dans le cylindre, les gaz de combustion. La présente invention concerne donc un moteur du type Diesel ayant un très bon rendement, brûlant plus complètement son carburant, produisant des gaz d'échappement dont le contenu en matière particulaire est bien moindre, et engen- drant beaucoup moins d'oxydes d'azote. A cet effet, l'antichambre de combustion du moteur en question, antichambre dans laquelle le carburant est injecté axialement, forme intérieurement une tuyère de Laval communi- quant avec le conduit qui la raccorde au cylindre au moyen d'un diffuseur à écoulement subsonique, de sorte que l'anti- chambre de combustion est capable d'engendrer des ondes nor- males de choc qui, en percutant les gouttelettes de carburant, provoquent leur pulvérisation ou atomisation. L'invention sera décrite plus en détail en regard du dessin annexé à titre d'exemple nullement limitatif et sur lequel: la figure la représente schématiquement de face l'ap- pareil de précombustion et, en coupe, le conduit par lequel il se raccorde au cylindre; la figure lb est une coupe selon la ligne lb-lb de la figure la; et la figure 2, qui est partiellement une coupe selon la ligne 2-2 de la figure la, montre aussi comment l'antichambre de combustion communique avec la culasse, ainsi que le piston. Sur ce dessin, la référence 10 désigne l'appareil de précombustion comprenant une antichambre de combustion 12 qui forme intérieurement une tuyère de Laval désignée par 14 et un diffuseur supersonique portant la référence 16. Cette antichambre 12 présente deux trous 18 et 22 voisins l'un de l'autre et par lesquels passent respectivement un injecteur 20 de carburant et un organe 26 d'allumage du mélange air- carburant. Cette antichambre de combustion 12 peut avoir une conformation classique quelconque, mais il est préférable qu'el- le soit dans l'ensemble cylindrique. De plus, le rendement est amélioré si le fond de ladite antichambre est concave et en forme de dôme comme indiqué par la référence 24, qui désigne l'extrémité supérieure que traverse axialement le trou 18. Il est avantageux de donner à cette antichambre 12 une lon- gueur de deux à cinq fois et de préférence de 3,5 fois plus grande que son diamètre, car le rapport L/D a pour effet de produire davantage d'ondes normales de choc qui contribuent, en venant les percuter, à pulvériser ou atomiser les goutte- lettes de carburant. L'injecteur 20 de carburant peut être de tout type classique, mais il est avantageux d'utiliser celui qui pro- jette un faisceau de carburant pulvérisé et que décrit le bre- vet des Etats-Unis d'Amérique NO 4 122 804. L'orifice 22 peut loger une bougie classique d'al- lumage 26 pour enflammer le mélange air-carburant. La tuyère de Laval que forme intérieurement l'anti- chambre de combustion 12 comprend un étranglement 28, une buse supersonique 14 et un diffuseur 16 dont la paroi est symétri- que par rapport à son axe. Bien que cette tuyère et le trou 18 par lequel passe l'injecteur 20 puissent être coaxiaux, le manque de place peut contraindre à incurver sa buse super- sonique 14 comme le montre la figure 2. Dans ce cas, il est possible de déterminer le profil de cette buse 14 et du diffu- seur 16 par application d'une méthode transitoire des carac- téristiques. On pourra trouver une description approfondie de la tuyère de Laval et de la manière de calculer la con- formation géométrique particulière de ses composants dans le chapitre 3 de "Nozzle Theory and Thermodynamic Relations" de la seconde édition de "Rocket Propulsion Elements" publiées par Sutton, Chapman & Hall, Ltd. 1956, ainsi que dans "The Dynamics and Thermodynamics of Compressible Fluid Flow, Ascher H. Shapiro, Ronald Press Company, 1953. On peut trouver auprès de la "NASA", de l'Armée de l'Air des Etats-Unis et de nombreuses Compagnies aérospatiales, y compris la Rocketdyne Division of Rockwell International" des solutions pour des tuyères incurvées qui sont déterminées par des.qjé- thodes spécifiques de caractéristiques calculées par ordina- teur. On peut encore améliorer le rendement de l'anticham- bre de combustion 12 en calculant convenablement le profil du conduit 30 qui, traversant la culasse 32, fait communiquer le cylindre avec l'étranglement 28 de la tuyère de Laval. Les profils internes de ce conduit et de l'antichambre de combustion sont importants pour améliorer le rendement et les caractéristiques thermodynamiques de cette dernière. Le rapport entre la longueur et la largeur (Ln/Y) du conduit bidimensionnel 30 doit être compris entre 5 et 10 environ et être de préférence de 7. Ledit conduit 30 communique avec l'étranglement 28 de la tuyère de Laval par un diffuseur subsonique bidimensionnel 34 qui, en coopérant avec cet étranglement 28 et la buse supersonique 14, constitue une classique tuyère convergente-divergente de Laval. Au cours de la course de compression du piston 37, l'appareil 10 ainsi décrit sert à engendrer une onde de choc supersonique 36 qui pulvérise ou atomise instantanément le carburant sans avoir le même effet qu'un injecteur à orifice de petite section et à haute pression. Le courant d'air com- primé par le piston 37 pendant sa course de compression entre dans le conduit 30 par son orifice extrême 40, puis il passe de ce conduit dans la tuyère de Laval pour se détendre fina- lement dans le diffuseur 16 o il engendre plusieurs ondes normales de choc 36. Ces ondes de choc longent intérieurement l'anticham- bre de combustion 12 et viennent percuter le faisceau 38 de gouttelettes de carburant que projette l'injecteur 20. Ces gouttelettes se trouvent ainsi instantanément vaporisées avant que la pression augmente localement par suite soit du remplissage de la région haute 24 de l'antichambre 12, soit de l'onde engendrée par la déflagration, ce qui provoque l'augmentation de la différence de pression résultant de l'onde de choc ainsi que la diminution de la distance et des dimensions entre le diagramme de pression et le plan de l'étranglement. Au début de la combustion, le courant affluant cesse d'être supersonique dans l'antichambre 12 et sa direction s'in- verse de l'injecteur 20 vers l'étranglemient 28. Entre ce dernier et l'orifice extrême 40 du conduit 30, ce courant récupère une fraction importante de la pression dyna- mique à l'étranglement. Il est à souligner que le profil du diffuseur bi- dimensionnel 34 doit de préférence correspondre à un écoule- ment légèrement subsonique, mais il peut aussi correspondre à un écoulement sonique ou légèrement supersonique. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées à l'antichambre de combustion décrite et reprë- sentée sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Appareil de précombustion d'un moteur du type Diesel, caractérisé en ce qu'il comporte une antichambre de combustion (12), deux trous (22, 18) voisins l'un de l'autre par lesquels font saillie dans ladite antichambre un organe d'allumage (26) et un injecteur de carburant (20) à l'opposé duquel est ménagée une tuyère de Laval (14) destinée à amé- liorer l'injection d'air dans l'antichambre (12). 2. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'antichambre de combustion (12) est cylindrique. 3. Appareil selon la revendication 2, caractérisé en ce que la longueur de l'antichambre (12) est environ de 2 à 5 fois plus grande que son diamètre. 4. Appareil selon la revendication 3, caractérisé en ce que la longueur de l'antichambre (12) est environ de 3,5 fois plus grande que son diamètre. 5. Appareil selon la revendication 2, caractérisé en ce que la paroi de l'extrémité haute de l'antichambre (12) est concave et en forme de dôme. 6. Appareil selon la revendication 2, caractérisé en ce que le trou (18) par lequel passe l'injecteur de car- burant (20) traverse axialement le sommet de l'antichambre (12). 7. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'injecteur (20) pulvérise le carburant en faisceau. 8. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'organe d'allumage est une bougie incandescente (26). 9. Appareil selon la revendication 2, caractérisé en ce que la tuyère de Laval est orientée axialement. 10. Appareil selon la revendication 2, caractérisé en ce que la tuyère de Laval comporte une buse supersonique incurvée (14). 11. Appareil selon l'une des revendications 9 et 10, caractérisé en ce qu'un diffuseur (16), dont la paroi est symétrique par rapport à son axe et dans lequel l'écoulement est subsonique, prolonge la buse (14) de la tuyère de Laval. 12. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'étranglement (28) de la tuyère de Laval communique coaxialement avec un diffuseur subsonique bidimensionnel (34). 13. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'étranglement (28) de la tuyère de Laval communique coaxialement avec un diffuseur sonique bidimensionnel (34). 14. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'étranglement (28) de la tuyère de Laval communi- que coaxialement avec un diffuseur supersonique bidimensionnel (34).