Brevet FR2517374A1 — publié le 19830603

L'invention se rapporte à un moteur à combustion interne, à injection directe et compression d'air, avec auto- allumage ou allumage commandé, lequel moteur présente dans le piston une chambre de combustion en forme de révolution, o l'on confère à l'air de combustion entrant, par des moyens connus, un mouvement rotatif autour de l'axe longitu- dinal de la chambre et o le combustible est injecté en un seul jet, au moyen d'un injecteur disposé de façon excentri- que à proximité du rebord d'ouverture de la chambre, et ce, de telle manière en direction de l'air de combustion en rotation dans la chambreque la formation d'un film de com- bustible est possible sur la paroi de la chambre. De tels moteurs à combustion interne, travaillant selon le procédé de l'application du combustible sur la paroi, sont déjà bien connus Ils ont une série d'avantages, parmi lesquels on peut notamment citer une bonne exploitation du combustible, un faible trouble des gaz d'échappement et un fonctionnement silencieux On a également constaté une pos- sibilité d'amélioration complémentaire de la qualité du gaz d'échappement (réduction de formation de fumées blanche et bleue et des hydrocarbures non brillés), en mélangeant pres- que directement au ralenti et en plage inférieure de régime et de charge, la faible quantité d'injection nécessaire avec l'air de combustion, étant donné que dans ces plages, la température de la paroi de la chambre nécessaire à une évaporation assez rapide du combustible appliqué sous forme de film n'est pas suffisante, d'o traitement incomplet du mélange et donc combustion incomplète En plage supérieure de réqime et de charge par contre, l'application du combus- tible sur la paroi a très bien fait ses preuves. Il s'est à présent avéré que le combustible, mélangé à l'air, au ralenti et en plage inférieure de régime et de charge, forme, immédiatement après avoir quitté l'ouverture de l'injecteur, un nuage pourvu d'une force minime de péné- tration, qui est rapidement balayé par l'air en rotation. De ce fait, le combustible peut être dévié vers la paroi de la chambre, vers l'espace intermédiaire entre tête de piston et culasse, ou, dans le cas d'une chambre de combus- tion rétrécie, vers la paroi du bec L'application sur ces endroits plus froids engendre à nouveau une détérioration des caractéristiques des gaz d'échappement, en particulier des hydrocarbures non brûlés. Egalement à régime et charge élevés, le jet prin- cipal pourvu d'une grande force de pénétration est accompa- qné au début et à la fin de l'injection par de petits nuages de combustible Ces nuages de combustible sont déviés encore plus fortement qu'à bas régime par le gaz tournant à présent plus rapidement et sont transportés essentiellement vers les espaces entre culasse et tête de piston En outre à grande vitesse/du gaz passe directement après le P M H de la chambre de combustion vers la fente s'agrandissant rapidement entre la culasse et la tête de piston, et entraîne de préférence les nuages et les gouttelettes de combustible se formant vers la fin de l'injection Le combustible parvenant ainsi à cet endroit est soustrait au procédé de combustion proprement dit, n'est pas pris par le front de flammes s'étendant dans la chambre de combustion et brûle subitement par inflammation spontanée Ces nuages de combustible ont des effets érosifs très prononcés sur les surfaces très proches du piston et de la culasse. C'est là qu'intervient l'invention, qui a pour but, dans un moteur à combustion interne du type décrit ci-dessus, d'éviter sur la tête du piston et sur la culasse les érosions engendrées par les déviations de combustible, et d'améliorer l'émission de gaz d'échappement quant aux hydrocarbures non brûlés. Conformément à la présente invention, ce résultat est obtenu par le fait que l'ouverture d'injection de l'in- jecteur se situe au point mort haut du piston, en dessous la tête de piston et plonge dans la chambre de combustion, et que le col de l'injecteur est enrobé avec jeu par une douille formée avec une fente longitudinale, ouverte du côté frontal, laquelle douille est en saillie au-delà de l'ouver- ture d'injection. Grâce à ces caractéristiques, le but recherché est pleinement atteint de façon simple La pénétration de l'ou- verture d'injection de l'injecteur dans la chambre de com- bustion pendant le processus d'injection évite que du com- bustible puisse parvenir entre la tête de piston et la culasse. Le combustible, dissipé par l'air tournant, retombe de pré- férence sur la paroi inférieure en saillie de la douille, et comme cette zone de paroi sera très chaude, il s'en suivra là une évaporation rapide du combustible De plus, la douille protège l'injecteur contre des échauffements trop forts; les apparitions de cokéfaction dans l'ouverture d'injecteur, pouvant se produire en raison d'une avancée plus profonde de l'injecteur dans la chambre de combustion, sont totalement évitées Il ne se produit également aucune déformation de l'injecteur, étant donné que grâce à la douille avec son jeu par rapport au corps d'injecteur, de trop fortes différences de température ne peuvent pas se produire dans les zones supérieures ou inférieures de l'injecteur Ainsi la douille, à côté de sa fonction de collecteur pour le combustible dissipé, sert à améliorer la préparation du mélange et sert de protection thermique à l'injecteur La fente longitudinale dans la douille assure dans ce cas un bon contact exempt de tension, de la douille avec la culasse refroidie, également en cas de distribution asymétrique de température dans la douille On évite ainsi la formation de fissures et de cas- sures, aussi bien dans la douille que dans la culasse L'es- pace intermédiaire entre injecteur et douille (jeu) se rem- plira peu à peu de dépôts de suie et de coke Ces dépôts agissent comme isolants et forment par conséquent une pro- tection thermique complémentaire. On sait qu'il est déjà connu d'utiliser comme pro- tection thermique des douillescylindriques qui enrobent la tige de l'injecteur et sont maintenues dans la culasse ou fixées au porteinjecteur, les douilles reposant totalement ou partiellement avec ajustage serré sur le col cylindrique de la partie en saillie de l'injecteur (cf DE-PS 873 011). Dans l'installation connue il s'agit d'un injecteur refroidi directement, disposé centralement au-dessus de la chambre de combustion L'inconvénient de cette douille connue est que par le contact des douillesavec chaque corps d'injecteur, la chaleur continue à être transmise aux corps d'injecteur, du moins dans les zones supérieures De même, pendant le fonctionnement, des tensions peuvent se produire dans ces zones de la douille, ce qui peut conduire à des fissures. Il est en outre défavorable que le diamètre de l'ouverture d'injecteur doive être plus grand, pour pouvoir introduire et fixer l'injecteur et la douille de protection Cela n'a cependant, dans l'installation connue, pas tellement d'im- portance, étant donné aue là, -comme déjà mentionné-, on a affaire à un injecteur refroidi directement et disposé cen- tralement au-dessus de la chambre de combustion Par contre, dans le cas de la présente invention, un diamètre plus grand serait problématique Dour des raisons constructives, l'in- jecteur étant disposé excentriquement à proximité du rebord d'ouverture de la chambre de combustion, de façon inclinée par rapport à l'axe longitudinal de celle-ci et la dissipa- tion de chaleur de la zone de l'injecteur devant s'effectuer par l'intermédiaire des surfaces refroidies de la culasse. Il est en outre à constater que dans l'injecteur connu, la pointe de la partie en saillie de l'injecteur rentre dans la chambre de combustion La raison de cette disposition n'apparait pas dans la description du DE-PS 873 011 Etant donné que dans les injecteurs disposés centralement, le pro- blème de dispersion de combustible dans les espaces entre culasse et tête de piston est moins actuel en raison de la distance plus grande, il faut supposer que l'avancée de l'injecteur dans la chambre de combustion a un autre but. Comme il y a un rapport entre l'écart du piston depuis la tête de cylindre au début de l'injection et à la fin de l'injection et la profondeur optimale de plongée de l'ouverture d'injecteur dans la chambre de combustion (l'écart du niston est à chaque fois dépendant de la course) , il est avantageux, selon une autre caractéristique de l'invention, que la profondeur de plongée de l'ouverture d'injection dans la chambre calculée en direction verticale soit au moins aussi grande que la distance entre la tête de piston à la fin de l'injection de -combustible, à régime nominal et pleine charge, et le bord inférieur de la fente de culasse formée au noint mort haut Cela veut dire, qu'à la fin de l'injec- tion, l'ouverture d'injection de l'injecteur vient se situer au moins à la hauteur de la tête de piston Elle peut se situer en-dessous, mais pas au-dessus. Il s'est avéré que les phénomènes se déroulant à la fin de l'injection sont essentiellement responsablesde la création d'érosion sur la tête de piston On peut donc prendre comme échelle la fin de l'injection à régime nominal et pleine charge, pour déterminer la profondeur d'immersion de l'ouver- ture d'injection Cette position sera aussi, dans la plupart des cas, optimale pour les émissions de gaz d'échappement sur lesquelles il faut spécialement veiller à faible charge et à bas récgime D'une part les temps d'injection sont alors plus courts, le début d'injection et la fin d'injection se situent plus près du point mort haut, d'autre part les mou- vements de aaz (mouvements tournants et mouvements d'évacua- tion) sont beaucoup plus petits, étant donné que ceux-ci sont à peu près proportionnels au régime. On obtient des résultats particulièrement bons avec des douilles faisant entre 0,5 à 2,0 mm de saillie au-delà de l'ouverture d'injection Des douilles débordant davantage gêneraient la rotation de l'air de combustion. Il s'est avéré comme pratique que la largeur de fente de la douille à l'état monté froid soit comprise entre 0,5 et 2 mm environ et aue le diamètre extérieur de la douille à l'état libre (non monté) soit 1,0 à 1, 3 fois la valeur du diamètre de l'ouverture d'injecteur dans la culasse Ceci permet un montage ou une introduction facile de la douille dans l'ouverture d'injecteur, la douille à fente longitudi- nale se laissant déformer de façon bien élastique. On propose également encore, dans la zone du morte- injecteur, de prévoir une collerette à la douille Cette collerette détermine la position de mise en place de la douille et évite un glissement de celle-ci dans le cylindre. Il est en outre avantageux de placer la fente lon- gitudinale (position de la fente) dans la zone de la douille qui est totalement recouverte par la culasse Ainsi, du com- bustible ne peut pas parvenir à travers la fente existant dans les zones critiques En particulier la pointe de la culasse, formée dans la zone inférieure de la douille (dans la zone du fond de la culasse), n'est pas aussi fortement sollicitée par la déformation thermique défavorable de la partie de la douille émergeant de la culasse Le danger de formation de fissures, spécialement à cet endroit ou un grillage de cette pointe,sont ainsi évités. D'autres caractéristiques de l'invention apparaî- tront au cours de la description qui va suivre, donnée à tire d'exemple non limitatif en regard des dessins ci-joints, et qui fera bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. Les dessins représentent figure 1, une coupe longitudinale à travers la partie inférieure d'un injecteur avec douille,disposé dans la culasse, ainsi qu'à travers la partie supérieure d'un piston disposé dans un cylindre avec chambre de combustion au point mort haut (PMH); figure 2, une coupe de l'injecteur et de la douille, suivant la ligne Il-II de la figure 1; figure 3, une coupe longitudinale analogue à celle de la figure 1, avec représentation du mouvement des gaz après le PMH et du jet de combustible avec un nuage de com- bustible; et figure 4, un diagramme du mouvement pendant le pro- cessus d'injection avec représentation de la profondeur de plongée de l'ouverture d'injection (point de départ du jet) dans la chambre de combustion (en agrandissement). Les figures 1 et 3 montrent une chambre de combus- tion 7 de forme sphérique, formée dans un piston 6, et gui présente vers la culasse 5 un col rétréci, dans lequel est prévu un canal de liaison 7 a, conçu comme un bec et débou- chant de façon inclinée dans la chambre de combustion 7. Dans le prolongement du canal de liaison 7 a, un injecteur de combustible 2 est disposé dans la culasse 5 Cet injec- teur est enrobé d'une douille 4 avec un jeu 16 et l'ouver- ture d'injection 2 a de l'injecteur se situe sous le niveau du fond de culasse 5 a La douille 4 est ouverte du côté frontal et présente une fente longitudinale, la largeur de la fente S (voir figure 2) étant t l'état monté froid de 0,5 à 2,0 mm Le diamètre extérieur de la douille libre 4 (non montée) peut présenter au maximum 1,3 fois la valeur du diamètre d de l'ouverture d'injecteur 11 dans la culasse ; de préférence on utilise une douille avec 1,1 fois cette valeur Le diamètre plus grand ou au moins de même grandeur quela douille 4 par rapport à l'ouverture d'injecteur il assure que la surface extérieure de la douille 4 repose fer- mement contre la paroi de la culasse Ainsi, la chaleur in- troduite dans la douille est bien évacuée sur la paroi refroi- die de la culasse. L'essentiel est que la douille 4 fasse saillie au delà de l'ouverture d'injection 2 a de l'injecteur 2 La par- tie saillante peut être de 0,5 à 2,0 mm Une saillie de 1,0 mm s'est avérée comme très avantageuse - Dans la position point mort haut du piston 6 (figure 1), l'ouverture d'injection 2 aainsi que la partie en forme de fer à cheval cylindrique de la douille 4, plonge dans la chambre de combustion 7 La profondeur de saillie a de l'ou- verture d'injection 2 a dans la chambre 7 -mesurée en direction verticale est dans ce cas au moins aussi grande que la distance entre la tête de piston 6 a, à la fin de l'injection de combustible -pris à régime nominal et pleine charge et le rebord inférieur de la fente 5 b formée par la culasse au PMH. Si l'on désire une amélioration complémentaire des caractéristiques des gaz d'échappement (ceci est par exemple valable pour les véhicules plus légers ou pour les plages de charge faible sur les poids lourds), il est également pensable de laisser plonger davantage l'ouverture d'injection dans la chambre de combustion et de fixer la profondeur d'immersion a en fonction de la distance du piston au début de l'injection ou de fixer une valeur entre début et fin de l'injection. Sur la figure 1 est encore représenté l'axe d'in- jection 1, qui coincide ici avec l'axe du trou d'injection. Ceci ne doit pas toujours être le cas En outre, le porte- injecteur est désigné par 3 Dans la zone de ce porte- injecteur, la douille 4 présente une collerette 4 a Ainsi la douille est orientée dans sa position. La figure 3 représente la position du piston 6 après le point mort haut, soit vers là fin de l'injection On peut voir qu'autour du jet principal de combustible injecté il y a un brouillard de combustible 9, ou des gouttelettes de com- bustible sans énergie, qui -sous l'effet de l'air tournant 17 retombent sur la partie en fer à cheval cylindrique de la paroi chaude de la douille et s'y évaporent Les flèches montrent le mouvement radial de gaz, qui se met en place après le PMH. Il s'est avéré vue ce mouvement radial de gaz repré- sente essentiellement la cause des érosions de la tête de piston et de la culasse, étant donné que ce mouvement entraîne les nuages ou les gouttelettes de combustible se produisant vers la fin de l'injection, de préférence dans la fente entre culasse et tête de piston Comme dans le cas de la présente invention, l'ouverture d'injection 2 a se situe à la fin de l'injection encore au moins au niveau de la tête de piston 6 a (ou éventuellement plus bas)>cet inconvénient n'apparaît pas Ceci est également valable pour le début d'injection avant PMH, bien que là, dans la plupart des cas, l'ouverture 2 a de l'injecteur 2 se situera encore audelà de la tête de piston 6 a Dans ce cas, le flux étranglé entrant à haute vitesse dans la chambre de combustion empêchera dans une large mesure une dissipation du combustible vers les espaces entre tête de piston et culasse. Sur le diagramme de la figure 4 on a représenté sous forme de parabole la position du piston 13 en fonction des degrés de rotation vilebrequin Dans l'exemple, l'injec- tion de combustible commence à 260 avant PMH (EB) et finit à 12 après PME (EE); la durée d'injection à pleine charge est désignée par 10 On peut aussi-voir qu'à la fin de l'in- jection, le piston se trouve à une distance a de la fente de culasse 5 b Cet écart a correspond à la profondeur d'im- mersion du point de sortie du jet 2 a dans la chambre de com- bustion, lorsque le piston se trouve au point mort haut. Dans l'exemple,la profondeur d'immersion a est d'environ 1,3 mm et la douille 4 fait saillie au-delà de l'ouverture d'injection 2 a d'environ l mm L'axe de l'ouverture d'in- jection est désigné sur la figure 4 par 12. Il reste finalement à mentionner qu'il n'est pas nécessaire, du fait de la saillie de la douille, de réaliser le diamètre d'ouverture dans la culasse plus grand pour l'in- jecteur On réalise plutôt le col d'injecteur de façon plus mince Cet enlèvement de matière dans la zone du col d'in- jecteur a pour effet (grâce à la surface exposée plus petite et au flux interne de combustible) une réduction complémen- taire de la température à l'injecteur. REVENDICATIONS 1. Mloteur à combustion interne, à injection directe et compression d'air, avec auto-allumaae ou allumage commandé, qui présente dans le piston une chambre de combustion en forme de révolution, o l'on confère de l'air de combustion entrant, par des moyens connus, un mouvement tournant autour de l'axe longitudinal de la chambre et o le combustible est injecté, par un injecteur disposé de façon excentrique à pro- ximité du bord d'ouverture de la chambre dans la culasse, avec uniquement un jet de telle sorte en direction de l'air de combustion tournant dans la chambre, qu'il y a possibilité de formation d'un film de combustible sur la paroi de la chambre, caractérisé par le fait que l'ouverture d'injection ( 2 a) de l'injecteur ( 2), au point mort haut du piston ( 6) se situe en-dessous de la tête de piston ( 6 a) et plonge dans la chambre de combustion ( 7) et que le col de l'injecteur ( 2) est enrobé avec un jeu ( 16) par une douille ( 4) ouverte du côté frontal et ayant une fente longitudinale, laquelle douille est en saillie au-delà de l'ouverture d'injection ( 2 a). 2 Moteur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la profondeur de saillie (a) de l'ouverture d'injection ( 2 a) dans la chambre de combustion ( 7) -mesurée en direction verticale est au moins aussi grande aue la distance entre la tête de piston ( 2 a), à la fin de l'injection de combustible à régime nominal et pleine charge et le rebord inférieur de la fente ( 5 e) formée au point-mort haut par la culasse. 3. Moteur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la douille ( 4) est en saillie de 0,5 à 2,0 mm. 4 Moteur selon une des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que la largeur de la fente (s) de la douille ( 4), à l'état monté froid, est de l'ordre de 0,5 à 2,0 mm. 5. Moteur selon une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que le diamètre extérieur de la douille ( 4) à fente, à l'état libre (non monté) est de 1,0 à 1,3 fois la valeur du diamètre (d) de l'ouverture d'in- jecteur ( 11) dans la culasse ( 5). 6. Moteur selon une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que la douille ( 4) présente une col- lerette ( 4 a) dans la zone du porte-injecteur ( 3). 7. Moteur selon une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que la fente longitudinale (position de la fente) se situe dans la zone de la douille ( 4) qui est entièrement recouverte par la culasse ( 5).