Brevet FR2604479A1 — publié le 19880401

L'invention concerne un moteur à combustion interne à compression d'air et à allumage commandé avec injection directe du carburant selon un jet dirigé pour une grande part sur la paroi de la chambre de combustion en forme de corps de révolution prévue dans le piston, dans lequel, grâce à des moyens connus, il est imprimé à l'air d'admission un mouvement de rotation dans le sens du jet de carburant injecté tel que, de ce fait, le carburant s'évapore progres- sivement à partir de la paroi de la chambre de combustion, l'injecteur étant situé dans la culasse dans le voisinage du bord de la chambre de combustion tandis que le dispositif d'allumage situé à L'opposé de l'injecteur s'enfonce dans la chambre de combustion lorsque le piston est dans la position de point mort haut, dans lequel également la paroi latérale de la chambre de combustion, vue en section trans- versale, est formée de deux lignes courbes de rayon de courbure (R1, R2) se raccordant progressivement l'une à l'autre, la première ligne courbe de rayon R1 s'étendant d'une ouverture rétrécie de la chambre de combustion jusqu'au plus grand diamètre de la chambre de combustion (DB), et la deuxième ligne courbe de rayon R2 s'étendant jusqu'au fond de la chambre de combustion ou se raccordant progressi- vement avec lui, dans lequel également le diamètre le plus grand de la chambre de combustion (DB) est égal à 0,5 à 0,7 fois le diamètre du piston (DK) et se trouve, depuis l'extrémité du piston, à une profondeur déterminée (tD) par rapport à la profondeur de la chambre de combustion (TB), le rapport entre le diamètre de l'ouverture de la chambre de combustion (dH) et le plus grand diamètre de la chambre de combustion (DB) étant compris entre 0,85 et 0,95 et la hauteur de la paroi (tH) de l'ouverture de la chambre de combustion étant comprise entre 0,1 et 0,15 TB. Un tel moteur à combustion interne est décrit dans le document DE-PS 32 45 780. Dans un moteur à combustion interne à charge stratifiée et à allumage commandé, L'inflammation sûre du mélange d'air et de carburant dans toutes les conditions de fonctionnement possibles, que ce soit au démarrage à froid, au ralenti ou à la puissance nominale, est un problème majeur. Ceci revient à dire que, dans l'espace de seulement quelques millimètres cubes entre les électrodes des bougies que l'étincelle d'allumage balaie, la composition du mélange doit, pendant le claquage, rester suffisamment longtemps à l'intérieur des limites d'inflammabilité pour produire une flamme suffisamment grande pour que la charge du cylindre continue à brûler. Etant donné que la vitesse dé l'air dans la chambre de combustion et la quantité de carburant injecté varient dans de larges limites, ce problème ne peut être résolu qu'en accordant entre eux de façon minu- tieuse toute une série de paramètres, par exemple la forme et la position réciproque de la chambre de combustion, du jet d'injection et des électrodes de bougie, et aussi l'intensité du flux rotationnel ainsi que la relation des phases du processus d'injection et du processus d'allu- mage. Il y a lieu de tenir compte chaque fois de la consomma- tion de carburant spécifique, du comportement des gaz d'é- chappement et de la charge de la pièce. Dans l'état de la technique (DE-PS 32 45 780), ces considérations s'appliquent à un moteur à aspiration. Lorsqu'on passe du moteur à aspiration à un moteur chargé de puissance supérieure, le degré de difficulté du processus d'optimisation décrit précédemment augmente car, dans ce cas, aussi bien la quantité de carburant injectée que la quantité d'air mélangée varient dans une plus forte propor- tion qu'avec le moteur à aspiration (entre le ralenti infé- rieur et la puissance nominale, les écarts de quantité d'injection et de vitesse de L'air sont très grands). On a constaté que, dans ce domaine, la forme de la chambre de combustion du piston joue un r8le particulièrement impor- tant. Dans le document DE-PS 32 45 780 a été décrit le passage d'une forme sphérique dans la chambre de combustion à une forme plus aplatie. Les raisons de cette modification sont les suivantes: a) suppression de L'écoulement d'écrasement pour améliorer la stabilité d'allumage et Le délestage thermique du bord de La chambre de combustion; b) utilisation d'électrodes aussi courtes que possible pour lutter contre le danger de rupture et de deformation et pour diminuer l'usure provoquée par la chaleur. Avec un moteur à combustion interne chargé, la forme de la chambre de combustion et la position du jet d'injection selon l'état de la technique donnent, à régime élevé et à faible charge du moteur, un mélange trop pauvre. Une possibilité de remédier à cet inconvénient consisterait à rapprocher de la bougie d'allumage le point d'impact du jet d'injection. Cette mesure supprimerait les difficultés en régime de charge partielle, mais, avec une charge élevée (mélange riche), les difficultés qui sont de toute façon déjà importantes par suite de l'importance de l'apport de carburant n'en seraient qu'augmentées. C'est pourquoi, il semble préférable pour remédier aux difficultés en régime de charge partielle, sans modifier la position du jet d'in- jection, d'augmenter la courbure de la paroi de la chambre de combustion et, de cette façon, d'augmenter la richesse du mélange dans le voisinage de La bougie. La courbure très forte qu'il faudrait alors donner à la paroi de la chambre de combustion aurait pour effet d'agrandir et d'apla- tir la chambre de combustion (le volume de la chambre de combustion devant en effet rester le même), ce qui serait défavorable au point de vue de la technique de la formation du mélange et de la combustion. Le diamètre élevé de la chambre de combustion ainsi obtenu affaiblirait de façon trop importante l'intensité nécessaire du moment de rotation. En outre, lorsque le moteur est à charge élevée, on aurait une épaisseur trop élevée de la pellicule et l'expérience a montré qu'il en résulte des inconvénients de combustion par entraînement (mélange trop riche dans le domaine de charge élevée). L'invention a pour but, avec un moteur à combustion interne du genre indiqué au début, de donner satisfaction, dans tous les domaines de fonctionnement, aux exigences en matière de formation du mélange qui augmente lorsqu'on passe à un moteur chargé; en d'autres termes il faut que le mélange d'air et de carburant ne soit ni trop pauvre ni trop riche, les avantages décrits ci-dessus en a) et b) devant être encore améliorés et l'allumage du mélange obtenu devant s'effectuer d'une façon sûre et sa combustion de façon optimale. Ce résultat est obtenu par l'invention avec un moteur à combustion du type indiqué grâce au fait qu'une troisième ligne de courbure de rayon R3 se raccorde à la ligne de courbure de rayon R2 et forme le fond de la chambre de combustion, que le diamètre le plus grand de la chambre de combustion est situé à une profondeur tD de 0,42 à 0,70 TB et qu'il est prévu entre les rayons R1, R2 et R3 et la profondeur de la chambre de combustion des relations telles que le rayon R1 a une longueur de 0,35 à 1,20 TB, le rayon R2 une longueur de 0,10 à 0,40 TB et le rayon R3 une longueur de 3,2 à 4,0 TB. Il en résulte que, par rapport à l'état de la technique dans lequel la forme de la chambre de combustion est constituée de deux arcs de cercle et d'une partie de fond rectiligne, on a maintenant une chambre de combustion en forme d'anse de panier avec au total trois rayons de courbure se raccordant progressivement les uns aux autres. Le rayon R2 de la deuxième ligne de courbure permet d'éviter une courbure trop prononcée de la partie du fond et une courbure trop prononcée de la paroi en direction du fond de la chambre de combustion. Si, de cette façon, on obtient une courbure générale pro- noncée de la partie de la paroi de chambre de combustion essentielle pour la formation du mélange (zone équatoriale de la chambre de combustion), les inconvénients décrits ci- dessus d'une courbure trop forte de la paroi de chambre de combustion, respectivement du fond de la chambre de combustion, (R1 se raccordant directement à R3) n'apparaissent pas. En effet, grâce à cette faible courbure de la paroi en dessous de l'équateur de la chambre de combustion, la possibilité d'échange pour le carburant est améliorée de sorte qu'il ne peut y avoir à pleine charge un mélange trop riche aux élec- trodes. Egalement, grâce à la forme en arc de cercle du fond 0 de la chambre de combustion (approfondissement), l'écoulement de l'air n'est plus perturbé et les conditions de rotation restent donc les mêmes. Le volume de la chambre de combustion reste également préservé. On a constaté que, grâce à la forme donnée par l'inven- tion de la chambre de combustion, le cycle de formation du mélange est amélioré d'une façon telle qu'il est même désormais possible de monter le dispositif d'allumage non seulement perpendiculairement au fond du piston (c'est-à-dire parallèLe- ment à l'axe du cylindre), mais même incliné vers l'extérieur. Grâce à cette inclinaison donnée à la bougie d'allumage, on évite d'avoir à faire passer l'ouverture de montage de la bougie à travers la cloche de soupape ce qui améliore les qualitésde fonctionnement de la tête de cylindre. Par contre, La disposition inclinée de la bougie oblige à prévoir un évide- ment important dans la paroi de la chambre de combustion, ce qui a pour conséquence une influence défavorable sur la stabilité de la combustion. L'amélioration de la composition du mélange compense et au delà l'effet désavantageux sur le phénomène d'écoulement dans le voisinage des bougies exercé par l'évidement du piston que nécessite la position inclinée de la bougie. Grâce à la très grande stabilité de l'allumage et de la combustion obtenue, il devient également moins nécessaire d'équiper le dispositif d'allumage par exemple avec des éLectro- des en baguette qui sont parallèles entre elles sur une longueur de plusieurs millimètres pour permettre aux étincelles électri- ques de suivre les variations de cycle en ce qui concerne 6 2604479 la répartition du mélange dans l'espace. En d'autres termes, on dispose d'une Liberté plus grande dans le choix de la forme des électrodes. Etant donné que la vie utile (durabilité à long terme) de la source d'allumage représente un problème spécifique, en particulier avec les moteurs à allumage commandé à compression élevée, l'état de fait ci-dessus mentionné est utilisé pour utiliser des sources d'allumage avec lesquelles on a des températures plus faibles aux surfaces d'électrode et par conséquent des vitesses d'usure moins élevées. Ce résul- tat est obtenu par exemple avec une bougie d'allumage sans électrodes saillantes. Il est vrai qu'avec de telles bougies l'alimentation des électrodes en mélange inflammable est plus difficile qu'avec des électrodes saillantes, en baguette ou en crochet, car il n'y a pas entre les électrodes d'écoulement induit par le mouvement de la charge dans la chambre de combus- tion, mais, justement dans ce cas, la position inclinée de la bougie est un avantage parce que, de cette façon, la face frontale portant les électrodes est tournée vers le jet de carburant injecté et l'allumage est alors obtenu par la quantité relativement faible de carburant directement élnlangée à l'air. L'invention est décrite ci-après en référence au dessin annexé dont la figure unique est une vue en coupe longitudinale de la partie supérieure d'un piston et de la culasse correspon- dante. Dans la figure, une chambre de combustion 3 avec une ouverture de chambre de combustion rétrécie 3a est disposée au milieu ou approximativement au milieu du fond la d'un piston 1. A un instant approprié qui dépend des conditions de fonction- nement et du type de carburant (point d'ébullition et facilité d'inflammation), le carburant liquide, émis par un injecteur 8 non représenté en détail qui est disposé excentriquement dans La culasse 2, est injecté selon un seul jet 9 dans la chambre de combustion 3 en direction de l'air de combustion en rotation. Le point d'arrivée du jet de carburant sur la paroi de la chambre de combustion 4 est désigné par 9a et est situé dans la zone du plus grand diamètre DB de la chambre de combustion (en position de point mort haut du piston). Le point de sortie du jet 8a de L'injecteur 8 est situé dans le voisinage du bord de l'ouverture de La chambre de combustion. A l'opposé du point de sortie du jet 8a il est prévu dans le fond du piston la et dans la paroi de la chambre de combus- tion 4 un évidement 10 dans lequel, lorsque le piston 1 est en position de point mort haut, s'enfonce un dispositif d'allu- mage 11 qui est également disposé dans la culasse 2. Le disposi- tif d'allumage est constitué par exemple, comme le montre la figure, de plusieurs électrodes en baguette; mais il est également possible d'utiliser un dispositif d'allumage à élec- trodes en crochet. Comme le montre la figure, le dispositif d'allumage 11 s'étend obliquement vers l'extérieur (par rapport à la position point mort haut du piston) depuis la chambre de combustion 3. De la sorte on évite d'avoir à faire traverser La culasse et le chapeau de soupape par l'ouverture de montage de la bougie, ce qui est nécessaire lorsque le dispositif d'allumage est disposé perpendiculairement au fond du piston la. L'inclinaison donnée au dispositif d'allumage 11 est rendue possible par l'amélioration obtenue de la formation du mélange. La paroi latérale et le fond de la chambre de combustion 3 sont formés par trois lignes courbes 5, 6, 7, se raccordant progressivement l'une à l'autre, la première ligne courbe de rayon de courbure R1 s'étendant de l'ouverture rétrécie 3a de la chambre de combustion jusqu'au plus grand diamètre de la chambre de combustion DB et la deuxième ligne courbe 6 de rayon de courbure R2 s'étendant jusqu'au fond de la chambre de combustion 7 et se raccordant progressivement avec lui. Le fond de la chambre de combustion représente lui-même la troisième ligne courbe 7 de rayon de courbure R3. Le plus grand diamètre DB de la chambre de combustion dans le plan horizontal duquel se trouvent également les centres des lignes courbes 5, 6 est égal à 0,5 à 0,7 fois le diamètre du piston DK et se trouve, à partir de l'extrémité la du piston, à une profondeur TD qui est égale à 0,42 à 0,70 fois la profondeur T9 de la chambre de combustion. Le rayon de courbure R1 de la paroi latérale de la chambre de combustion 4 a une longueur égale à 0,35 à 1,20 fois TB, le rayon de courbure R2 une longueur égale à 0,10 à 0,40 fois TB. Le rayon de courbure R3 de la ligne de courbure du fond 7 (dont le centre se trouve sur l'axe longitudinal x de la chambre de combustion) est compris entre 3,2 et 4,0 fois TB. Enfin, le diamètre dH de l'ouverture de chambre de combustion rétrécie 3a est compris entre 0,85 et 0,95 fois DB, l'épaisseur tH de la paroi de cette ouverture étant comprise entre 0,1 et 0,15 fois TB. La position du jet de carburant et la position du point d'arrivée du jet de carburant 9a sur la paroi de la chambre de combustion par rapport au dispositif d'allu- mage 11 correspondent au moteur à combustion interne en question. Pour terminer, il faut encore noter que, grâce aux améliorations de l'allumage et de la combustion obtenues avec les caractéristiques remarquables selon l'invention, il est possible d'utiliser un dispositif d'allumage sans électrodes saillantes, en baguette ou en crochet. Un disposi- tif d'allumage de ce genre permet de diminuer encore la vitese d'usure des électrodes. REVENDICATIONS 1. Moteur à combustion interne à compression d'air et à allumage commandé avec injection directe du carburant selon un jet dirigé pour une grande part sur la paroi de la chambre de combustion en forme de corps de révolution, prévue dans le piston, dans lequel, grâce à des moyens connus, il est imprimé à l'air d'admission un mouvement de rotation dans le sens du jet de carburant injecté tel que, de ce fait, le carburant s'évapore progres- sivement à partir de la paroi de la chambre de combustion, l'injecteur étant situé dans la culasse dans le voisinage du bord de la chambre de combustion tandis que le dispositif d'allumage situé à l'opposé de l'injecteur s'enfonce dans la chambre de combustion lorsque le piston est en position de point mort haut, dans lequel également la paroi latérale de la chambre de combustion, vue en section transversale, est formée de deux lignes courbes de rayon de courbure (R1, R2) se raccordant progressivement l'une à l'autre, la première ligne courbe de rayon R1 s'étendant d'une ouver- ture rétrécie de la chambre de combustion jusqu'au plus grand diamètre de La chambre de combustion (DB) et la deuxième ligne courbe de rayon (R2) s'étendant jusqu'au fond de la chambre de combustion ou se raccordant progressivement avec lui, dans lequel également le diamètre le plus grand de la chambre de combustion (DB) est égal à 0,5 à 0,7 fois le diamètre du piston (DK) et, depuis l'extrémité du piston, se trouve à une profondeur déterminée (tD) par rapport à la profondeur de la chambre de combustion (TB) le rapport entre le diamètre de l'ouverture de la chambre de combustion (dH) et le plus grand diamètre de la chambre de combustion (DB) étant compris entre 0,85 et 0,95, et l'épaisseur (tH) de la paroi de l'ouverture de la chambre de combustion étant comprise entre 0,1 et 0,15 TB, caractérisé en ce qu'une troisième ligne de courbure avec un rayon (R3) se raccorde progressivement à la ligne de courbure de rayon (R2) et forme le fond (7) de la chambre de combustion (3), que le plus grand diamètre de la chambre de combustion (DB) se trouve à une profondeur (tD) comprise entre 0,42 et 0,70 TB et qu'il est prévu entre les rayons (R1, R2, R3) et la profondeur de la chambre de combustion (TB) des rela- tions déterminées telles que le rayon (R1) a une longueur de 0,35 à 1,20 TB, le rayon(R2)une longueur de 0,10 à 0,40 TB et le rayon (R3) une longueur de 3,2 à 4,0 TB. 2. Moteur à combustion interne selon la revendica- tion 1, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif d'allumage (11) incliné vers l'extérieur à partir de la chambre de combustion (3). 3. Moteur à combustion interne selon la revendica- tion 1, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif d'allumage (11) sans électrodes en baguette ou en crochet saillantes.