Brevet FR2615564A1 — publié le 19881125

- 1 - La présente invention concerne un agencement des différents organes à L'intérieur d'une chambre de combustion d'un moteur deux temps à combustion interne. Plus particulièrement, L'invention concerne Les chambres à combustion de moteur deux temps comportant des lumières d'admission et d'échappement et un système d'alimentation différée en carburant placé au niveau de la culasse. L'étude de la combustion du moteur deux temps a révélé l'importance des conditions d'initiation de la combustion pour l'obtention d'une combustion correcte et complète du carburant introduit. - Cette initiation de la combustion dépend essentiellement de l'aérodynamique interne et des conditions régnant au voisinage du point d'allumage, notamment en ce qui concerne la richesse du mélange au voisinage de ce point. La combustion complète du carburant introduit dépend notamment de la quantité de carburant introduit restant dans la chambre pour la combustion. 2615 5 6 4 - 2 - En effet, dans Les moteurs o le carburant est introduit avant que L'orifice d'échappement soit obturé, une certaine partie du carburant peut se retrouver à L'échappement sans avoir brûLé dans La chambre de combustion. Il en résulte une consommation et une pollution importante du moteur. Cet ennui est particuLièrement accru dans Les moteurs admettant de L'air carburé pour le balayage des gaz brûlés. Aussi, l'utilisation d'une admission d'air frais non carburé assurant le balayage des gaz brûlés, combinée à un système d'alimentation différée en carburant déclenché une fois l'air frais introduit dans la chambre, serait en mesure d'empêcher l'échappement de carburant imbrûlé, s'il n'était pas indispensable pour la combustion (notamment en ce qui concerne l'homogénéisation du méLange de carburant dans l'air frais) d'introduire le carburant avant que l'échappement ne soit obture, avec le risque qu'une partie du carburant s'échappe. Le système d'alimentation différée en carburant peut comprendre, soit un injecteur débouchant directement ou indirectement dans la chambre de combustion et commandé par exemple électroniquement ou par came en fonction de la rotation du vilebrequin, soit encore un injecteur pneumatique, tel que décrit dans le brevet FR-A-2.575.521. Dans un moteur deux temps comportant un injecteur pneumatique placé dans la culasse, les positions respectives de l'injecteur pneumatique et du point d'allumage dans la chambre de combustion représentent des paramètres importants de l'aérodynamique interne et donc des conditions d'initiation de la combustion. Principalement dans le but de réduire les imbrûlés et d'améliorer les conditions d'initiation de la combustion, donc de la combustion, la présente invention propose différents agencement de la chambre de 2615 5 6 4 -3- combustion. Les agencements éLaborés selon l'invention ont put être étudiés théoriquement et expérimentalement, notamment au moyen d'une simulation numérique et d'essais sur moteurs. Pour les moteurs deux temps équipés d'un injecteur pneumatique de carburant dans la culasse, les agencements imaginés et retenus pour leur intérêt se caractérisent en ce que le point d'allumage est placé du côté de l'échappement, ou encore que l'injecteur pneumatique est placé du côté opposé à l'échappement, ou aussi que l'injecteur pneumatique de carburant est installé du côté des lumières d'admission arrière, telles des lumières de transfert arrières. Heureusement pour la fabrication des moteurs, ces conditions d'agencement sont compatibles avec une architecture simple du moteur. Ainsi, la présente invention concerne un moteur à deux temps à combustion interne ayant au moins une chambre de combustion équipée d'un système d'alimentation différée en carburant débouchant dans une culasse qui recouvre un cylindre coopérant avec un piston, la culasse, le cylindre et le piston délimitant la chambre de combustion, la paroi du cylindre comportant au moins une lumière d'échappement située au voisinage d'un premier point de référence par lequel passe un premier plan axial du cylindre ou plan d'échappement et au moins une lumière d'admission située au voisinage d'un deuxième point de référence, ou point de référence de l'admission. Il se caractérise notamment en ce que le plan perpendiculaire au plan d'échappement et contenant l'axe du cylindre délimite deux zones d'aménagement du cylindre dont la première complémentaire de la deuxième contient le point de référence de la lumière d'échappement et en ce que le système d'alimentation est situé dans la deuxième zone d'aménagement. - 4 - La culasse pourra comporter une bougie d'allumage qui pourra être située dans la première zone d'aménagement. Le point de référence de l'admission pourra être situé dans la deuxième zone. Le système d'alimentation pourra être adapté à produire un jet convergent dans la deuxième zone d'aménagement et sensiblement orienté vers le point de référence de l'admission. Le système d'alimentation pourra être adapté à produire un jet divergent qui d'une part traverse ladite deuxième zone d'aménagement et est orienté vers le point de référence de l'admission et qui d'autre part est dirigé vers la première zone d'aménagement au voisinage de la culasse. Le système d'alimentation pourra être un système d'injection pneumatique et, celui-ci pourra comporter un déflecteur adapté à modifier la forme du jet. Le système d'alimentation pourra être adapté à produire un jet divergent dans ledit plan perpendiculaire. Le système d'alimentation pourra être adapté à produire un jet orienté sensiblement à contre-courant de la ou des boucle(s) de balayage de gaz. En outre, la présente invention concerne une méthode de conception d'un moteur à deux temps à combustion interne ayant au moins une chambre de combustion équipée d'un système d'alimentation différée en carburant, la chambre étant délimitée par une culasse, un cylindre et un piston, la paroi du cylindre comportant au moins une lumière d'échappement située au voisinage d'un premier point de référence et au moins une lumière d'admission située au voisinage d'un deuxième - 5 - point de référence, ou point de référence de l'admission. Cette méthode est notamment caractérisée en ce que l'on adapte la disposition et les formes d'au moins une lumière d'admission de manière à produire un courant de gaz frais initialement sensiblement dirigé vers le système d'alimentation, et en ce que l'on place le système d'alimentation le plus près possible du point de référence de l'admission, en suivant le courant de gaz frais. L'invention pourra être bien comprise et tous ses avantages apparaîtront bien clairement à la lecture de la description qui suit, illustrée par les figures annexées dans lesquelles: - la figure 1 schématise en coupe l'agencement d'un moteur selon l'art antérieur, - la figure 2 illustre schématiquement en coupe un mode d'agencement d'un moteur selon l'invention, - les figures 3A à 3F montrent, au cours du déplacement du piston, les isoconcentrations de combustible obtenues par une simulation numérique pour L'agencement d'un moteur selon l'art antérieur illustré par la figure 1, - les figures 4A à 4F représentent, au cours du déplacement du piston, les isoconcentrations de combustible obtenues par une simulation numérique pour le mode d'agencement d'un moteur selon l'invention illustré par la figure 2, - la figure 5 schématise en coupe un deuxième mode d'agencement d'un moteur selon L'invention utilisant un déflecteur divergent, r - la figure 6 schématise en coupe un troisième mode d'agencement d'un moteur selon l'invention utilisant un déflecteur convergent, et - 6 - - la figure 7 illustre schématiquement en coupe par un plan perpendiculaire au plan de coupe des figures 1, 2, 5 et 6, un mode d'agencement d'un moteur selon l'invention utilisant un déflecteur divergent dans ce plan perpendiculaire. Sur la figure 1 qui représente schématiquement l'agencement d'un moteur selon l'art antérieur, la référence 1 désigne la culasse fermant la partie supérieure du cylindre 2 à l'intérieur duquel se déplace un piston 3 relié par une bielle 6 à un vilebrequin 7. La chambre de combustion porte la référence 4 et le carter inférieur la référence-5. La culasse 1 comporte une bougie 9 créant un point d'allumage par un arc électrique et, un système 8 d'alimentation différée en carburant qui peut être un système d'injection pneumatique. La tubulure d'échappement communique avec le cylindre 2 par une lumière 10. La tubulure d'admission communique avec le cylindre 2 par une Lumière arrière-11 et par une ou plusieurs lumières latérales 12. Toutes ces lumières peuvent comporter un ou plusieurs orifices. Le cylindre 2 comme le piston 3 y coulissant, sont supposés de révolution autour d'un axe P comme dans la pratique. On ne sortira pas du cadre de l'invention en utilisant des formes de cylindres et piston sensiblement différentes de celles de révolution. Si l'on considère que la lumière d'échappement 10 est située autour d'un premier point de référence 10a, et que le plan d'échappement contient ce point et l'axe du cylindre, le plan perpendiculaire au plan d'échappement et passant par l'axe du cylindre délimite dans la chambre de combustion deux zones d'aménagement distinctes dont la -7- première 4a complémentaire de la deuxième 4b contient le point de référence 10a de la lumière d'échappement. Selon l'art antérieur (Fig. 1) le système 8 d'alimentation en carburant est situé dans la première zone 4a d'aménagement, c'est-à- dire du même côté que le point de référence 10a de la lumière d'échappement 10 par rapport au plan perpendiculaire. De même, le deuxième point de référence 11a, ou point de référence de l'admission, autour duquel les lumières d'admission arrière 11 et latérales 12 sont situées, est situé dans la deuxième zone d'aménagement 4b avec la bougie 9, alors que le système d'alimentation 8 est situé dans la première zone d'aménagement 4a. Selon l'invention (Fig. 2), le point 11a de référence de l'admission comme le système d'alimentation 8 en carburant est situé dans la deuxième zone d'aménagement, c'est-à-dire du côté opposé au point de référence 10a de la lumière d'échappement, par rapport au plan perpendiculaire dont la ligne P est la trace frontale sur le plan de la figure. Enfin, la bougie 9 est située dans la première zone d'aménagement 4a. Les positions des lumières d'admission comme de celles d'échappement sont données à partir respectivement d'un premier et d'un deuxième point de référence autour desquels sont situées les lumières. Les points de référence correspondent sensiblement aux points d'application des résultantes vectorielles des vitesses des gaz au niveau des lumières d'admission et d'échappement. Cependant, comme l'obtention des résultantes est difficile, on peut souvent considérer que le point de référence correspond au barycentre des surfaces des lumières d'une part d'admission et d'autre part d'échappement. - 8 - Ainsi, lorsqu'un système d'échappement comporte deux lumières, le point de référence de L'échappement se situe entre les deux lumières ou encore Les lumières sont situées autour dudit point de référence de l'échappement. Les figures 3A à 3F et 4A à 4F illustrent les variations de concentration de combustible apparaissant dans une chambre de combustion au cours de la rotation du vilebrequin. Ces figures ont été obtenues par une modélisation bidimensionnelle d'une chambre de combustion en tenant compte de l'intéraction de la boucle de balayage formée par la masse de gaz frais admise par la lumière d'admission, avec le jet de l'injecteur pneumatique. Le segment droit 14 supérieur aux figures illustrent la culasse alors que le lieu 15 correspond à la zone d'alimentation en carburant. Les segments droits verticaux 16 représentent les parois du cylindre et le segment droit inférieur 17 représente le piston. De manière à ce que la modélisation reproduise le plus correctement possible de comportement des gaz à l'intérieur de la chambre de combustion, notamment en ce qui concerne le balayage, on considère que l'admission s'effectue par deux lumières symbolisées par les zones 19a et 19b'et que l'échappement s'effectue par une lumière symbolisée par la zone 18. Les lumières d'admission s'ouvrent à 55o avant le point mort bas et se ferment 55 après le point mort bas (soit respectivement 125 et 235 d'angle de vilebrequin). La lumière d'échappement s'ouvre à 71 avant le point mort bas et se ferme à 71 après le point mort bas (soit respectivement 109 et 251 d'angle de vilebrequin). Une première lumière d'admission 19a introduisant de l'air sous un - 9 angle initial de zéro degré par rapport à l'horizontale est placée en face d'une deuxième lumière d'admission 19b introduisant de l'air sous un angle initial de 60 degrés par rapport à l'horizontale. La lumière d'échappement 18 est placée au-dessus de la première lumière d'admission 19a. La concentration en carburant étant la masse de carburant relativement à la masse du mélange air frais, gaz brûLé -et carburant, les lignes d'isoconcentration délimitent des plages de richesses comportant des références correspondant aux valeurs suivantes de la concentration en carburant: Référence de la zone Plage de concentration en carburant R1 moins de 0,01 R2 entre 0,01 et 0,02 R3 entre 0,02-et 0,03 R4 entre 0,03 et 0,05 R5 entre 0,05 et 0,075 R6 plus de 0,075 Les figures 3A à 3F illustrent la modélisation d'une chambre de combustion sensiblement conforme à celle de la figure 1. Les différentes figures ont été produites pour différents angles du vilebrequin correspondant au indications suivantes: Figure Angle vilebrequin 3A 213 3B 2350 3C 251 3D 277 3E 303 3F 330 2615 5 6 4 - 10 - Pour ces figures (3A à 3F), le système d'alimentation comporte un défLecteur permettant de donner une direction initiale au jet incliné de 20 par rapport à l'axe du cylindre vers la lumière d'admission arrière. La modélisation des figures 3A à 3F montre que le jet conserve très peu de temps sa direction initiale et que très rapidement, il est dévié vers l'échappement par la boucle de balayage qui est animée d'un mouvement sensiblement giratoire dans le sens horaire dans le plan des figures. La figure 3F qui représente les isoconcentrations dans la chambre lorsque l'angle vilebrequin est de 330 (c'est-à-dire au moment o se produit l'allumage), montre que l'interaction du jet pneumatique avec la boucle de balayage a généré une zone plus riche en carburant côté échappement o se trouve aussi l'injecteur pneumatique. Mais hélas, cependant, la bougie pour des considérations architecturales difficiles à respecter ne peut être du côté riche et se place du côté opposé. Ce résultat illustre tout à fait les observations expérimentales réalisées sur un moteur de configuration analogue qui devient instable, notamment à régime élevé. Cette manifestation confirme tout à fait les mauvaises conditions de la combustion. Comme la figure 3C représente la chambre au moment de la fermeture de la lumière d'échappement, on peut comprendre en s'aidant aussi de la figure 3B qu'une partie du carburant part directement à l'échappement. Les calculs de modélisation permettent d'évaluer à 8 % des pertes par imbrOlés pour la configuration de moteur étudiée. Les figures 4A à 4F illustrent la modélisation d'une chambre de combustion selon l'invention sensiblement conforme à celle de la figure 2 et dans laquelle le système d'alimentation comporte un 2 6 1 5 5 6 4 - i1 - déflecteur permettant de donner une direction initiale au jet incliné de 20 par 'rapport à l'axe du cylindre vers la lumière d'échappement. Les différentes figures ont été produites pour différents angles vilebrequin correspondant aux indications suivantes: Figure Angle vilebrequin 4A 211 4B 235 4C 251 4D 271 4E 310 4F 330 Grâce à la modélisation montrée aux figures 4A à 4F, on observe, comme précédemment, que le jet de carburant conserve très peu de temps sa direction initiale et qu'il est dévié vers l'échappement par la boucle de balayage circulant comme dans les moteurs antérieurs. Les différentes figures montrent qu'avec la configuration selon l'invention, les zones riches mettent plus de temps à atteindre l'échappement du fait de la longueur du chemin à parcourir entre le système d'alimentation et l'échappement, qu'elles s'étalent mieux à travers la chambre et qu'enfin le mélange gazeux est généralement plus uniforme au moment o se produit l'allumage (Fig. 4F). Les calculs de modélisation permettent pour cette configuration de moteur d'évaluer à 4 % les pertes par imbrûlés. Par ailleurs, la bougie placée du côté échappement est située dans une zone plutôt plus riche o peut s'effectuer une excellente initiation de la combustion. Ce résultat est confirmé expérimentalement sur moteur o l'on atteint des régimes élevés de fonctionnement sans manifestation particulière d'instabilité de combustion. - 12 - Les figures 5, 6 et 7 montrent l'importance de la direction des jets initiaux provenant du système d'alimentation 8. Dans ces modes de réalisation, on utilise un injecteur pneumatique 8 tel que celui décrit dans le brevet FR-A-2.575.522. Un organe 20 injecte du carburant à l'intérieur de la buse 23 placée dans un courant d'air comprimé. Une soupape d'injection 22 s'appuyant sur un siège 24 permet d'isoler le système d'injection 8 de la chambre 2 lorsque la pression de compression a atteint un certain seuil. Le système comporte des déflecteurs 25, 26, 27 intégrés au siège permettant de modifier l'incidence initiale du jet. Les déflecteurs permettent de créer des conditions très favorables à l'initiation de la combustion et de ralentir le cheminement du jet pneumatique de carburant vers la lumière d'échappement, afin de diminuer les quantités de carburant imbrûlé. Ainsi, à la figure 5, on utilise un déflecteur divergent 26, ralentissant la pénétration du jet pneumatique. Une partie de ce jet 26a est dirigée vers la face du cylindre la plus proche de l'injecteur 8 afin de réduire, en s'y opposant, l'entrainement de la boucle de balayage. La figure 6 illustre un moteur comportant un déflecteur à contre- courant permettant, d'une part d'augmenter le chemin suivi par la boucle de balayage en vue d'éviter les pertes d'imbrûlés à l'échappement et, d'autre part, de conserver une partie du jet le long de la paroi du cylindre le plus près du système d'injection. La figure 7 schématise une chambre de combustion comportant un déflecteur 27 divergent selon un plan parallèle audit plan perpendiculaire. Cette disposition permet de ralentir, dans ce plan 2 6 1 5 5 6 4 - 13 - parallèle audit plan perpendiculaire, la pénétration des jets pneumatiques de carburant de manière à réduire les pertes par imbrGlés. 96 15564 - 14 - R E V E N D I C A T.I O N S 1. - Moteur à deux temps à combustion interne ayant au moins une chambre de combustion équipée d'un système d'alimentation différée (8) en carburant débouchant dans une culasse (1) qui recouvre un cylindre (2) coopérant avec un piston (3), la culasse, le cylindre et le piston délimitant ladite chambre de combustion (4), la paroi du cylindre comportant au moins une lumière d'échappement (10) située au voisinage d'un premier point de référence (10a) par lequel passe un premier plan axial du cylindre ou plan d'échappement et au moins une lumière d'admission (11) située au voisinage d'un deuxième point de référence (la) , ou point de référence de l'admission, ce moteur étant caractérisé en ce que le plan perpendiculaire au plan d'échappement et contenant l'axe (P) du cylindre délimite deux zones d'aménagement du cylindre dont la première (4a) complémentaire de la deuxième (4b) contient le point de référence (10a) de la lumière d'échappement et en ce que le système d'alimentation est situé dans Ladite deuxième (4b) zone d'aménagement. 2. - Moteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite culasse comporte une bougie d'allumage (9) et en ce que ladite bougie est située dans ladite première zone d'aménagement (4a). 3. - Moteur selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le point de référence de l'admission (11a) est situé dans ladite deuxième zone (4b). 4. -Moteur selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le système d'alimentation (8) est adapté à produire un jet (25a) convergent (Fig. 6) dans ladite deuxième zone d'aménagement et sensiblement orienté vers ledit point de référence de l'admission (11a). - 15 - 5. - Moteur selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le système d'alimentation (8) est adapté à produire un jet (26a) divergent qui traverse ladite deuxième zone (4b) d'aménagement et est orienté vers le point (11la) de référence de l'admission et qui est dirigé vers ladite première zone d'aménagement au voisinage de la culasse (1). 6. - Moteur selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que Ledit système d'alimentation (8) est un système d'injection pneumatique. 7. - Moteur selon la revendication 6, caractérisé en ce que ledit système d'injection pneumatique (8) produisant un jet de gaz carburé comporte une soupape (22) et un déflecteur adapté (25, 26, 27) à modifier la forme dudit jet. 8. - Moteur selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le système d'alimentation est adapté à produire un jet divergent dans ledit plan perpendiculaire (Fig. 7). 9. - Moteur selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le système d'alimentation est adapté à produire un jet orienté sensiblement à contre-courant de la ou des boucle(s) de balayage de gaz. 10. - Méthode de conception d'un moteur à deux temps à combustion interne ayant au moins une chambre de combustion équipée d'un système d'alimentation différée (8) en carburant, ladite chambre étant délimitée par une culasse (1), un cylindre (2) et un piston (3), la paroi du cyLindre comportant au moins une lumière d'échappement (10) située au voisinage d'un premier point de référence (10a) et au moins une lumière d'admission (11) située au voisinage d'un deuxième point de référence (11a), ou point de référence de l'admission, cette méthode est caractérisée en ce que l'on adapte la disposition et les - 16 - formes d'au moins une Lumière d'admission de manière à produire un courant de gaz frais initiaLement sensibLement dirigé vers le système d'alimentation, et en ce que L'on place Le système d'alimentation le plus près possible du point de référence de L'admission, en suivant Le courant de gaz frais.