Brevet FR2486587A1 — publié le 19820115

L'invention concerne un moteur à combustion interne à allumage par compression du type muni dans la tête de piston d'une cuvette qui sera dite dans la suite de la description cuvette de piston, d'une forme corres- pondant à celle d'un corps de révolution, et qui présente en coupe un fond plat bien arrondi en bordure, une paroi latérale conique, ainsi qu'une ouverture d'entrée plus petite que le plus grand diamètre de la cuvette de pis- ton, un injecteur projetant du carburant dans la cuvette de piston et humectant la paroi. Sur de tels moteurs à combustion interne, un mouvement tourbillonnaire de l'air d'admission comprimé est le plus souvent réalisé par des mesures connues; l'injection du carburant s'effectue dans le sens du mouvement de l'air grâce à un choix approprié de la position de l'injecteur et de la direction du jet. On connait déjà par la demande de brevet en République Fédérale Allemande (DE-AS 1 032 597) un moteur à combustion interne de cette catégorie, o l'injecteur, qui fournit un jet largement ouvert en éventail, est disposé de telle sorte que le cône du jet, orienté dans la direction de l'axe de l'injecteur, atteint le bord extérieur de la cuvette de piston, une fraction seulement du jet de carburant parvenant ainsi dans la cuvette de piston. On connatt un autre mode de réalisation par la demande de brevet en République Fédérale Allemande (DE-PS 864 475) à cuvette de piston trapézoïdale en coupe longitudinale, sur laquelle l'injecteur est disposé à l'intérieur du col de la cuvette de la chambre de combustion, l'injection s'effectuant également en éventail au moyen d'un injecteur à plusieurs trous. On connaît également des cuvettes de piston de structure sphérique, cylindrique ou hyperboloïde. Toutes ces structures de cuvette de piston ont comme inconvénient de ne pas être satisfaisantes du point de vue de l'émission des gaz d'échappement et du bruit. La cause en est que si l'on obtient d'une part, par humectage de la paroi, un déroulement plus ou moins bon et relativement peu bruyant de la combustion, le car- burant non encore brûlé atteint, d'autre part, le bord et le fond relativement froids de la cuvette de piston, en particulier aux bas régimes, au ralenti ainsi qu'aux régimes moyens lorsque le véhicule marche en demi-charge, l'air comburant manquant au mélange, en particulier au centre du mouvement tourbillonnaire créé, et la combustion étant ainsi incomplète. On a de plus, constaté que malgré une injection dirigée avec une certaine inclinaison du haut en bas et humectant la paroi, et malgré une paroi latérale de cuvette de piston disposée obliquement vers le bas, du carburant s'élevait de façon fâcheuse sur la paroi latérale inclinée en forme de tronc de cône, et venait humecter la face frontale du piston. Ces particules de carburant brûlaient donc incomplètement. Le cycle de combustion incomplet du carburant adhérant au fond de cuvette et à la face frontale du piston subissait, de plus l'influence négative du refroidissement dû à la détente. Un objet de l'invention est d'obtenir, pour une bonne utilisation du carburant, une combustion peu bruyante. L'invention résout ce problème en prévoyant que dans la zone de transition entre la paroi latérale et le fond,-soit disposé un bourrelet d'empreinte torique annu- laire périphérique présentant en coupe une pointe faisant saillie. Par cette mesure, on obtient que l'humectage du fond de la cuvette de piston et de la face frontale du piston avec du carburant, ainsi que les inconvénients qui pourraient en découler, soient évités ou réduits et qu'en particulier, lors de l'injection se diffusant dans l'air dans la première phase, les particules de combusti- bles soient entraînées par le mouvement tourbillonnaire et intimement mélangées à l'air comburant. Après écoule- ment du temps de retard à l'allumage et la pleine injec- tion de la deuxième phase, la totalité des jets de carbu- rant humectent les parois latérales en forment un film qui, en raison de l'énergie cinétique et de la pente de la paroi latérale, s'écoule pour sa plus grande partie en direction du fond de la cuvette de piston. Durant cet écoulement, par effet tourbillonnaire, le carburant con- tinue de se mélanger avec l'air de combustion jusqu'à ce que finalement, le bourrelet annulaire soit atteint et le film résiduel de carburant vaporisé, décollé et tota- lement soumis à l'effet tourbillonnaire par l'intermé- diaire de l'arête brûlante et faisant saillie en pointe du bourrelet annulaire, ceci sans que des particules de carburant n'humectent le fond proprement dit de la cu- vette de piston. Ces dispositions garantissent, à côté d'un bon rendement déa à une combustion presque complète, une bonne utilisation de la puissance pour une exploita- tion maximale de la charge d'air et, avant tout, l'émis- sion de bruit est réduite au minimum. Dans une forme avantageuse de réalisation de l'invention, la pointe en saillie de la section du bour- relet annulaire est constituée par deux flancs de bourre- let convergeant l'un vers l'autre à peu près à angle droit. Le flanc de bourrelet annulaire faisant face à l'ouverture d'entrée peut, de plus, être (vu en coupe) parallèle à la tête de piston et se raccorder à la paroi latérale par un congé d'un rayon de 2 à 5 mm. On obtient ainsi un bon écoulement du carburant liquide déposé sur la paroi vers l'arête du bourrelet annulaire ainsi qu'un décollement sûr du film de carburant sur l'arête brûlante du bourrelet annulaire. L'arête circulaire du bourrelet peut se situer dans un plan parallèle à la tête du piston. L'invention prévoit que le col de l'ouverture d'entrée présente un épaulement circulaire faisant radia- lement saillie vers l'intérieur et que la zone de transi-- tion entre la paroi latérale et la face interne de l'épau- lement soit réalisée sous forme d'arête ou par un congé d'un rayon maximal de 3 mm. Grâce à cette disposition, l'autre fraction du film de carburant encore liquide montant le long de la paroi latérale peut être arrêtée par l'épaulement circulaire en saillie et déviée dans un plan à peu près horizontal. Cette déviation provoque un barrage dans le sens d'écou- lement des particules de carburant humectant la paroi, d'o disposition d'un temps suffisant pour soumettre à un effet tourbillonnaire, les particules de carburant en vaporisation avec le mélange air/carburant passant à proximité en écoulement en couche. L'arête vive prévue dans la zone o l'épaulement se rattache à l'ouverture d'entrée favorise le décollement des particules de carbu- rant. De plus, le rétrécissement constant de l'ou- verture d'entrée provoque la formation d'un tourbillon dirigé en sens inverse de l'écoulement général, tourbillon qui agit contre le carburant humectant la paroi latérale de la cuvette de piston et montant sur cette paroi; de ce fait, le carburant décolle de la paroi et réintègre l'écoulement général. On obtient ainsi un mélange plus intime et une meilleure combustion de cette fraction de carburant. L'écart axial séparant le plan du flanc du bourrelet annulaire du fond de la cuvette de piston at- teint 12 à 33 % de la profondeur totale de la cuvette de piston. Grâce à cette disposition, le décollement du film résiduel de carburant à lieu sur toute la périphérie sous les mêmes conditions d'écoulement. Pour obtenir un décollement sûr par turbulence du film résiduel du carburant sur l'arête du bourrelet annulaire, le diamètre de cette arête doit être de 0,9 à 1,1 fois celui de l'ouverture d'entrée, c'est-à-dire de 0,38 à 0,4 fois le diamètre du piston. Le flanc du bourrelet annulaire tourné vers le fond de la cuvette de piston peut, d'après l'invention, se rattacher à ce fond par une zone de courbure présen- tant en coupe un rayon à peu près compris entre 32 et 350 de la profondeur totale. Selon une autre particularité de l'invention, un injecteur est associé à la cuvette de piston, injecteur dont le (ou les) jets sont dirigés vers la paroi latérale de la cuvette de piston. Le point d'impact des jets d'injection se situe axialement à mi-distance entre l'arête du bourrelet annulaire et la tête de piston. En déplaçant l'injecteur sur sa propre direc- tion axiale, le point d'impact des jets peut être modi- fié et un certain effet obtenu sur le déroulement de la combustion. Par ailleurs, l'injecteur peut être disposé, de façon connue, excentriquement par rapport à la cuvette de piston, mais toutefois toujours à l'intérieur de l'ouverture d'entrée de celle-ci. L'invention prévoit également que l'inclinaison des parois latérales soit comprise à peu près entre 7 et 150; Pour une plus grande inclinaison, l'effet tour- billonnaire diminue, ce qui nuit aux conditions de mélan- ge de l'air et du carburant. Enfin, la profondeur totale de la cuvette de piston peut être d'environ 0, 6 à 0,8 fois le diamètre de l'ouverture d'entrée. Dans ce qui suit, l'invention est expliquée plus en détail à l'aide d'un exemple d'exécution illustré par des figures. Celles-ci montrent: - Figure 1, une vue partielle en coupe d'une tête de piston avec une disposition d'injecteur dans la culasse, - figure 2, en projection plane, une disposition du piston et de l'injecteur, - figure 3, une vue partielle en coupe d'une tête de piston à épaulement circulaire faisant radialement saillie vers l'intérieur, - figure 4, en représentation partielle et en coupe, la cuvette de piston de la figure 3 montrée à une échelle plus grande. Le piston 1 montré sur les figures 1 et 2 présen- te dans sa tête de piston 2 une cuvette de piston 3 ayant la forme d'un corps de révolution et qui est constituée d'un col cylindrique 4 et des parois coniques latérales s'y raccordant, un bourrelet d'empreinte torique annu- laire 7 à profil s'avançant en pointe étant prévu entre la paroi latérale 5 et le fond de cuvette 6. Le bourrelet annulaire 7 est constitué de deux flancs de bourrelet 8, 9 concourant à peu près à angle droit. Le flanc 9 de bourrelet annulaire situé du cÈté de l'ouverture d'entrée 10 est, en coupe, à peu près parallèle à la tête de piston 2 et se prolonge, après un coude 9' d'environ 2 à 5 mm de rayon par la paroi laté- rale 5. L'arête circulaire 11 du bourrelet 7 formé à l'intersection des flancs 8 et 9 parcourt un plan paral- lèle au fond 6 de la cuvette de piston 3. L'écart axial 12 séparant le plan du flanc 9 du bourrelet, du fond 6 de la cuvette représente de 12 à 33 % la profondeur totale 18 de la cuvette de piston 3. Il s'est avéré avantageux de prévoir un diamètre d'arête de bourrelet annulaire 11 qui soit 0,9 à 1,1 fois le diamètre de l'ouverture d'en- trée 10, le diamètre de l'ouverture d'entrée étant à peu près 0,38 à 0,4 fois le diamètre 19 du piston. Le fond 6 de la cuvette de piston 3 peut se raccorder aux flancs 8 du bourrelet annulaire par une zone d'un rayon de courbure égal à 20 à 35 % de la pro- fondeur totale 18 de la cuvette de piston. Il est avantageux qu'à la cuvette de piston 3, soit associé un injecteur 13 dont le ou les jets 14, 15, 16 soient tous dirigés sur la paroi latérale 5 de la cuvette de piston 3 et trouvent leur impact axialement à peu près à mi-distance entre le flanc de bourrelet 9 contenant l'arête 11 et la tête de piston 2. De façon connue, l'injecteur 13 peut être disposé excentriquement par rapport à la cuvette de piston 3, mais toujours toutefois, à l'intérieur de l'ouverture d'entrée 10 de celle-ci. Pour l'obtention de la turbulence, il s'est avéré avantageux de donner à l'angle d'ouverture de cône 17 des parois latérales 5 une valeur comprise entre 70 et 15 . La hauteur totale 18 ne doit pas toutefois être supérieure à 0,6 ou 0,8 fois le diamètre de l'ouverture d'entrée 10. Le col 4 de l'ouverture d'entrée présente un épaulement circulaire 20 faisant radialement saillie vers l'intérieur au niveau du contour intérieur 20'. Les jets de carburant 14, 15, 16 arrivant sur la paroi latérale 5 se décomposent chacun en deux com- posantes tel que 14 a, 14 b pour le jet 14 (figures 3 et 4), la composante 14 a (la plus importante) étant diri- gée vers le bas en direction du fond 6 et la plus petite composante vers le haut, en direction de l'ouverture d'entrée 10. Le carburant humectant la paroi et remontant de façon indésirable vers le haut est aidé dans son mou- vement ascendant par le flux 21 dirigé vers le haut et s'accumule sur l'épaulement 20. Il est enlevé de la paroi latérale 5 par le flux tourbillonnaire 22 se formant au niveau de la zone rétrécie discontinue aboutissant au col 4 de l'ouverture d'entrée 10, flux tourbillonnaire s'op- posant au carburant montant; ce carburant est réintégré au débit général 21. La composante 14 a (la plus impor- tante) dirigée vers le bas, se trouve déviée par le bourrelet annulaire 7 et subit un effet de décollement sur l'arête 11 du bourrelet annulaire, de sorte qu'un film de particules de carburant liquide adhérant à la paroi ne peut se former ni sur le fond 6 de la cuvette, ni sur la tête de piston 2. L'épaulement 20 aboutit à la paroi latérale 5, au niveau du contour intérieur 20', par une arête vive ou par un congé d'un rayon maximal de 3 mm. REVENDICATIONS 1. Moteur à combustion interne à allumage par compression, o la cuvette de piston, d'une forme corres- pondant à celle d'un corps de révolution, présente en coupe un fond plat bien arrondi en bordure, une paroi latérale conique, ainsi qu'une ouverture d'entrée plus petite que le plus grand diamètre de la cuvette de piston, un injecteur projetant du carburant dans la cuvette de piston en humectant la paroi, caractérisé par le fait que dans la zone de transition entre la paroi latérale (5) et le fond (6), est prévu un bourrelet d'empreinte torique annulaire (7) présentant en coupe une pointe faisant saillie vers l'intérieur de la cuvette. 2. Moteur à combustion interne selon la revendi- cation 1, caractérisé par le fait que la pointe présentée en coupe par le bourrelet annulaire est formée par deux flancs de bourrelet (8, 9) convergeant l'un vers l'autre à peu près perpendiculairement. 3. Moteur à combustion interne selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que le flanc (9) de bourrelet annulaire qui fait face à l'ou- verture d'entrée (10) est, en coupe, à peu près parallèle à la tête de piston (2). 4. Moteur à combustion interne selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que le flanc (9) de bourrelet circulaire faisant face à l'ouverture d'entrée (10) se raccorde à la paroi latérale par un congé (9') présentant en coupe un rayon de deux ou trois mm. 5. Moteur à combustion interne selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que l'arête circulaire (11) du bourrelet (7) située à l'intersection des deux flancs (8, 9) se situe dans un plan parallèle à celui de la tète de piston (2). i O 6. Moteur à combustion interne selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait que le col (4) de l'ouverture d'entrée (10) présente un épaulement circulaire (20) faisant saillie radialement vers l'inté- rieur. 7. Moteur à combustion interne selon la reven- dication 6, caractérisé par le fait que la zone de raccor- dement entre la paroi latérale (5) et le cÈté intérieur de l'épaulement (20) est conformée en arête ou en congé pré- sentant un rayon maximal de 3 mm. 8. Moteur à combustion interne selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé par le fait que l'écart axial (12) séparant le plan du flanc (9) du bourrelet annulaire, du fond (6) de la cuvette de piston (3) est compris à peu près entre 12 et 33 % de la profondeur totale (18) de la cuvette de piston (3). 9. Moteur à combustion interne selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé par le fait que le dia- mètre de l'arête (11) du bourrelet annulaire est à peu près égal à 0,9 à 1,1 fois le diamètre de l'ouverture d'entrée (10), c'est-à-dire correspond environ à 0,38 ou 0,4 fois le diamètre (19) du piston. 10. Moteur à combustion interne selon l'une des revendications 1 à 9; caractérisé par le fait que le flanc (8) du bourrelet annulaire dirigé vers le fond (6) de la cuvette de piston (3) se raccorde au fond (6) par une zone de courbure qui, en coupe, présente un rayon à peu près compris entre 22 et 35 % de la profondeur totale (18). 11. Moteur à combustion interne selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé par le fait qu'à la cuvette de piston (3), est associe un injecteur (13) dont le ou les jets (14, 15, 16) est ou sont dirigés sur la paroi latérale (5) de la cuvette de piston (3). 12. Moteur à combustion interne selon la reven- dication 11, caractérisé par le fait que le point d'im- pact des jets d'injection (14, 15, 16) se situe axialement à mi-distance entre l'arête (11) du bourrelet circulaire et la tête de piston (2). 13. Moteur à combustion interne selon la reven- dication 12, du type dans lequel l'injecteur (13) est disposé excentriquement par rapport à la cuvette de pis- ton (3), caractérisé par le fait que l'injecteur est dis- posé à l'intérieur de l'ouverture d'entrée (10) de celle- ci. 14. Moteur à combustion interne selon la reven- dication 13, caractérisé par le fait que l'inclinaison (17) des parois latérales (5) est à peu près comprise entre 7 et 15 . 15. Moteur à combustion interne selon la reven- dication 14, caractérisé par le fait que la profondeur totale (18) de la cuvette de piston (3) est égale à envi- ron 0,6 à 0,8 fois le diamètre de l'ouverture d'entrée (10).