Brevet FR2519075A1 — publié le 19830701

La présente invention est relative au domaine de la construction des moteurs et elle concerne plus particuliè rement les moteurs a' combustion interne. L'invention est surtout avantageusement utilisable dans la fabrication des moteurs à combustion interne surali mentés prévus pour équiper les moyens de transport maritimes, fluviaux, ferroviaires et automobiles, les matériels de construction routière, les camions-bennes gros porteurs, dans des installations énergétiques stationnaires et la fabrication des tracteurs. On sait que l'une des voies les plus prometteuses d'augmenter notablement la puissance et d'améliorer les caractéristiques des moteurs Diesel suralimentés, tant déjà produits que nouvellement conçus, consiste à utiliser des chambres de précombustion avec augmentation correspondante du taux de suralimentation et de l'amenée cyclique de combustible. A l'aide de préchambres, on fournit une solution aux problèmes essentiels suivants premièrement, ùn abaissement de la pression maximale de combustion dans le cylindre du moteur à combustion interne deuxièmement, une diminution de la toxicité des gaz dtéchappement troisièmement, un abaissement du niveau de bruit et de vibrations. Cependant, une préchambre du type classique se caractérise par des pertes de charge élevees au passage des gaz, pertes dues aux faibles sections de passage des trous de pulvérisation, ce qui conduit à une consommation élevée de combustible. Des pertes de charge réduites au passage des gaz sont obtenues avec une préchambre qui communique avec la chambre de combustion principale par un large passage de dérivation obturé par une saillie du piston dans sa position au voisinage du point mort haut. On connaît un moteur à combustion interne (décrit au brevet français NO 1529533), comportant un cylindre avec un piston relié cinématiquement à un vilebrequin, une culasse dans laquelle est logée une préchambre avec un injecteur de combustible et munie d'un embout formant buse avec un passage de sortie, et une chambre de combustion principale formée entre la culasse et le piston quand celui-ci arrive au point mort haut. Le passage de dérivation a une section variable et assure la communication de la préchambre avec la chambre principale. Le piston est pourvu d'un téton qui-pénètre dans le passage de dérivation, dans la position du piston voisine du point mort haut. Le téton présente une forme conique permettant de former, pendant le mouvement du piston, une fente annulaire entre la paroi du passage de dérivation et le téton. Quand le piston se déplace vers le point mort haut, la section de la fente annulaire varie dans le temps et devisent minimale lorsque le piston arrive au point mort haut Au cours de la variation de la section de la fente annulaire, il se produit un écoulement des gaz chauds, à travers la fente, de la préchambre vers la chambre principale. Dans la position du piston en point mort haut, ltécoulement des gaz chauds se fait avec la vitesse maximale, ce qui cause un brûlage des parois du téton du piston. Le brûlage des parois du téton a pour conséquence, d'une part, d'abaisser la fiabilité du moteur à combustion interne et d'autre part, par suite d'une augmentation de la section de passage de la fente annulaire, de diminuer la vitesse d'écoulement des gaz chauds, ce qui affecte la qualité de la formation du mélange dans la chambre principale, rend la combustion moins rapide et moins complet, ce qui, a' son tour, conduit à un abaissement de l'économie du moteur. On connaît également un moteur à combustion interne (voir le brevet de la R.F.A. NO 2347135) qui constitue le moteur type auquel se rapporte l'invention. Ce moteur à combustion interne comporte un cylindre avec un piston relié ci nématiquement à un vilebrequin, une culasse dans laquelle est logée une préchambre avec un injecteur de combustible et munie d'un embout formant buse avec un passage de sortie et une chambre de combustion principale formée entre la culasse et le piston lorsque celui-ci est au point mort haut, la paroi dudit embout formant buse étant percée de trous de pulvérisation qui font communiquer la préchambre avec la chambre principale. Le piston est pourvu d'un téton qui pénètre dans ie passage de sortie dans une position du piston voisine au point mort haut. L'existence de trous de pulvérisation dans embout formant buse de ce moteur å combustion interne, à la différence du moteur à combustion interne selon le brevet fran çais NO 1529533, précité, permet d'augmenter la surface des gaz chauds et du combustible s'écoulant de la préchambre dans la chambre principale, donc d'augmenter la surface de contact des gaz chauds et du combustible avec l'air de la chambre principale, grâce à quoi la vitesse et le rendement de la combustion croissent, ce qui, à son tour, augmente l'économie du moteur. I1 est cependant à remarquer que, étant donné la direction radiale des trous de pulvérisation, les axes des jets de gaz chauds s'écoulant de la préchambre à la dian bre principale sont parallèles au fond de la culasse. I1 en résulte que les jets de gaz et de combustible ayant une haute température lèchent le fond de la culasse, ce qui réduit partiellement la surface de contact des jets de gaz chauds et de combustible avec l'air de la chambre principale. Ceci nuit à la qualité du mélange formé et de la combustion dans 3a chambre principale, ce qui réduit l'économie du moteur à combustion interne.En même temps, la haute température des gaz chauds et du combustible qui s'écoulent provoque un chauffement local du fond de la culasse en augmentant la contrainte thermique de cette dernière, ce qui conduit à un abaissement de la fiabilité du moteur. Pendant le mouvement du piston vers le point mort haut, le téton pénètre dans un alésage prévu dans l'embout formant buse. Lorsque le piston arrive au point mort haut, il se forme, entre la surface de l'alésage et le téton, des fentes étroites disposées à 900 l'une par rapport à l'autre. L'ensemble de ces fentes constitue un joint étanche qui empuche l'écoulement des gaz chauds et du combustible de la préchambre dans la chambre principale. De cette façon, la formation du mélange dans la chambre principale lorsque le piston est au voisinage du point mort haut s'effectue uniquement grâce à l'écoulement des gaz chauds et du combustible par les trous de pulvérisation, ce qui conduit au fait que le mélangeage des gaz chauds et du combustible avec l'air de la chambre principale ne se fait qu'au voisinage de la culasse, tandis qu'au voisinage du téton du piston, l'air de la chambre principale ne participe pas à la formation du mélange. Il en résulte une diminution de la vitesse et du rendement de la combustion et, par conséquent, un abaissement de l'économie du moteur. I1 est donc souhaitable de réaliser un moteur à combustion interne dans lequel l'écoulement des gaz chauds et du combustible, lorsque le piston est au voisinage du point mort haut s1 effectue non seulement par les trous de pulvérisation, mais aussi par la fente annulaire formée entre la paroi de l'embout formant buse et le téton du piston, avec une répartition appropriée des flux de gaz chauds et de combustible, gracie à un choix judicieux de l'aire des sections de passage des trous de pulvérisation et du rapport des diamètres du téton et du passage de dérivation. L'invention a pour but de fournir un moteur à combustion interne dans lequel le rapport des diamètres du téton et du canal de dérivation, la direction des axes des trous de pulvérisation du passage de sortie par rapport à l'axe du cylindre et l'aire totale des sections de passage des trous de pulvérisation seraient tels que soient assurés : une amé- lioration de la qualité de la formation du mélange dans la préchambre et dans la chambre principale, un accroissement de la vitesse et du rendement de la combustion et l'absence de contact des jets de gaz chauds et de combustible s'écoulant de la préchambre avec la surface de la culasse, ce qui, à son tour, permettrait d'augmenter l'économie et la fiabilité du moteur à combustion interne. Ce but est atteint grâce au fait que dans un moteur à combustion interne comprenant un cylindre avec un piston relié cinématiquement à un vilebrequin, une culasse dans laquelle est logée une préchambre avec un injecteur de combustible, et munie d'un embout formant buse avec un passage de sortie, et une chambre de combustion principale formée entre la culasse et le piston lorsque celui-ci est au point mort haut, la paroi dudit embout formant buse étant percée,de trous de pulvérisation qui font communiquer la préchambre avec la chambre principale et le piston étant pourvu d'un téton qui pénètre dans le passage de sortie lorsque le piston est au voisinage du point mort haut, conformément à l'invention, le rapport des diamètres du téton et du passage de sortie est de 0,85 à 0,95 et les axes des trous de pulvérisation sont dirigés sous un angle de 60 à 800 par rapport à l'axe du cylindre, l'aire totale des sections de passage des trous de pulvérisation étant 5 = (15 à 35) D.S.n. S. où D est le diamètre du cylindre, en mm S est la course du piston, en mm n est la vitesse de rotation du vilebrequin, en tr/mn ; et est le volume relatif de la préchambre. Les jets de gaz chauds avec du combustible s'écoulant de la préchambre, à travers les trous de pulvérisation, dans la chambre principale s'élargissent à la sortie de ces trous sous forme de cônes dont l'angle, selon les données ex périmentales, est d'environ 18 à 20o 20 . Pour éviter le contact du jet de gaz chauds et de combustible avec la surface de la culasse, 11 angle d'inclinaison de l'axe d'un trou de pulvérisation ne doit pas dépasser 800.La limite inférieure de l'an- gle d'inclinaison de l'axe du trou de pulvérisation se détermine suivant la forme de la chambre principale, laquelle doit assurer un développement suffisant de la surface des jets de gaz chauds et de combustible et leur contact avec l'air de la chambre principale, ce qui est obtenu lorsque ledit angle d'inclinaison est égal à au moins,600, compte tenu de ltéventail du jet. La limite supérieure du rapport des diamètres du téton et du passage de sortie est déterminée par le jeu technologique qui se forme entre le téton et le passage de sortie pendant la fabrication et l'assemblage de ltensemble cylindrer piston, compte tenu de la dilatation thermique et du déplacement du piston sur la paroi du cylindre à l'inversion du sens de sa course. La limite inférieure de ce rapport est determinée expérimentalement et assure également une économie suffisamment grande du moteur à combustion interne. Avec une limite inférieure réduite au-dessous de 0,85, ltéconomie diminue. L'aire totale optimale de la section de passage des trous de pulvérisation dépend, pour chaque moteur à combustion interne particulier, des régimes principaux de fonctionnement du moteur déterminés par la vitesse de rotation du vilebrequin, des dimensions géométriques du moteur à combustion interne, du taux de compression et d'autres facteurs dont justement tient compte le coefficient numérique indiqué ci-dessus déterminé par voie expérimentale. Le rapport des diamètres du téton et du passage de sortie et l'aire totale des sections de passage des trous de pulvérisation, déterminés suivant l'invention, permettent dans leur ensemble d'assurer les vitesses d'écoulement des gaz qui se forment et du combustible de la préchambre, ou d'écoulement de l'air de la chambre principale, nécessaires à la formation d'un mélange de bonne qualité dans la préchambre et dans la chambre principale, ainsi que d'augmenter la vitesse et le rendement de la combustion. En outre, l'inclinaison proposée des axes des trous de pulvérisation permet de détourner de la culasse le jet de gaz chauds et de combustible s'écoulant de la préchambre, ce qui réduit ses contraintes thermiques et en même temps, améliore la qualité de la formation du mélange dans la chambre principale. Par ailleurs, l'orientation proposée des axes des trous de pulvérisation permet de réduire les pertes d'énergie au passage de l'air de la chambre principale dans la préchambre, ce qui améliore la formation du mélange dans la préchambre. L' invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui suit du moteur à combustion interne en référence aux dessins annexés, sur lesquels - la Fig. 1 est un schéma d'un moteur à combustion interne selon l'invention - la Fig. 2 est une vue d'ensemble en coupe partielle du moteur à combustion interne selon l'invention. Le moteur à combustion interne (Fig.l) comprend un cylindre 1, à l'intérieur duquel est disposé un piston 2 relié par l'intermédiaire d'une bielle 3 à un vilebrequin 4, et une culasse 5. Dans la culasse 5 (Fig.2) est logée une chambre de précombustion 6 avec un injecteur de combustible 7, la préchambre comportant un embout 8 formant buse et un passage de sortie 9. La paroi de l'embout 8 formant buse est percée de trous 10 de pulvérisation. Le piston 2 présente un téton 11. Sur la Fig.2, le piston 2 est représenté dans sa position au point mort haut, dans laquelle est formée, entre la culasse 5 du cylindre 1 et le piston 2, une chambre de combustion principale l2c Les trous de pulvérisation 10 font communiquer la préchambre 6 avec la chambre principale 12. L'axe 13 de chaque trou de pulvérisation 10 est orienté par rapport à l'axe 14 du cylindre 1 sous un angle de 60 à 800, et le rapport des diamètres du téton Il et du passage de sortie 9 est de 0,85 à 0,95. L'aire totale des sections de passage des trous c de pulvérisation 10 a pour valeur f = (15 à 35) D.S.n. . OU D est le diamètre du piston, en mm S est la course du piston, en mm n est la vitesse de rotation du vilebrequin en tr/mn ; et c cest le volume relatif de la préchambre. Le moteur à combustion interne décrit ci-dessus fonctionne comme suit Lors du temps de compression, quand le piston 2 remonte vers le point mort haut, l'air (Rig.l) passe librement du cylindre 1 dans le passage de sortie 9 de la précham bre 6. Au voisinage du point mort haut (Fig.2), le téton 11 pénètre dans le passage de sortie 9 en 11 obturant partiellement, à la suite de quoi l'air de la chambre principale 12 continue dtarriver dans la préchambre 6 à travers les trous de pulvérisation 10 et, en partie, à travers un jeu annulaire 15 formé entre la paroi de l'embout 8 formant buse et le téton 11. A la fin du temps de compression, l'injecteur 7 introduit du combustible dans la préchambre 6.Par suite de l'auto-allumage du combustible dans la préchambre 6, il s'y produit une élévation de la pression des gaz qui se forment, cette pression devenant, au bout d'un certain temps, supérieure à la pression de ltair dans la chambre principale 12 et commence alors un écoulement des gaz chauds et du combustible de la préchambre 6, à travers les trous de pulvérisation 10 (sous forme de plusieurs jets, suivant le nombre de trous) et le jeu annulaire 15, vers la chambre principale 12. Les gaz chauds et le combustible ayant rencontré l'air de la chambre principale 12, le combustible se consume en augmentant la pression des gaz dans la chambre principale 12, pression qui agit sur le piston 2 qui commence à s'éloigner du point mort haut pendant que le téton 11 sort du passage de sortie 9. Après la sortie définitive du téton 11 du passage de sortie 9r il se produit un écoulement ultérieur des gaz et du combustible restants de la préchambre 6, à travers le passage 9, dans la chambre principale 12, où ils rencontrent l'air non utilisé de la chambre principale 12 et se consument avec une vitesse et un rendement suffisants. REVENDICATION Moteur à combustion interne comportant un cylindre (1) avec un piston (2) lié cinématiquement à un vilebrequin (4), une culasse (5) dans laquelle est logée une préchambre (6) avec un injecteur de combustible (7) et munie d'un embout (8) formant buse avec un passage de sortie (9), et une chambre de combustion principale (12) formée entre la culasse (5) et le piston (2) lorsque celui-ci est au point mort haut, la paroi dudit embout (8) formant buse étant percée de trous de pulvérisation (10) qui font communiquer la préchambre (6) avec la chambre principale (12) et le piston (2) étant pourvu d'un téton (11) qui pénètre dans le passage de sortie (9) dans la position du piston (2) voisine du point mort haut, caractérisé en ce que le rapport des diamètres du téton et du passage de sortie (9) est compris dans la plage de 0,85 à 0,95 et les axes des trous de pulvérisation (10) sont orientés sous un angle de 60 à 800 par rapport à l'axe du cylindre, l'aire totale des sections de passage des trous de pul r vérisation étant f = (15 à 35),D,S.n, ou D est le diamètre du cylindre, en mm S est la course du piston, en mm n est la vitesse de rotation du vilebrequin, en tr/mn ; et est le volume relatif de la préchambre.