Brevet FR2477223A1 — publié le 19810904

1. 2477223 La présente invention se rapport à un moteur à combustion interne à piston à mouvement alternatif comportant au moins un piston qui présente une surface essentiel- lement plane et qui forme, au point mort haut, l'une des surfaces qui limitent une chambre de combustion partielle en forme de disque, disposée dans la culasse, représentant la partie principale du volume de compression et limitée côté opposé au fond du piston, par le collet de la soupape d'admission; et comportant également un canal d'admission dans lequel un injecteur de carburant, dirigé vers le collet de la soupape d'admission est disposé de façon telle que le carburant qui sort est injecté dans la chambre de combustion partielle presque sans obstacle par la fente annulaire qui existe lorsque la soupape d'admission est ouverte. Dans un tel moteur à combustion interne, connu par le brevet DE-OS 27 57 648, on s'efforce d'accroître le rapport de compression, le moteur marchant sans cogner, pour améliorer le rendement. Une stratification de la charge permet au moteur à combustion interne de fonc- tionner avec un mélange le plus pauvre possible en carburant. Cette stratification est en particulier rendue possible par l'injection de carburant dans la chambre à combustion partielle du moteur à combustion interne à partir d'un point situé dans la tubulure d'admission et à un instant qui se situe à la fin de la phase d'ouverture de la soupape d'admis- sion,. Cette stratification est renforcée d'une part par un organe situé dans la tubulure d'admission et donnant un effet de rotation, ce qui met en rotation la charge que l'on vient d'amener et d'autre part, par un léger rétrécissement de la section qui relie la chambre de combustion partielle au reste de la chambre de combustion. Les organes donnant un effet de rotation présentent toutefois le désavantage qu'ils opèrent à un étranglement de l'air d'admission qui diminue le taux de remplissage et qu'après inflammation de la charge, pendant le temps de détente, il se produit des pertes par glissement de la charge dans l'espace qui apparaît à la place du piston lorsque celui- ci recule. Ceci réduit la puissance spécifique du moteur à combustion interne. 2. 2477223 Le moteur à combustion interne à piston à course alternative selon l'invention, caractérisé en ce qu'entre le fond du piston et la culasse, il est prévu un canal de guidage des gaz qui débouche à peu près tangentiel- lement dans la chambre à combustion partielle et présente une section qui se modifie peu à peu, en partant d'une forme plate qui s'étend dans une direction parallèle au fond de piston, à l'entrée dans la chambre de combustion partielle pour aboutir à une forme ressérrée qui concentre le jet gazeux, présente par contre l'avantage qu'à l'aide de la direction de l'écoule- ment résultant de la compression il facilite essentiellement la formation d'un effet de rotation dans la chambre à combustion partielle, ce qui permet d'obtenir un meilleur effet de rotation que celui qui est assuré par des garnitures de la tubulure d'admission, et dont la production à un effet défavorable sur le taux de remplissage du moteur à combustion interne. On peut ainsi obtenir, en liaison avec le type particulier d'arrivée du carburant, une meilleure stratification avec une turbulence croissante, ce qui améliore à nouveau le rendement ou la marche du moteur. Une forte turbulence amène un accroissement de la vitesse de propagation de la combustion, ce qui à son tour permet d'accroître le rapport de compression sans cognement ou d'ajouter davantage de gaz d'échappement au mélange pour réduire les émission polluantes. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description ci-après et des dessins annexés représentant deux exemples de réalisation de l'invention, dessins dans lesquels: - la figure 1 représente une coupe longitudinale d'une partie de la culasse et du cylindre d'un moteur à combustion interne, - la figure 2 est une vue de dessus du fond du piston de l'exemple d'exécution de la figure 1, - la figure 3 est une vue de face de la culasse, vue de côté fond de piston, dans un deuxième exemple d'exécution de l'invention, - la figure 4 est une première coupe partielle de la culasse selon l'exemple d'exécution de la figure 3, 3 2477223 - la figure 5 est une deuxième coupe partielle Il-Il de-la culasse selon l'exemple d'exé- cution de la figure 3, et - la figure 6 est une troisième coupe partielle III - III de la culasse de l'exemple d'exécution de la figure 3. Dans l'exemple d'éxécution.de la figure 1, une partie de la culasse 1 est représentée selon une coupe qui passe par l'axe de l'alésage du cylindre 3, par l'axe de la soupape d'admission et par l'axe de l'une des soupapes d'échappement. Le volume final de compression de la chambre de combustion est enfermé entre le piston, qui, dans l'exemple représenté, se trouve au point mort haut, et la culasse 1. Le fond de piston 6 est essentiellement plat et vient enfermer dans la culasse, en position de point mort haut, une chambre de combustion partielle 7 en forme de disque qui, dans l'exemple d'exécution en question, a une forme à peu près circulaire et représente presque la totalité du volume final de compression de la chambre de la chambre de combustion. D'un côté cette chambre de combustion partielle est limitée par le fond de piston mentiorné 6, et du côté opposé elle est limitée par le collet 9 d'une unique soupape d'admission , il est prévu sur cet exemple d'exécution, comme on peut le voir sur la figure 2, deux soupapes d'échappement 12. Selon la conception habituelle, une tubulure d'admission 15, par laquelle on amène de l'air frais au moteur à combustion interne, conduit à la soupape d'admission. Les gaz d'échappement sont évacués par une tubulure d'échappement 14, sous l'action des soupapes d'échappement 12. La tubulure d'admission 15 a une forme telle que l'air qui arrive reçoit un effet de torsion tel qu'il se produit dans la chambre de combustion partielle un tourbillon qui tourne autour de l'axe de la chambre de combus- tion partielle. Les organes de la tubulure d'admission qui donnent cet effet de rotation peuvent être conçus de façon connue et on ne les montre pas plus en détail. Par exemple on peut prévoir des déflecteurs 16, ou on peut donner à la tubulure d'admission la forme d'une vis. Pour faciliter la formation d'un tourbillon dans la chambre de combustion partielle 7 la soupape d'admission est de plus, placée excentrée par rapport à l'axe de la chambre de combustion partielle. On choisit le 4 2477223 diamètre de la soupape d'admission par rapport au diamètre de la chambre de combustion partielle, de façon que la fente annulaire 18 qui apparaît quand la soupape est ouverte, soit suffisamment grande pour qu'il ne se produise pas d'étranglement trop important de l'air admis. Immédiatement en amont du collet de la soupape d'admission 9, pénètre dans la tubulure d'admission un injecteur 20 dirigé de façon telle que le carburant injecté, la soupape d'admission 10 étant ouverte, parvient directement et sans obstacle par la fente annulaire 18 dans la chambre de combustion partielle 7. L'injecteur peut y être conçu comme injecteur à trous multiples. Mais il est avantageux d'utiliser un injecteur à jet conique qui garantit une préparation rapide et de bonne qualité de carburant injecté. Pour aider la formation du tourbillon dans la chambre de combustion partielle 7, selon l'invention, on usine de plus, dans le fond du piston, un canal de guidage des gaz 22 qui, en commençant au voisinage de l'une des soupapes d'échappement 12 et en suivant la périphérie du piston, parvient au voisinage de la chambre de combustion partielle 7. La largeur du canal y diminue de façon continue tandis que sa profondeur s'accroit. La section du canal se modifie donc, en partant d'une forme très peu profonde et allongée, pour parvenir à une forme carrée, ronde ou trapézoïdale à l'entrée dans la chambre à combustion partielle 7. A cet endroit le canal se poursuit encore un peu dans la direction de l'écou- lement tourbillonnaire désiré et se termine par diminution de la profondeur de sa section. Ce canal de guidage des gaz 22 a pour objet de recevoir le courant-gazeux comprimé qui se reproduit lors de la course de compression du piston et de l'amener guidé et concentré dans la chambre de combustion partielle 7. Il vient renforcer l'effet de rotation da à la configuration de la tubulure d'admission et à la position excentrée de la soupape d'admission 10. La solution selon l'invention travaille de la façon suivante: après la fin du temps d'échappement du moteur à combustion interne, qui travaille ici selon le cycle à quatre temps et avec allumage extérieur, pendant le mouvement de recul du piston 4, la soupape d'admission étant ouverte, on aspire, par l'intermédiaire de la tubulure d'admission 15, 2477223 de l'air frais de façon telle qu'il apparaft dans la chambre de combustion partielle 7 un écoulement tourbillonnaire de direction marquée autour de l'axe de la chambre de combustion partielle en forme de disque. Vers la fin du temps d'admission, il se produit une injection commandée du carburant à doser, sous l'action de l'injecteur 20 de la façon décrite ci-dessus. La longueur et l'angle des jets d'injection doivent être calculés de façon qu'il se produise un mouillage le plus faible possible de la chambre de combustion. Ceci peut s'obtenir facilement dans la mesure o les jets d'injection de carburant sont directement dirigés dans la chambre de combustion, dont la forme ne se modifie plus essentiellement, au contraire des autres procédés connus o la chambre de combustion se trouve par exemple dans le piston. L'intervalle de temps pendant lequel se produit l'injection se situe le plus près possible avant la fermeture de la soupape d'admission de façon à interdire que le carburant soit amené dans l'espace cylindrique, qui s'accroft encore à cet instant, du volume engendré par le mouvement alter- natif. Pendant la course de compression qui suit, la quantité de carburant injectée peu avant reste à l'intérieur de la chambre de combustion partielle et présente donc la possibilité de se répartir régulièrement sur la périphérie dans le tourbillon tournant d'air de façon à donner un mélange carburant air bien préparé pour l'inflammation. - Le dispositif selon l'invention du canal de guidage des gaz renforce sensiblement la formation de cet effet de rotation dans la chambre de combustion partielle 7, ce qui fait que l'on peut, entre autres, renoncer à disposer dans la tubulure d'admission des organes de formation d'un effet de rotation. Ces moyens situés dans la tubulure d'admission pour former un effet de rotation ont une influence assez faible sur l'importance de la rotation qui apparaît à la fin de la course de compression et présentent par contre le désavantage d'étrangler l'arrivée de l'air d'admission et donc de donner un plus mauvais remplissage de la chambre de combustion. D'un autre côté le renforcement du mouvement de rotation donne une amélioration sensible de l'aptitude à l'allumage et à la combustion complète d'un mélange carburant air relativement pauvre. En même temps on améliore 6 2477223 les conditions de formation et de maintien d'une stratification, donnant d'un côté, au voisinage du point d'allumage un mélange riche en carburant et prêt à s'enflammer, et d'un autre c8té un mélange pauvre en carburant ou même un remplissage en air pur. Le point d'allumage peut apparaître sous forme d'une bougie d'allumage 23, par exemple dans la paroi latérale, proche de la soupape d'admission, de la chambre de combustion partielle. L'allure du canal de guidage des gaz, qui commence au voisinage de l'une des soupapes d'échappement, présente de plus, l'avantage que l'écoulement provenant de la compression et qui se produit entre le fond du piston et la partie de la culasse côté soupape d'échappement est guidée pour passer devant la soupape d'échap- pement chaude, ce qui fait que cet écoulement d'air se réchauffe plus fortement qu'autrement. Ceci améliore l'aptitude du mélange à la combustion. Le changement de section du canal de guidage des gaz, en partant d'une forme peu profonde allongée pour aboutir à une forme presque carrée à l'entrée de la chambre de combustion partielle, conduit à une forte concentration de l'écoulement d'air contenant uneforte énergie qui favorise la formation de la rotation. Dans l'exemple d'exécution représenté, le canal de guidage des gaz est fraisé dans le fond de piston. Mais il est également possible de prévoir un canal de guidage des gaz 22' dans la culasse comme le représente la figure 3. La figure 3 y montre une vue de la culasse, depuis le fond de piston. Dans cet exemple d'exécution il n'est prévu qu'une seule soupape d'échappement 12'. Le canal de guidage des gaz 22' commence à c8té de cette soupape d'échappement, avec une section peu profonde et allongée. Ce canal de guidage des gaz suit la périphérie du piston et arrive tangentiellement dans la chambre de combustion partielle 14t, sa largeur diminuant progressivement et sa profondeur s'accroissan*t progres- sivement. La chambre de combustion partielle 14', vue en gros, a la forme d'un ovale sur lequel la soupape d'admission 10' est disposée excentriquement. L'accroissement de surface présente l'avantage que la soupape d'admission étant ouverte, le débit d'air admis peut parvenir dans la chambre de combustion avec de moindres pertes de passage. La position excentrée de la soupape d'admission réalise à son tour la formation d'un effet de rotation que l'écoulement d'air dans le canal de guidage des 7 2477223 gaz 22' vient renforcer, de la même façon que dans le premier exemple d'exécution. Du fait que la section transversale de la chambre de combustion partielle 14' est plus grande, la hauteur de cette chambre de combustion partielle est réduite, ce que l'on peut voir sur la figure 4e Cette figure représente une coupe de la culasse le long de la ligne I-I. On peut y voir la forme presque carrée du canal de culasse des gaz 22' lorsqu'il débouche dans la chambre de combustion partielle 14'. Les coupes III - III et II - II représentées sur les figures 5 et 6 montrent comment le, canal de guidage des gaz 22' s'aplatit peu à peu tout autour de son point de départ près de la soupape d'échappement 12'. -Dans cet exemple d'exécution également apparaissent les avantages mentionnés dans l'exemple précédent. L'aplatissement de la chambre de combustion partielle permet de plus d'accroltre la force du-tourbillon qui se produit et de réduire encore davantage les pertes d'admission. Ici par exemple les organes qui se trouvent dans le canal d'admission pour donner l'effet de rotation peuvent disparaître du fait de la compression fortement marquée de l'écoulement. Les solutions précédemment décrites selon l'invention permettent de faire marcher un moteur à combustion interne, avec un bon rendement, avec un mélange carburant air très appauvri, ce qui permet de relever le rapport de compression pour lequel on peut encore marcher sans cognement. Pour respecter les prescriptions concernant les gaz d'échappement, toutes les possibilités sont encore offertes d'améliorer la composition des gaz d'échappement. En particulier la vitesse élevée de propagation de la combustion avec cette conception permet une réincorporation encore plus forte des gaz d'échappe- ment, ce qui permet en particulier de réduire l'émission d'oxydes d'azote. Il est de plus, possible d'utiliser des taux élevés de réincorporation de gaz d'échappement pour provoquer la réduction de puissance du moteur à combustion interne plutôt que d'étrangler l'admission d'air, en remplaçant une partie du remplissage par des gaz d'échappement réintroduits. 8 2477223 REVENDICATIONS 1 ) Moteur à combustion interne à piston à mouvement alternatif comportant au moins un piston qui présente une surface essentiellement plane et qui forme au point mort haut l'une des surfaces qui limitent une chambre de combustion partielle en forme-de disque, disposée dans la culasse, représentant la partie principale du volume de compres- sion et limit6e, c8té opposé au fond du piston, par le collet de la soupape d'admission,et comportant également un canal d'admission dans lequel un injecteur de carburant, dirigé vers le collet de la soupape d'admission est disposé de façon telle que le carburant qui sort est injecté dans la chambre de combus- tion partielle presque sans obstacle par la fente annulaire qui existe lorsque la soupape d'admission est ouverte, moteur caractérisé en ce qu'entre le fond du piston (4) et la culasse (1), il est prévu un canal de guidage des gaz (22, 22') qui débouche à peu près tangentiellement dans la chambre de combus- tion partielle (7, 7') et présente une section qui se modifie peu à peu-, en partant d'une forme plate qui s'étend dans une direction parallèle au fond du piston, à l'entrée dans la chambre de combustion partielle, pour aboutir à une forme resserrée qui concentre le jet gazeux. 2 ) Moteur à combustion interne à piston à mouvement alternatif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le canal de guidage des gaz (22) est fraisé dans le fond de piston. ) Moteur à combustion interne à piston à pouvement alternatif selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le canal de guidage des gaz commence avec sa section plate au voisinage de la soupape - d'échappement (12, 12'). ) Moteur à combustion interne à piston à mouvement alternatif selon la revendication 3, caractérisé en ce que le canal de guidage des gaz ( 22, 22') s'étend en formant à peu près un demi-cercle. ) Moteur à combustion interne à piston à mouvement alternatif selon la revendication 4, caractérisé en ce que le canal de guidage des gaz s'étend encore dans une partie de la chambre de combustion et s'y termine en s'adaptant à la forme de la paroi qui limite la'chambre de combustion partielle. 9 2477223 ) Moteur à combustion interne à piston à mouvement alternatif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la fin de la période d'in- jection de l'injecteur de carburant se situe immédiatement avant la fermeture de la soupape d'admission (10). 7 ) Moteur à combustion interne à piston à mouvement alternatif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le canal d'amenée de l'air admis dans la chambre de combustion a une forme telle que l'air qui arrive dans cette chambre reçoit un effet de rotation. ) Moteur à combustion interne à piston à mouvement alternatif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'injecteur de carburant (O) est conçu sous forme d'injecteur à jet conique. ) Moteur à combustion interne à piston à mouvement alternatif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le collet (9) de la soupape d'admission (10) est placé excentré par rapport à l'axe de la chambre de combustion partielle (7). ) Moteur à combustion interne à piston à mouvement alternatif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la soupape d'échappement (12, 12'), la chambre de combustion partielle (7, 7') et le canal de guidage des gaz (22, 22') se situent à l'intérieur de la projection, parallèlement à l'axe, de la section du piston.