Brevet FR2529618A1 — publié le 19840106

Chambre de combustion d'un moteur à combustion interne à pistc L'invention concerne la chambre de combustion d'un moteur à combustion interne à pistons, qui est située en parti dans le piston, en partie dans la culasse et qui comporte une soupape d'admission, une soupape d'échappement et un dispositi d'allumage pour le mélange carburant-air. Depuis les débuts de la construction de moteurs, la configuration de telles chambres de combustion a été l'objet c multiples efforts Récemment, leur développement a pris encore plus d'importance du fait que l'on recherche l'émission de ga 2 d'échappement la plus faible possible et une consommation de carburant aussi minime que possible, exigences qui ne peuvent être satisfaites l'une et l'autre que par une configuration judicieuse des chambres de combustion. En partant de ce problème général, le but de l'inventi est de procurer une chambre de combustion qui puisse être réa- lisée avec une technique de fabrication simple et qui assure un rendement de combustion élevé sur toute la plage des vitesse Ce but est atteint par le fait que le dimensionnement et l'agencement appropriés de la chambre de combustion par rap port à la soupape d'admission et à la soupape d'échappement qui font un angle aigu avec l'axe du piston, favorisent la for mation dans cette chambre de combustion d'un écoulement tour- billonnaire fermé sur lui-même, constitué par un courant exté- rieur non turbulent et un courant rotationnel intérieur, con- centrique à ce dernier, et que le dispositif d'allumage est placé dans la zone de mélange annulaire à haute concentration en carburant située entre le courant rotationnel et le courant non turbulent En comprimant le mélange aspiré air-carburant, il se produit dans la chambre de combustion ayant une forme à symétrie de révolution un tourbillon qui, à l'approche du poin mort haut, prend la forme d'écoulement d'un courant rotation- nel et non turbulent fermé sur lui-même, tel qu'il est décrit en détail dans la revue "Staub", volume 23, N" 11, Nov 63, pages 491 à 501 Ce tourbillon est constitué par un courant extérieur en spirale non turbulent qui se transforme au fond de la cuvette du piston en un courant rotationnel également en spirale, concentrique à ce dernier et progressant en sens inverse, qui, après avoir traversé la chambre de combustion, se réunit à nouveau avec le courant extérieur non turbulent à la partie supérieure de la culasse A cet endroit se forme une source de tourbillons tandis qu'au fond de la cuvette de piston se produit une dépression tourbillonnaire Le mélange subit l'effet de forces centrifuges dues au courant rotation- nel et de forces de frottement et d'entraînement dues à la source de tourbillons, qui sont les unes et les autres orien- tées radialement vers l'extérieur Dans le courant extérieur non turbulent dominent les forces d'entraînement orientées radialement vers l'intérieur en raison du courant dépression- naire Il en résulte dans l'ensemble une action de forces agissant du centre vers l'extérieur ainsi que du bord extérieur du tourbillon vers l'intérieur en direction d'une zone de mélange médiane annulaire située entre le courant rotationnel et le courant non turbulent, dans laquelle sont poussées essentiellement les particules de forte masse, c'est-à-dire les particules de carburant Le dispositif d'allumage est situé dans cette zone de mélange Il en résulte un effet de charges stratifiées qui est obtenu sans éléments de construc- tion supplémentaires, par la seule configuration selon l'inven- tion de la chambre de combustion La réalisation à symétrie de révolution de la chambre de combustion facilite sa fabrica- tion et son dimensionnement Ses dimensions peuvent être res- pectées avec beaucoup plus de précision que si des reliefs et des profils unilatéraux étaient nécessaires. Dans une forme de réalisation préférée de l'invention, le dispositif d'allumage constitué de-deux bougies est placé dans la zone de mélange qui présente une concentration en carburant notablement plus élevée que le reste de la chambre de combustion Après l'allumage du mélange riche qui s'y trou- ve, la totalité de la zone de mélange annulaire s'allume très vite A partir de cette zone, le front de flammes se propage radialement vers l'extérieur et vers l'intérieur et saisit la totalité de la chambre de combustion à symétrie de révolution concentrique à la zone de mélange. Comme le montre la théorie, le diamètre moyen de la zone de mélange dépend de la vitesse de tourbillonnement, qui à son tour est une fonction de la vitesse du piston, donc de la vitesse de rotation du moteur Pour tenir compte de cet état de choses, dans un autre développement de l'invention, les deux bougies sont disposées de telle sorte que leurs électrodes d'allumage soient radialement distantes du milieu de l'axe du piston, et de la zone de mél-ange, d'une distance différente Pour une vitesse de piston moyenne, l'une se trouve sur le rayon extérieur, l'autre sur le rayon intérieur de la zone de mélange Lorsque le diamètre moyen de la zone de mélange augmente en même temps que diminue la vitesse du moteur, l'une des bougies avance dans la zone de mélange; lorsque le diamètre de la zone de mélange diminue, elle est totalement saisie par l'autre bougie On conserve ainsi les avantages de la charge stratifiée sur toute la plage de vi- tesses Si pour des raisons de sécurité il faut par exemple deux bougies comme dans les moteurs d'avions, cet avantage est obtenu sans dépense de construction supplémentaire Le montage de deux bougies présente en outre l'avantage que lors de leur allumage, les trajets des flammes aux surfaces d'écrasement associées sont de même longueur, ce qui favorise une propagation uniforme des flammes dans toute la chambre de combustion. Lors de la course de détente du piston, le tourbil- lon fermé sur lui-même se désagrège; toutefois, il reste aussi bien dans la zone supérieure de la culasse que dans la cuvette du piston des tourbillons résiduels qui saisissent le mélange qui pénètre à nouveau dans la chambre de combustion. Lors de la course de compression, ces tourbillons résiduels se réunissent à nouveau avec le courant rotationnel fermé sur lui-même. Le dimensionnement et l'agencement de la chambre de combustion à l'intérieur du moteur à combustion interne sont représentés sur les Fig 1 à 4, dans lesquelles La Fig l est une coupe transversale de la chambre de combustion; La Fig 2 est une vue de dessus de la surface de fond de la culasse selon la Fig l; La Fig 3 est une coupe selon la ligne III-III de la Fig 2; La Fig 4 est une coupe selon la ligne IV-IV de la Fig 2; et Les Fig 5 et 6 représentent schématiquement dans une une chambre cylindrique, un courant rotationel turbulent puis non turbulent. Dans le bloc de culasse 1 d'un moteur à combustion interne à piston est guidé longitudinalement un piston 2 ayant une surface frontale sphérique 3 Au centre du fond du piston est usinée une cuvette 4 qui constitue avec la paroi intérieure de la culasse 6 bombée vers le haut une chambre de combustion lenticulaire qui se trouve, moitié dans le piston et moitié dans la culasse A la chambre de combustion se raccordent des surfaces d'écrasement 7 qui en font le tour extérieurement et sont symétriques par rapport à l'axe de piston 2 ' Sur les coupes transversales selon les Fig 3 et 4 selon les lignes III-III et IV-IV de la Fig 2, la surface d'écrasement équivaut environ à 8 % de la surface de la chambre de combustion La soupape d'admission 8 fait un angle de 250, la soupape d'échap- pement 9 un angle de 30 avec l'axe de piston 2 ' La cuvette 4 du piston 2 se raccorde par un arc aux surfaces d'écrasement 7 (vu en coupe), l'axe 8 ' de la soupape d'admission 8 coupant le bord en arc de la cuvette 8 approximativement en son sommet , lorsque le piston est au point mort haut Sur une perpendi- culaire à la ligne 11 reliant les centres 8 " et 9 " de la soupape d'admission et de la soupape d'échappement sont vissées de cha- que côté, dans la culasse, des bougies 12 et 13 qui font cha- cune un angle de 28 avec l'axe de piston 2 ' Leurs électrodes d'allumage 12 ' et 13 ' pénètrent dans la zone de mélange 14 d'un courant rotatif se formant dans la chambre de combustion, qui est constitué par un courant non turbulent 15 et d'un cou- rant rotationnel 16 concentrique à ce dernier tournant dans le même sens, mais progressant en sens inverse Un tel courant rotatif est représenté sur la Fig 5 pour une enceinte cylin- drique Si l'enceinte, comme dans le cas présent, est une chambre de combustion en forme de lentille, le contour du cou- rant non turbulent sera déformé de façon correspondante en forme de lentille Le courant rotationnel reste sensiblement cylindrique Comme le montre la Fig 6, les particules lourde du courant, c'est-à-dire dans un mélange carburant-air les particules de carburant, se déplacent de l'intérieur et de l'extérieur vers la zone de mélange annulaire médiane 14, qui en conséquence, a une concentration en carburant beaucoup plu élevée que le reste de la chambre de combustion Etant donné que des électrodes d'allumage 12 ' et 13 ' sont placées dans cette zone de mélange riche, l'allumage est assuré même si le moteur fonctionne avec un mélange relativement pauvre Le cou rant tourbillonnaire circulant uniformément dans la chambre d combustion symétrique en rotation fait se propager le front d flammes uniformément après l'allumage et procure une combus- tion plus complète que dans les moteurs à combustion interne antérieurs. REVENDICATIONS 1. Chambre de combustion d'un moteur à combustion interne à pistons, située partie dans le piston, partie dans la culasse, une cuvette centrale étant usinée dans la surface frontale du piston, laquelle procure avec la paroi de culasse bombée vers le haut et située au-dessus de la cuvette une chambre de combustion à symétrie de révolution, qui comporte une soupape d'admission et une soupape d'échappement ainsi qu'un dispositif d'allumage, caractérisée par le fait que le dimensionnement et l'agencement appropriés de la chambre de combustion par rapport à la soupape d'admission ( 8) et à la soupape d'échappement ( 9) faisant un angle aigu avec l'axe ( 2 ') du piston, favorisent la formation dans cette chambre de combustion, d'un écoulement tourbillonnaire fermé sur lui-même, constitué par un courant extérieur non turbulent ( 15) et par un courant rotationnel intérieur concentrique à ce dernier ( 16), et que le dispositif d'allumage ( 12 ') est placé dans la zone de mélange ( 14) à haute teneur en carburant située entre le courant rotationnel ( 16) et le courant non turbulent ( 15). 2 Chambre de combustion selon la revendication 1, caractérisée par le fait qu'on utilise comme dispositif d'allu- mage deux bougies ( 12, 13) dont les électrodes d'allumage ( 12 ', 13 '), diamétralement opposées, s'avancent dans la zone de mélange ( 14) annulaire. 3 Chambre de combustion selon la revendication 2, caractérisée par le fait que les électrodes d'allumage ( 12 ', 13 ') sont à des distances différentes de l'axe ( 2 ') du piston, de sorte qu'elles sont utilisées à des points différents de l'étendue radiale de la zone de mélange ( 14). 4 Chambre de combustion selon la revendication 3, caractérisée par le fait que, pour une vitesse moyenne du pis- ton, l'une des électrodes ( 12 ') est située sur le bord inté- rieur de la zone de mélange ( 14) et l'autre électrode ( 13 ') sur le bord extérieur. 5 Chambre de combustion selon l'une quelconque des revendica- tions 2-à 4, caractérisée par le fait que les électrodes d'allumage ( 12 ', 13 ') allument successivement à un faible intervalle de temps. 6. Chambre de combustion selon la revendication 2, caractérisée par le fait que les bougies d'allumage ( 12, 13) sont disposées à peu près sur une perpendiculaire à la ligne ( 11) reliant les centres ( 8 ', 9 ') des axes de la soupape d'admission ( 8) et de la soupape d'échappement ( 9). 7. Chambre de combustion selon la revendication 1, caractérisée par le fait qu'entre le piston ( 2) et la culasse ( 6) se trouvent des surfaces d'écrasement ( 7) incurvées en forme de sphère, qui sont de forme identique et sont symétri- ques par rapport à l'axe de piston ( 2 '). 8. Chambre de combustion selon l'ensemble des reven- dications 1 et 7, caractérisée par le fait que la cuvette ( 4) du piston ( 2) se raccorde (vu en coupe) par un arc aux sur- faces d'écrasement ( 7) et s'étend radialement suffisamment loin pour que le sommet ( 10) de l'arc, au point mort haut du piston, se trouve approximativement sur l'axe ( 8 ') de la sou- pape d'admission.