Brevet FR2537651A1 — publié le 19840615

* 1 - La présente invention se rapporte à un moteur à combustion interne, à compression d'air et allumage indé- pendant, avec injection directe du carburant au moyen d'un jet, en majeure partie sur la paroi de la chambre de com- bustion en forme de corps de révolution prévue dans le piston, moteur dans lequel l'air affluant est animé par des moyens connus d'un tel mouvement de rotation en direc- tion du jet de carburant injecté qu'il en résulte que le carburant à l'état de vapeur est peu à peu détaché de la paroi de la chambre de combustion et mélangé avec l'air, tandis que l'injecteur se trouve dans la tête du cylindre au voisinage du corps de la chambre de combustion et tan- dis que l'allumeur disposé en regard de l'injecteur, à la position de point mort haut du piston, plonge dans la chambre de combustion. Un moteur à combustion interne de ce genre est connu d'après le brevet allemand 1 576 020. Dans les moteurs à combustion interne, dans les- quels la formation du mélange s'effectue principalement par étalement du carburant sur les parois, le mouvement de l'air dans la chambre de combustion remplit une dou- ble fonction importante; il doit assurer, en premier lieu, un détachement suffisamment rapide et efficace du carburant déposé sur la paroi de la chambre de combus- tion et, en second lieu, un mélange subséquent du car- burant avec l'air Le mouvement de l'air est créé, à cet effet, par deux mesures: par la rotation précitée de l'air de combustion autour de l'axe longitudinal de la chambre de combustion, rotation qui se produit pendant la course d'admission, et par l'écoulement laminaire qui se produit lors de l'afflux de l'air dans la cham- bre de combustion (pendant la course de compression). Dans ce contexte, le mouvement de rotation à symétrie axiale pour le détachement du carburant injecté est, bien entendu, particulièrement approprié Cela permet -2- d'atteindre de grandes vitesses de l'air avec une plus longue durée d'action, car l'air n'est pas immobilisé par le processus de combustion et le mouvement de dé- tente des gaz Mais en revanche, un écoulement lami- naire trop fort ou son action se sont avérés désavan- tageux En effet, du fait que la vitesse de l'écoulement laminaire et, par conséquent, également de celles des composantes de l'écoulement turbulent résultant qui sont orientées au voisinage de la paroi vers l'orifice de la chambre de combustion, augmente plus rapidement lorsque le piston se rapproche du point mort haut que la vitesse de l'écoulement turbulent pur accéléré par le décalage de la charge dans la chambre de combustion-du piston et, par conséquent, des composantes de ce dernier écoulement s'étendant tangentiellement dans un plan de référence horizontal, la direction de l'écoulement résultant au voisinage de la paroi varie fortement le long de la course du piston Cela conduit, dans des moteurs à combustion interne et allumage indépendant à ce résultat que le problème du maintien de la concentration de la vapeur de carburant sur la portée de l'étincelle ou distance explosive pendant les éclatements d'étincelles, entre les limites d'allumage, est difficile à résoudre car, non seulement une concordance temporelle, mais encore une concordance spatiale entre l'alimentation en mélange et les éclatements d'étincelles doivent être assurées Ces difficicultés entraînaient,-avec la disposition en opposition de l'injecteur et de l'allu- meur, la nécessité de faire pénétrer l'électrode ou les électrodes relativement profondément dans la chambre de combustion afin que l'étincelle jaillissante puisse se chercher l'emplacement o existe la composition de mélange la plus favorable En outre, on a également proposé de prévoir au voisinage de l'électrode ou des électrodes, dans la paroi de la chambre de combustion, -3 - un bord de retenue, ou de canaliser la pellicule de carburant au moyen d'une rigole d'admission, moyennant quoi on a pu obtenir (au voisinage des électrodes) une certaine accumulation de carburant. En raison de l'effet de cyclone du courant turbulent, qui maintient le carburant qui se vaporise à partir de la pellicule déposée sur la paroi dans une zone voisine de la paroi de la chambre de combustion aux environs de l'équateur de celle-ci, il est univer- sellement usuel ou nécessaire de décaler la distance explosive des électrodes précisément dans cette région. Il en résultait, avec les chambres de combustion jusqu'à présent utilisée, qui sont grossièrement sphériques selon le moteur réalisé, des longueurs d'électrodes comprises entre 20 et 25 mm. Toutefois, une telle longueur d'électrodes entraîne quelques inconvénients importants pour la sécurité de fonctionnement et la durabilité Tout d'abord, il existe un risque pour que les électrodes sous l'effet-de tensions thermiques non stationnaires et des vibrations subies par l'écoulement puissent se rompre, ce qui en raison du faible espacement entre le fond du piston et la tête du cylindre peut conduire à un endommagement de la surface de glissement du piston et finalement à la destruction du moteur Un autre inconvénient de la grande longueur réside en ce qu'il peut se produire, sous l'influence de la température, des déformations rendant ipossible le maintien du faible écartement des électrodes, de 0,1 à 0,5 mm, nécessaire en raison de la forte compression Par suite du rapport défavorable entre la section droite et la superficie dans des électrodes longues et en raison de l'énergie d'allumage relativement élevée nécessaire pour des raisons d'incertitude lors de l'alimentation en mélange (en raison des fluctuations -4 de l'écoulement), il en résulte également de grandes vitesses d'usure qui réduisent inutilement l'intervalle des entretiens d'un véhicule. Il est également désavantageux de prévoir, dans la paroi de la chambre de combustion, un bord de retenue ou une rigole d'admission, car de telles mesures en tant qu'usinage supplémentaire augmentent le coût du piston. En outre, les effets de ces mesures, lors d'une exploita- tion relativement longue avec du carburant non absolument pur, sont limités ou même supprimés, car ces impuretés peuvent se déposer sur la paroi de la chambre de com- bustion et former des couches d'épaisseur croissante qui modifient si profondément la configuration du bord de retenue ou de la rigole d'admission qu'un allumage certain n'est plus assuré. Avec les taux de compression élevés nécessaires du point de vue du rendement interne et de la qualité des gaz d'échappement, taux qui sont d'ailleurs réalisés dans la pratique et qui sont de l'ordre de 16 à 18, et avec le diamètre de la chambre de combustion par conséquent rela- tivement petit, on a en règle générale, dans l'état de la technique mentionnée au début du présent préambule, dis- posé la chambre de combustion de façon excentrée en direc- tion de la bougie, car celle-ci, en raison de la présence des soupapes, est disposée à une distance déterminée du milieu du cylindre mais, en raison du principe de la stratification de la charge doit être situé à la péri- phérie de la chambre de combustion Le diamètre relati- vement petit de la chambre de combustion et le décalage de celle-ci vers la bougie exigent un bec d'injecteur particulièrement long, qui peut conduire à des pertur- bations de l'écoulement turbulent et, par voie de con- séquence, à des difficultés d'allumage. Le diamètre-relativement petit de la chambre de combustion, ou plus précisément le diamètre relativement 2537651; -5- petit de-l'orifice de la chambre de combustion, entraîne un autre inconvénient résidant en ce que le fort écoule- ment laminaire entrant combiné avec les parcours d'écou- lement relativement longs jusqu'aux segments du piston jouant le rôle de dissipateur de chaleur, conduit à des charges thermiques élevées sur le bord de la chambre de combustion. La tige de soupape également est soumise à une chaleur plus grande due à l'écoulement laminaire. La présente invention a pour objet d'atténuer ou même d'éliminer complètement les points faibles mentionnés dans leur effet désavantageux, le but étant, dans un moteur à combustion interne du type 3 écrit ci- dessus, d'égaliser l'écoulement fortement variable au voisinage de la paroi, de réduire l'usure de l'allumeur et, sans frais supplémentaires de constructions impor- tants, d'assurer dans tous les domaines de fonctionne- ment un allumage absolument certain et une combustion optimale du mélange préparé et, par conséquent, l'ob- tention des meilleures caractéristiques possibles du moteur. A cet effet, suivant l'invention, la paroi latérale de la chambre de combustion (vue en coupe transversale) est formée de deux lignes incurvées se raccordant entre elles, tandis que la première ligne incurvée, qui a le plus petit rayon de courbure, s'étend à partir d'un orifice de chambre de combustion étranglé jusqu'au plus grand diamètre de la chambre de combustion et tandis que la seconde ligne incurvée, qui a le plus grand rayon de courbure, s'étend jusqu'au fond de la chambre de combustion réalisé sous une forme essen- tiellement plate ou se raccorde à ce fond; le plus grand diamètre de la chambre de combustion-DB est compris entre 0,5 et 0,7 fois le diamètre du piston DK et (à partir du fond du piston) se trouve à une profondeur t D comprise 2537651; -6- entre 0,3 et 0,4 fois la profondeur de la chambre de combustion TB; enfin, le plus petit rayon de courbure R 1 des parois latérales de la chambre de combustion a une longueur de 0,2 à 0,3 TB, cependant que le plus grand R 2 présente une longueur de 0,5 à 0,75 TBI tandis que le rapport entre le diamètre d H de l'orifice de la chambre de combustion et le plus grand diamètre DB de celle-ci est compris entre 0,85 et 0,95 et la hauteur de paroi t H de l'orifice de la chambre de combustion entre 0,1 et 0,15 TB. Avec la forme de chambre de combustion proposée suivant l'invention, on obtient les résultats suivants: la vapeur de carburant est plus fortement concentrée que jusqu'à présent dans une zone déterminée, par la forte courbure de la paroi latérale de la chambre de combus- tion au voisinage de -son plus grand diamètre Cette zone est située au voisinage de l'orifice-de la chambre de combustion; ainsi, une alimentation irréprochable même d'électrodes relativement courtes en mélange inflammable est assurée On peut en conséquence raccourcir considéra- blement les bougies d'allumage à vis munies de plusieurs électrodes en baguette utilisées jusqu'à maintenant, de sorte qu'on obtient des longueurs de plongée (à la posi- tionde point mort haut du piston) inférieures à 12 mm,. ou même que l'on peut utiliser les bougies usuelles à électrodes à crochet usuelles dans les moteurs à carbu- rateur pour voitures particulières Même l'utilisation d'une bougie à incandescence n'est pas à exclure. Grâce à l'augmentation du plus grand diamètre de la chambre de combustion ou du diamètre de l'orifice de celle-ci (par rapport à sa profondeur), le reste de la surface du fond du piston et, par conséquent, la longueur de parcours essentiellement radiale pour la formation de l'écoulement laminaire sont réduites Outre la tranquillisation de l'écoulement au voisinage de la -7 paroi qui en résulte, la réduction de la vitesse d'écou- lement laminaire réduit également la charge thermique de l'orifice de la chambre de combustion, qui bien entendu, grâce à la distance nettement moins grande à la partie segments du piston, est déjà réduite et la charge ther- mique de la tige de soupape se trouve également réduite. L'augmentation du diamètre de la chambre de combustion offre également cet avantage que, de cette manière, le degré d'utilisation de l'air est amélioré, car la frac- tion de l'air frais comprise entre le fond du piston et la tête du cylindre qui, comme le montre l'expérience, ne participe qu'incomplètement à la combustion,est ré- duite Enfin, avec l'agrandissement de la chambre de combustion, le côté de l'orifice de celle-ci situé en regard de la bougie se rapproche de l'injecteur, moyen- nant quoi le bec de l'injecteur dans le piston peut être raccourci ou même complètement supprimé. Grâce à la plus forte concentration du mélange vapeur-air au voisinage du plus grand diamètre de la chambre de combustion, l'alimentation sans perturbation d'une distance explosive se trouvant à cet emplacement en mélange inflammable est facilitée, ce qui rend inu- tile l'utilisation, par exemple, d'une rigole d'admis- sion, dont le rôle est d'amener en effet le carburant liquide devant la distance explosive Cette améliora- tion ainsi obtenue de l'empilage de charge périphérique permet également une réduction de l'énergie d'allumage nécessaire, car on obtient ainsi une concentration de vapeur de carburant locale plus forte, concentration qui, on le sait, est en effet proportionnelle à la tension d'ionisation et également à la durée de l'étin- celle. Comme décrit précédemment, grâce à la faible distance entre le plus grand diamètre de la chambre de combustion et l'orifice de celle-ci seules des électrodes 8- courtes sont nécessaires Ces électrodes courtes offrent l'avantage d'une plus grande durabilité car, ne serait-ce qu'en raison d'un mouvement de l'air plus faible mainte- nant obtenu, elles restent plus froides Ce fait permet également d'augmenter le taux de compression davantage, c'est-à-dire au-dessus du chiffre de 18 antérieur sans avoir à supporter, en raison du niveau de température et de pression résultants dans le cylindre et, par consé- quent, de la contrainte thermique des électrodes de la bougies, des vitesses d'usure inadmissiblement élevées. L'utilisation de la chambre de combustion pro- posée est particulièrement favorable pour le cas consi- déré ici d'un moteur à allumage indépendant,,car, juste- ment, les carburants qui, significativement; exigent un allumage indépendant (par exemple le méthanol) présentent un bas point d'ébullition ou de basses phases d'ébulli- tion en tant que carburants Diesel et, par conséquent, le ralentissement de l'écoulement turbulent au voisinage du plus grand diamètre de la chambre de combustion par rapport à une chambre de combustion de forme sphérique de diamètre beaucoup plus petit est compensé dans son effet sur la vitesse de formation du mélange Toutefois, même des moteurs fonctionnant avec du carburant Diesel peuvent profiter de la configuration de chambre de combustion suivant l'invention, par exemple pour éviter les inconvénients du long bec d'injecteur ou des charges thermiques élevées de la forme de chambre de combustion jusqu'à présent grossièrement sphérique. Suivant une autre forme d'exécution de l'in- vention, il est avantageux de réaliser la partie cen- trale du fond de la chambre de combustion (comme il est connu en soi) à la manière d'un bombement en forme de dôme L'air qui autrement se trouvait à cet emplacement (avec une configuration plate du fond) est ainsi amené plus près de la combustion qui part de la paroi. _ 9- Grâce à la plus petite profondeur de la chambre de combustion, ou en d'autres termes, grâce au plus grand diamètre de celle-ci ou au plus grand diamètre de son orifice, le jet de carburant peut être injecté avec une plus faible pente Le jet de carburant fait alors avec un plan perpendiculaire à l'axe du cylindre un angle de à 150 L'injection s'effectue de telle manière au-dessous du fond du piston. Le jet géométrique de carburant vient s'appliquer (vu en direction de la rotation de l'air), à partir de l'allumeur plongé dans la chambre de combustion, sur la paroi de celle-ci Afin qu'on obtienne avec certitude un mélange bien inflammable ou afin que le point d'impact du jet soit amené suffisamment près de la zone des élec- trodes, il s'est avéré avantageux que l'angle au centre entre le point d'impact du jet de carburant et le centre de l'allumeur, projeté dans un plan perpendiculaire à l'axe longitudinal de la chambre de combustion, soit compris entre 15 et 45 . -10 L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui suit et à l'examen du dessin joint qui en représente, à titre d'exemple non limitatif, une forme d'exécution. Sur ce dessin - La Figure 1 est une vue en coupe longitudinale suivant la ligne I-I de la Figure 2 à travers la partie supérieure d'un piston comportant une chambre de combus- tion et un jet de carburant suivant l'invention; et La Figure 2 est une vue de dessus du piston suivant la ligne II-II de la Figure 1. Sur les Figures, on peut voir que, dans le fond la d'un piston 1, est disposée centralement une chambre de combustion 3 munie d'un orifice 3 a étranglé Le car- burant liquide est injecté à partir d'un injecteur 8 qui n'est pas représenté en détail, disposé de façon excen- trée dans la tête de cylindre 2, à un instant approprié compte tenu du type de conditions de fonctionnement et des caractéristiques du carburant (point d'ébullition et facilité d'inflammation) sous la forme d'un seul jet 9 dans la chambre de combustion 3 en direction de l'air de combustion tournoyant 12 Le point d'impact du jet de carburant sur la paroi 4 de la chambre de combustion est situé, en position de point mort haut du piston, au-dessous du plus grand diamètre DB de la chambre de combustion, et est désigné par la référence 9 a Le point de projection de jet 8 a de l'injecteur 8 se trouve en outre au voisinage du bord de l'orifice de la chambre de combustion. A l'opposé du point de projection de jet 8 a est prévu un évidement (alvéole) 10 creusé dnas le fond la du piston ou dans la paroi 4 de la chambre de combustion, alvéole dans lequel, à la position de point mort haut du piston 1, plonge un allumeur 11, qui est également disposé dans la tête de cylindre 2 L'allumeur est constitué, par exemple, par plusieurs électrodes en baguettes, dans il l'exemple décrit par une électrode centrale 13 et par trois électrodes séparées 14 a,14 b,14 c disposées autour de cette électrode centrale 13 Toutefois, comme bougie d'allumage, on peut également utiliser une bougie à électrodes à crochet usuelle dans les moteurs Otto pour voitures particulières En outre, l'utilisation d'une bougie à incandescence n'est pas à exclure O La paroi latérale 4 de la chambre de combustion 3 est formée, suivant l'invention, de deux lignes incur- vées 5,6 se raccordant l'une à l'autre, la première ligne incurvée 5, qui présente le plus petit rayon de courbure RI, s'étendant depuis l'orifice étranglé 3 a de lachambre de combustion jusqu'au plus grand diamètre-D de celle-ci et la seconde ligne incurvée 6, qui présenter le'plus grand rayon de courbure R 2, s'étendant jusqu'au fond 7 de la chambre de combustion réalisé sous une forme essentielle- ment plate, ou se raccordant avec ce fond, tandis que ledit fond 7 de la chambre de combustion peut également présenter un bombement dans sa partie centrale Le plus grand diamètre DB de la chambre de combustion, dans le plan horizontal duquel sont également situés les centres a,6 a des lignes incurvées 5,6, est en outre compris en- tre 0,5 et 0,7 fois le diamètre DK du piston et se trouve, en partant du fond la de ce dernier, à une profondeur t D comprise entre 0,3 et 0,4 fois la profondeur T B de la chambre de combustion Le plus petit rayon de courbure R 1 de la paroi latérale 4 de la-chambre de combustion présente en outre une longueur comprise entre 0,2 et 0,3 TB et le plus grand rayon de courbure R 2, une lon- geur de 0,5 à 0,75 T Enfin, le diamètre d de l'ori- B' H fice étranglé 3 a de la chambre de combustion est compris entre 0,85 et 0, 95 DBI tandis que la hauteur de paroi de cet orifice est comprise entre 0, 1 et 0,15 T B Le point d'impact 9 a du jet de carburant-9 sur la paroi 4 de la chambre de combustion est situé, en 12 - position de point mort haut du piston 1, à une distance a, comprise entre 40 et 60 % de la profondeur de la chambre de combustion, au-dessous du fond la du piston. En outre, ledit point d'impact fait avec le centre de l'électrode 13 de l'allumeur 11, en projection dans un plan perpendiculaire à l'axe x de la chambre de com- bustion, un angle au centre a de 15 à 45 '. Sur la Figure 2 est par ailleurs représentée, sur une vue de profil, la grandeur réelle de l'angle S que le jet de carburant 9 fait avec un plan perpendicu- laire à l'axe x du cylindre, la droite 15 représentant le plan perpendiculaire à l'axe x du cylindre, et l'in- tervalle 16, la distance entre le point d'origine 8 a du jet et le point d'impact 9 a de celui-ci, la repré- sentation étant faite en direction de l'axe x du cylindre. Comme on peut encore le voir d'après la Figure 2, il n'est pas indispensable pour des points de vue constructifs que le point de projection de jet 8 a, d'une part, et l'allumeur, d'autre part, soient exactement diamétralement opposés et ils peuvent être disposés également avec un léger décalage par rapport au milieu de la chambre de combustion (milieu du piston) Il serait également possible de disposer la chambre de combustion elle-même de façon légèrement excentrée si, également pour des raisons constructives, la distance entre l'allumeur et le milieu du cylindre doit être, dans certains cas, légèrement plus grande qu'avec une chambre de combustion centrale Alors dans l'exemple considéré, grâce au plus grand diamètre de la chambre de combustion, on peut néanmoins renoncer à un bec d'injecteur. 13 - REVENDICATIONS 1 Moteur à combustion interne, à compression d'air et allumage indépendants avec injection directe de carburant au moyen d'un jet, en majeure partie sur la paroi de la chambre de combustion en forme de corps de révolu- tion prévue dans le piston, moteur dans lequel l'air affluant est animé par des moyens connus d'un tel mouvement de rota- tion en direction du jet de carburant injecté qu'il en résul- te que le carburant à l'état de vapeur est peu à peu détaché de la paroi de la chambre de combustion et mélangé avec l'air tandis que l'injecteur se trouve dans la tête du cylindre au voisinage du corps de la chambre de combustion et tandis que l'allumeur disposé en regard de l'injecteur, & la position de point mort haut du piston, plonge dans la chambre de com- bustion, ledit moteur à combustion interne étant caractérisé en ce que la paroi latérale ( 4) de la chambre de combustion ( 3) vue en coupe transversale est formée de deux lignes incurvées ( 5, 6) se raccordant l'une a l'autre, la première ligne incurvée ( 5), qui présente le plus petit rayon de courbure (R 1), s'étendant à partir d'un orifice étranglé ( 3 a) de la chambre de combustion jusqu'au plus grand dia- mètre (DB) de celle-ci, et la seconde ligne incurvée ( 6), qui présente le plus grand rayon de courbure (R 2), S 'étendant jusqu'au fond ( 7) de la chambre de combustion réalisé sous une forme essentiellement plate ou se raccordant à ce fond, en ce que le plus grand diamètre (DB)de la chambre de combustion est compris entre 0,5 et 0,7 fois le diamètre (DK) du pis- ton et à partir du fond (la) du piston se trouve à une profondeur (t D) comprise entre 0,3 et 0,4 fois la profon- deur (TB) de la chambre de combustion, et en ce que le plus petit rayon de courbure (R 1) de la paroi latérale ( 4) de la chambre de combustion présente une longueur de 0,2 à 0,3 TB, mais le plus grand rayon de courbure (R 2), une longueur de 0,5 à 0,75 TE, tandis que le rapport entre le diamètre (d H) 14 - de l'orifice de la chambre de combustion et le plus grand diamètre (DB) de celle-ci est compris entre 0,85 et 0,95, et la hauteur de paroi (te) de l'orifice ( 3 a) de la chambre de combustion, entre 0,1 et 0,15 TB. 2 Moteur à combustion interne, à compression d'air et allumage indépendant, suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la partie centrale du fond ( 7) de la chambre de combustion (comme il est connu en soi) présente un bombement en forme de dame. 3 Moteur à combustion interne, à compression d'air et allumage indépendant, suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le jet de carburant ( 9) fait avec un plan perpendiculaire à l'axe (x) du cylindreun angle (p) de 10 à 150, tandis que le point d'impact ( 9 a) du jet de carburant géométrique ( 9) sur la paroi ( 4) de la chambre de combustion, en position de point mort du piston ( 1), se trouve à une distance (a) comprise entre 40 et 60 % de la profondeur (TB) de la chambre de combustion au-dessous du fond (la) du piston. 4 Moteur à combustion interne, à compression d'air et allumage indépendant, suivant l'une des revendica- tions l à 3, caractérisé en ce que l'angle au centre (i) entre le point d'impact ( 9 a) du jet de carburant et le cen- tre de l'allumeur ( 11) (projeté dans un plan perpendicu- laire à l'axe longitudinal (x) de la chambre de combustion) est compris entre 15 et 45 . Moteur à combustion interne, à compression d'air et allumage indépendant, suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'allumeur est constitué par des électrodes en baguettes parallèles entre elles. 6 Moteur à combustion interne, à compression d'air et allumage indépendant, suivant l'une des revendica- tions 1 et 5, caractérisé en ce que l'électrode en baguette - ( 14) formant l'un des pôles de l'allumeur est constituée par plusieurs électrodes partielles ( 14 a, 14 b, 14 c) dispo- sées autour de l'électrode en baguette ( 13) formant l'autre pble. 7 Moteur a combustion interne, à compression d'air et allumage indépendant, suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'allumeur est constitué par une bougie d'allumage comportant une ou plusieurs électrodes à crochet. 8 Moteur à combustion interne, à compression d'air et allumage indépendant, suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'on utilise comme allumeur une bougie à incandescence. 9 Moteur à combustion interne, à compression d'air et allumage indépendant, suivant l'une des revendi- cations 1 à 8, caractérisé en ce que la longueur de la par- tie de l'allumeur qui, dans la position de point mort haut du piston ( 1), pénètre dans la chambre de combustion ( 3) est inférieur à 12 mme.