Brevet FR2594485A1 — publié le 19870821

La présente invention concerne les moteurs à combustion interne et a notamment pour objet un moteur Diesel Il est plus avantageux d'utiliser la présente invention comme groupe d'entraînement des engins agricoles et routiers, des véhicules automobiles et de petits groupes électrogènes. La crise énergétique mondiale a obligé à résoudre, à l'heure actuelle, le problème de la réduction de la consommation de conmbustible et d'-électricité. Cette réduction peut être obtenue soit par une baisse de la consommation spécifique de combustible pour une même puissance, soit en gardant la même consommation spécifique de combustible et en augmentant la puissance par litre de cylindrée. La solution du problème impose de perfectionner le cycle de fonctionnement des moteurs à combustion interne et dépend, en premier lieu, de la quantité de mélange formé. A ce point de vue, les moteurs à chambre de combustion à gorge dans le piston se montrent les plus efficaces. Dans ces moteurs, les canaux d'admission ont une faible résistance hydraulique, et une violente turbulence toroidale dans la chambre de combustion est obtenue au temps de compression lorsque le piston se trouve au voisinage du point mort haut et l'air de l'espace au-dessus du piston est comprimé, à travers la gorge, vers la chambre de combustion. Dans ces moteurs, il est avantageux de disposer l'injecteur dans l'axe de la chambre de combustion.Ceci permet d'obtenir une bonne formation du melange, ce qui s'explique par la longueur égale et la répartion régulière des jets de combustible dans la chambre suivant sa section transversale. Cependant, les moteurs utilisés, par exemple, sur les engins agricoles et routiers, les véhicules automobiles et les petits groupes électrogènes ont des cylindres dont les diamètres sont de l'ordre de 100 à 130 mm. En vue d'améliorer l'échange gazeux dans de tels moteurs, leurs soupapes d'admission et d'échappement ont des diamètres les plus grands possibles. Aussi, la disposition de l'injecteur d'un tel moteur coaxialement à la chambre de combustion créé-t-elle des problèmes et, pour cette raison, le moteur est monté incliné par rapport à l'axe longitudinal de la chambre de combustion et est décalé par rapport au centre de la gorge de la chambre de combustion. Lorsque l'injecteur est disposé de la maniera mentionnée par rapport à la chambre de combustion, la qualité de la formation du mélange et l'efficacité du cycle de fonctionnement dépendent dans une grande mesure de l'orientation des jets de combustible par rapport à la chambre de combustion, permettant d'exploiter plus pleinement la charge d'air contenue dans la chambre de combustion et dans l'espace au-dessus du piston. On connaît un moteur Diesel (voir l'ouvrage "Cycle de fonctionnement des moteurs Diesel à chambre de combustion dans le piston" par N.N. Ivanchenko et ait., Léningrad, Editions "Mashinostroenle", 1972, page ive3) comprenant un cylindre abritant un piston à chambre de combustion toroïdale à gorge pouvant effectuer un mouvement de va-et-vient et une culasse avec une soupape d'admission et une soupape d'échappement. Le plan-de chacun des plateaux de soupape se situe au niveau de la surface de la culasse qui est orientée vers la chambre de combustion. Dans ce moteur, la course des soupapes est insuffisante parce qu'elle est réduite pour éviter les chocs entre eux et le fond du piston, ce qui nuit à l'échange gazeux dans le cylindre. La culasse comporte un injecteur à pulvérisateur à trous multiples. Dans le plan vertical, l'axe longitudinal du pulvérisateur fait un angle aigu avec l'axe vertical de la chambre de combustion. Dans le moteur Diesel considéré, la formation du mélange s'effectue tant en volume qu'en pellicule. La formation du mélange en volume s'effectue principalement pendant que les jets de combustible traversent distance séparant le bec du pulvérisateur d'avec la paroi de la chambre de combustion. Pour que la formation du mélange en pellicule soit efficace, le jet de combustible doit être projeté contre la surface latérale de la chambre de combustion, qui a la température requise et est balayée par une violente turbulence de l'air. Dans la chambre de combustion, ces conditions sont créees dans-la zone située près du bord de la gorge. De ce fait, les axes des trous du pulvérisateur sont orientés dans le plan vertical de façon que les jets de combustible dirigés vers la zone au-dessous de la gorge de la chambre de combustion, le piston étant dans la zone du point mort haut, passent à proximité de la surface de combustion de la culasse. Une telle réalisation de la culasse et la disposition des jets de combustible sont nuisibles à la formation du mélange du fait que les jets de combustible ne sont pas balayés par l'air du côté de la culasse qui est orientée vers la chambre de combustion. On sait que la qualité de la formation du mélange est le principal facteur déterminant la puissance et le fonctionnement économique du moteur. Pendant le trajet du jet de combustible passant à proximité de la surface de la combustion de la culasse, l'air contenu dans l'espace au-dessus de piston ne participe pratiquement pas à la formation du mélange, ce qui est influe d'une manière défavorable sur les caractéristiques de démarrage du moteur Diesel, ainsi que ses caractéristiques de puissance et ses performances économiques. La construction connue décrite est caractérisée par une basse fiabilité de foctionnement du pulvérisateur, qui est due au fait que le bec du pulvérisateur est balayé par les gaz chauds. I1 en résulte la formation, sur les trous de pulvérisation, de coke qui les engorge, ce qui influe défavorablement sur le processus de formation du mélange. Les mesures prises pour améliorer l'échange gazeux dans le cylindre du moteur Diesel ont abouti à la création d'un moteur Diesel d'une autre conception (voir l'ouvrage "Diesels pour tracteurs", Moscou, "Mashinostroenie", 1981, pages 42 et 43). Ce moteur Diesel connu comporte un cylindre dans lequel est logé un piston à chambre de combustion toroïdale à gorge, pouvant effectuer un mouvement de va-et-vient, et une culasse avec une soupape d'admission et une soupape d'échappement. Pour améliorer l'échange gazeux dans le cylindre du moteur, on choisit convenablement la valeur de la course et les angles d'ouverture et de fermeture des soupapes d'admission et d'échappement. Pour éviter les chocs entre les soupapes et le fond du piston aux valeurs choisies des angles, les plateaux de soupapes sont noyés par rapport au plan de la culasse orienté vers la chambre de combustion. A cet effet, ladite surface présente des évidements circui laires pour'les soupapes. Dans la culasse est logé un injecteur à plusieurs trous de pulvérisation. L'axe longitudinal du pulvérisateur contenu dans le plan vertical fait un angle aigu avec l'axe vertical de la chambre de combustion. Lorsque le piston est dans la zone du point mort haut, les axes longitudinaux des trous de pulvérisation intersectent la surface latérale de la chambre de combustion au-dessous du bord de la section d'entrée de la gorge. Pour réduire la température du bec du pulvérisateur, il est disposé hors de la zone balayée par les gaz chauds. Sur la surface de la culasse qui est orientée vers la chambre de combustion, est pratiqué, autour du logement du bec de pulvérisation, un évidement circulaire nécessaire à l'orientation des jets de combustible dans le plan vertical. Cet évidement communique avec les évidements circulaires prévus pour les soupapes et avec la chambre de combustion. Les évidements circulaires augmentent l'espace au-dessus du piston. Cette conception connue de moteur Diesel ne permet pas de tirer pleinement profit de la charge d'air contenue dans les évidements circulaires et, de ce fait, n'assure pas la formation d'un mélange de qualité, ce qui s'explique par le passage de certains jets de combustible à proximité de la surface de combustion de la culasse. Tout cela a un effet négatif sur les caractéiristiques de puissance et les performances économiques du moteur. On s'est donc proposé de créer un moteur Diesel ayant des caractéristiques de puissance et des performances économiques améliorées, dans lequel les trous de pulvérisation de l'injecteur seraient réalisés de manière que les jets de combustible situés dans la zone allant du bec du pulvérisateur à la gorge de la chambre de combustion permettraient d'utiliser dans une plus grande mesure la charge d'air contenue dans l'espace au-dessus du piston et de contribuer ainsi à l'amélioration de la qualité de la formation du mélange. Ce problème est résolu du fait que le moteur Diesel du type comprenant au moins un cylindre dans lequel est logé un piston pouvant effectuer un mouvement de va-et-vient et ayant une chambre de combustion toroïdale à gorge et une culasse avec une soupape d'admission et une soupape d'échappement, culasse ayant sur pa surface orientée vers la chambre de combustion deux évidements circulaires pour les soupapes et un évidement circulaire en communication avec chacun desdits deux évidements et avec la chambre de combustion et prévu pour un injecteur à pulvérisateur comportant des trous multiples et dont la projection horizontale de l'axe longitudinal se situe dans le plan de la section de la gorge, et dont les axes longitudinaux de ses trous de pulvérisation contenus dans le plan vertical passent, lorsque le piston est dans la zone du point mort haut, par la surface latérale de la chambre de combustion au-dessous du bord de la section d'entrée de la gorge, est caractérisé, selon l'invention, en ce que les projections dans un plan horizontal des axes longitudinaux des trous de pulvérisation dans la zone s'étendant du bec du pulvérisateur à la gorge de la chambre de combustion, se situent dans le plan des évidements. Un tel mode de réalisation du moteur Diesel permet d'élever ses caractéristiques de puissance et ses performances économiques grâce à l'amélioration de la qualité de la formation du mélange. Cela s'explique par le fait qu'au temps de compression, lorsque la charge d'air est chassée de l'espace au-dessus du piston, une turbulerce toroidale prend naissance dans la chambre de combustion. Quand le piston se trouve dans la zone du point mort haut, les dimensions de l'espace au-dessus du piston sont réduites à un minimum et l'air est chassé d'une façon intense dans la chambre de combustion du piston. Une portion de la charge d'air se trouve dans les cavités formées par les évidements circulaires. Lors de l'injection du combustible, les jets de combustible,en se propageant du bec du pulvérisateur à la paroi latérale de la chambre de combustion, passent au-dessous desdits évidements. L'air contenu dans les évidements participe à la formation du mélange en agissant sur le jet de combustible se trouvant en face de la surface de combustion de la culasse.Il en résulte une augmentation du coefficient d'excès d'air dans les zones de pulvérulation des jets de combustible, ainsi qu'une augmentation de la part de la formation du mélange en volume, qui a une influence positive sur les caractéristiques de démarrage du moteur. La quantité accrue d'air dans lesdites zones permet d'élever l'économie en combustible du moteur Diesel pour une même puissance, ou bien d'élever la puissance du moteur pour une même consommation de combustible. Il est recommandé que l'angle OC situé dans le plan horizontal et compris entre deux rayons voisins dont chacun relie le centre de la chambre de combustion au point d'intersection de l'axe du trou de pulvérisation avec la surface latérale de la chambre de combustion, soit déterminé conformément à la relation 3600 3600 i+I i-I dans laquelle i est le nombre de trous de pulvérisation du pulvérisateur de l'injecteur. Il est avantageux que le nombre i de trous de pulvérisation soit de 3 à 5. La détermination de l'angle OC à l'aide de la relation indiquée permet de répartir les jets de combustible d'une façon approximativement régulière suivant le plan horizontal de la chambre de combustion, ce qui assure la formation d'un mélange de qualité améliorëe et contribue à une combustion plus complète du combustible et à une réduction de la teneur en oxyde de carbone CO des gaz d'échappement. Un moteur Diesel à quatre cylindres, de cylindrée totale Vh = 4,75 1, conforme à la présente invention, assure, pour une puissance effective N = 61,6kW et une vitesse de e rotation -du vilebrequin n = 2200 tours/min, une réduction de la consommation spécifique effective de 233,5 à 231,8 g/kWh. Quand la consommation spécifique effective de combustible est maintenue au niveau de 233,5 g/kWh, la puissance effective du moteur augmente de 61,6 à 63,2 kW. Pour une vitesse de rotation du vilebrequin n = 1700 tours/min et une puissance effective N = 51 kW, correspondant e au couple maximal fourni par le moteur conforme à l'invention, la consommation spécifique effective de combustible diminue de 4,5 g/kWh, et pour un niveau constant de consommation spécifique effective, la puissance effective du moteur augmente de 2,5 kW. Lors du fonctionnement du moteur Diesel considéré dans toute la plage de charges de ce dernier à une vitesse nominale n de rotation du vilebrequin de 2200 tours/min, on constate une diminution de la teneur en fumées à l'échappement d'environ 5 à 8% d'après l'échelle de Hartridge et une diminution de 8 à 11S de la teneur en oxyde de carbone CO. L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, détails et avantages de celle-ci apparaîtront mieux à la lumière de la description explicative qui va suivre de divers modes de réalisation donnés uniquement à titre d'exemple non limitatif, avec références aux dessins non limitatifs annexés dans lesquels - la figure 1 est une vue schématique d'une partis du moteur Diesel conforme à l'invention (coupe transversale suivant le plan passant par l'axe de l'injecteur) - la figure 2 représente une partie du moteur conforme à l'invention, en coupe longitudinale suivant le plan passant par les axes des soupapes - la. figure 3 est une vue suivant la flèche A de la figure 1. Le moteur Diesel conçu conformément à l'invention et monté par exemple sur un tracteur comporte quatre cylindres 1 (figure 1) abritant chacun un piston 2 pouvant effectuer un mouvement de va-et-vient, et une culasse 3 avec une soupape d'admission 4 (figure 2) et une soupape d'échappement 5. Chacun des piston 2 comporte une chambre de combustion toroïdale 6 à gorge ou goulot 7. La surface de la culasse 3 qui est orientée vers la chambre de combustion 6 comporte deux évidements circulaires 8 et 9 pour les soupapes 4 et 5, respectivements et un évidement circulaire 10 pour l'injecteur 11 (figure 1). Les évidements 8, 9 et 10 (figure 3) sont mis en communication entre eux et avec la chambre de combustion 6.L'injecteur 11 (figure 1) comprend un pulvérisateur 12 à trous multiples, la projection dans le plan horizontal de l-'axe longitudinal dudit pulvérisateur dans la zone s'étendant du bec 13 du pulvérisateur 12 au point d'intersection de c-et axe avec le plan de la section minimale de la gorge 7 étant située dans les limites de cette section. Dans le bec 13 du pulvérisateur 12, sont pratiqués cinq trous de pulvérisation (non représentés sur les figures à cause de leurs petites dimensions). Pour une meilleure comprehension de l'invention, les figure 1 et 3 représentent les axes longitudinaux 14 des trous de pulvérisation.Dans le plan vertical, lesdits trous de pulvérisation, quand le piston 2 (figure 1) se trouve dans la zone du point mort haut, intersectent la surface latérale de la chambre de combustion 6 au-dessous du bord de la section d'entrée de la gorge 7, aux point al à a5. Les projections dans un plan horizontal des axes longitudinaux 14 (figure 3) des trous de pulvérisation dans la zone comprise entre le bec 13 du pulvérisateur 12 et la gorge 7 de la chambre de combustion 6 se sitent dans le plan des évidements 8, 9 et 10 (figure 3). Pour assurer une répartition régulière, dans un plan horizontal, des jets de combustible s'écoulant des trous de pulvérisation dans la chambre de combustion 6, on détermine un angle t satisfaisant à la relation suivante 3600 3600 -- 60 i+l i-l où i est le nombre de trous de pulvérisation de l'injecteur, X = 60 à 900. L'angle 3( est compris entre deux rayons r voisins, dont chacun relie le centre O de la. chambre de combustion 6 aux points al à a5. Le moteur Diesel fonctionne comme suit. Au temps de compression, lorsque la charge d'air est chassée de l'espace au-dessus du piston, une turbulence toroldale prend naissance dans la chambre de combustion 6 (figure 1). Quand le piston 2 se trouve dans la zone du point mort haut, les dimensions de l'espace au-dessus du piston sont réduites à un minimum et l'air est chassé d'une façon intense dans la chambre de combustion 6. Les cavités formées par les évidements 8, 9 et 10 (figure 3) contiennent une portion de la charge d'air. Lors de l'injection du combustible par le pulvérisateur 12 de l'injecteur 11 (figure 1), cinq jets de combustible se propageant du bec 13 du pulvérisateur 12 à la surface latérale de la chambre de combustion 6, passent au-desous des cavités mentionnées.L'air contenu dans les cavités participe à la formation du mélange en agissant sur les surfaces des jets de combustible orientées vers la surface de combustion de la culasse 3 du cylindre 1. I1 en résulte une augmentation du coefficient d'excès d'air dans les zones de pulvérisation des jets de combustible et un accroissement de la part de la formation du mélange-en volume qui a un effet positif sur les caractéristiques de démarrage du moteur. L'augmentation de la quantité d'air dans les zones indiquées permet soit d'améliorer les performances économiques de la consommation en combustible du moteur Diesel pour une même puissance, soit d'élever la puissance du moteur pour une même consommation de combustible. Dans ce moteur Diesel, les conditions de formation du mélange sont plus favorables du fait de la répartition plus régulière, en plan, des cinq jets de combustible suivant toute la chambre de combustion 6. L'angle (figure 3) compris entre deux rayons r voisins est déterminé conformément à la relation 360 O 360 o i+l i-l et a une valeur comprise entre 60 et 900. Une telle répartition des jets de combustible dans la chambre de combustion contribue à une combustion plus complète du combustible, ce qui diminue les fumées et la teneur en oxyde de carbone CO des gaz d'échappement. REUENDICATI0NS = = = = = = = ~ = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 1. Moteur à combustion interne, notamment du type Diesel, comprenant au moins un cylindre (1) contenant un piston (2) mobile en va-et-vient et comportant une chambre de combustion toroïdale (6) à gorge ou golot (7) , et une culasse (3) pourvue de soupapes d'admission et d'échappement (4) et (5) et comportant sur sa surface orientée vers la chambre de combustion (6) deux évidements circulaires (8) et (9) pour les soupapes et un évidement circulaire (10) communiquant avec chacun des évidements (8), (9) et avec la chambre de combustion (6) et prévu pour un injecteur (11) comportant un pulvérisateur (12) à trous multiples et dont la projection dans un plan horizontal de l'axe longitudinal se situe dans le plan de la section de la gorge (7), tandis que les axes longitudinaux (14) de ses trous de pulvérisation contenus dans un plan vertical intersectent, lorsque le piston (2) est dans la zone du point mort haut, la surface latérale de la chambre de combustion (6) au-dessous du bord de la section d'entrée de la gorge (7), caractérisé en ce que les projections dans un plan horizontal des axes longitudinaux (14) des trous de pulvérisation, dans la zone s'étendant du bec (13) du pulvérisateur (12) à la gorge (7) de la chambre de combustion (6), se situent dans le plan des évidements (8), (9) et (10). 2. Moteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'angle i situé dans le plan horizontal et compris entre deux rayons (r) voisins dont chacun relie le centre 0 de la chambre de combustion (6) au point d'intersection (al) à (a5) de chaque axe longitudinal (14) du trou de pulvérisation avec la surface latérale de la chambre de combustion (6), est déterminé conformément à la relation 3600 3600 i+l i-l dans laquelle i est le nombre de trous de pulvérisation de l'injecteur.