Brevet FR2623245A1 — publié le 19890519

L'invention concerne un moteur à allumage par compression comportant au moins un cylindre et, associée à ce cylindre, une préchambre à parois en matière céramique communiquant avec la chambre du cy- lindre par un canal. On connait des moteurs à allumage par com- pression ou moteurs Diesel, à un ou plusieurs cylin- dres, comportant une préchambre de combustion dans laquelle débouche un injecteur de carburant dirigé vers la paroi de la préchambre traversée par le canal mettant en communication la préchambre et le cylindre du moteur dans lequel se déplace le piston. Cette préchambre est balayée par de l'air comburant, au cours du cycle du moteur, et la forme de la préchambre, approximativement sphérique, favorise la formation de tourbillons, à l'intérieur de la pré- chambre, assurant un mélange homogène du carburant injecté et de l'air. De telles préchambres de turbulences généra- lement désignées sous le nom de préchambres Ricardo sont disposées à l'intérieur de la culasse du moteur, chacune au-dessus du cylindre correspondant avec le- quel la préchambre communique par un canal de direc- tion sensiblement tangentielle par rapport à sa surfa- ce intérieure. L'injecteur est généralement dirigé vers le fond de la préchambre, en direction du cylindre, mais à l'opposé de la zone o débouche le canal; cet in- jecteur réalisant le mouillage de la paroi intérieure de la préchambre par du carburant. De tels moteurs ont un fonctionnement satis- faisant à chaud mais il est indispensable, pour le dé- marrage à froid du moteur, de limiter le refroidisse- ment de la préchambre par le carburant et de recourir à des moyens de chauffage additionnels de la préc-ham- bre. Afin de limiter les échanges thermiques entre le carburant et la paroi de la préchambre, il serait avantageux de limiter les surfaces mouillées, pendant le démarrage et le fonctionnement à froid du moteur; cette condition est cependant difficile à réaliser car les surfaces mouillées dépendent quantitativement du volume de la préchambre qui est lui-même imposé par les performances du moteur. On a donc recours à l'utilisation d'un moyen de préchauffage de la préchambre constitué par une bougie saillante dans le volume intérieur de la pré- chambre. Une telle bougie de préchauffage représente un véritable obstacle aérodynamique qui perturbe le champ de vitesse des gaz, au voisinage de l'injecteur. La combustion s'en trouve dégradée et il en résulte des effets négatifs sur les performances éner- gétiques du moteur et sur le comportement de ce moteur en ce qui concerne la pollution atmosphérique. Les perturbations apportées à la circulation des gaz en- trainent en effet une augmentation des émissions de fumées et de la quantité d'hydrocarbures imbrûlés. Quelle que soit la forme d'une préchambre de combustion, il existe toujours des zones mortes o le tourbillon est moins intense ou même qui sont occupées par du gaz stagnant. Ces zones mortes sont responsables de la présence d'hydrocarbures imbr1lés ou de particules dans les gaz du moteur, car la température reste in- suffisante pour oxyder ces éléments résiduels, à l'in- térieur des zones mortes, au moins pendant la phase de démarrage du moteur. Pour améliorer le comportement hydrodynami- que des préchambres de combustion des moteurs Diesel malgré la présence de bougies de préchauffage, on a préconisé et appliqué diverses solutions. Un premier type de solution consiste à modi- fier la taille ou la forme de la bougie; on utilise par exemple des bougies de taille réduite et éventuel- lement deux bougies par préchambre; on a également proposé dans la demande de brevet Français FR-A- 86-13871 d'utiliser des bougies profilées destinées à réduire la trainée aérodynamique des gaz, tout en maintenant une surface extérieure mouillée de la bou- gie suffisante pour assurer un bon fonctionnement de la préchambre. Un deuxième type de solution consiste à pla- cer la bougie dans la préchambre, dans une position telle que la circulation des gaz soit perturbée le moins possible. On a par exemple proposé de placer la bougie dans une position sensiblement parallèle à l'injecteur, soit au-dessus de la zone dans laquelle se développe le jet de carburant, soit dans un plan parallèle au plan de symétrie de la préchambre, dans une disposition latérale par rapport à l'injecteur. On a également proposé dans la demande de brevet 86-13766 de placer la bougie de préchauffage selon un axe in- cliné par rapport au plan de symétrie de la préchambre de façon à l'éloigner de la zone soumise au jet de carburant. Toutes ces solutions représentent des com- promis plus ou moins satisfaisants pour concilier des exigences contradictoires relatives à la surface mouillée de la bougie dans la préchambre, au compor- tement aérodynamique des gaz et à la position de l'in- jecteur. On a d'autre part proposé d'utiliser, pour réaliser la paroi des préchambres de combustion de mo- teurs Diesel, des matières céramiques ayant l'avantage d'être de bons isolants thermiques. Dans ce mode de réalisation, les chambres de combustion sont générale- ment usinées à l'intérieur de pièces en matière céra- mique qui sont insérées et montées dans la culasse du moteur, au-dessus de chacun des cylindres. De telles chambres doivent également comporter une bougie de préchauffage et présentent en conséquence les inconvé- nients mentionnés ci-dessus. Le but de l'invention est donc de proposer un moteur à allumage par compression comportant au moins un cylindre et, associée à ce cylindre, une pré- chambre à parois en matière céramique communiquant par un canal avec la chambre du cylindre dans laquelle se déplace un piston, pourvue d'un dispositif d'injection de carburant débouchant dans la préchambre et dirigé vers le cylindre, ce moteur présentant des caractéris- tiques énergétiques et de comportement à la pollution atmosphérique très nettement améliorées. Dans ce but, la paroi de la préchambre com- prenant au moins une partie en matière céramique com- porte, dans certaines zones au moins de cette partie en matière céramique, au moins un élément conducteur électrique associé à un moyen d'alimentation en cou- rant électrique susceptible de faire passer un courant dans l'élément conducteur pour produire, dans la pa- roi de la préchambre, un dégagement de chaleur par ef- fet Joule. Afin de bien faire comprendre l'invention, on va maintenant décrire, à titre d'exemples non limi- tatifs, en se référant aux figures jointes en annexe, plusieurs modes de réalisation d'un moteur suivant l'invention comportant une préchambre à parois chauf- fantes en matière céramique. La figure 1 est une vue partielle en coupe de la partie supérieure du bloc cylindre et de la culasse d'un moteur Diesel comportant une préchambre de turbulence suivant l'art antérieur. La figure 2 est une vue en coupe de la pré- chambre suivant 2-2 de la figure 1, La figure 3 est une vue en coupe analogue à la vue de la figure 1, montrant une préchambre suivant l'invention et suivant un premier mode de réalisation. La figure 4 est une vue en coupe analogue aux vues des figures 1 et 3 montrant une préchambre selon l'invention et selon un second mode de réalisa- tion. La figure 5 est une vue en coupe analogue-à la vue de la figure 1 montrant l'implantation d'une préchambre céramique à parois chauffantes dans la culasse d'un moteur Diesel. La figure 6 est une vue de côté suivant 6 de la figure 4, d'une culasse suivant l'invention mon- trant la prise de branchement électrique de l'élément chauffant et l'extrémité de branchement de ce moyen d alimentation. La figure 7 est une vue en coupe d'un connecteur d'alimentation électrique d'une préchambre suivant l'invention logeable dans un trou de passage d'une bougie chauffante dans la culasse du moteur. Sur la figure 1, on voit la partie supérieu- re du bloc cylindre 1 d'un moteur sur lequel repose la culasse 2 par l'intermédiaire d'un joint de culasse 3. Le bloc cylindre 1 est usiné pour constituer un cylin- dre 5 dans lequel se déplace un piston 4. La culasse 2 est percée de canaux d'admis- sion et d'échappement tels que 6 qui débouchent dans la chambre du cylindre 5 par une ouverture qui peut être fermée par une soupape telle que 7. La culasse 2 est également usinée, au-dessus de chacun des cylindres 5, pour constituer le logement 9 d'une préchambre de combustion 10 également visible sur la figure 2. La paroi intérieure de cette précham- bre de combustion 10 est usinée en partie à l'inté- rieur de la culasse 2 et en partie dans une pièce 11 rapportée à l'intérieur du logement 9 usiné dans la culasse. Un canal 12 de direction sensiblement tangen- tielle par rapport à la paroi intérieure de lapré- chambre 10 est usiné dans la pièce 11 et débouche à la partie supérieure de la chambre du cylindre 5. La culasse est également usinée pour ménager un passage 13 servant de logement pour un injecteur de carburant 14 et débouchant à la partie supérieure de la préchambre 10. Un jet de carburant pulvérisé 15 peut être ainsi injecté dans la préchambre 10. Pour le démarrage à froid du moteur, on uti- lise une bougie de préchauffage 17 fixée dans un trou de passage 18 traversant la paroi de la culasse. L'ex- trémité de la bougie chauffante 17 est saillante à l'intérieur de la préchambre 10 si bien que cette ex- trémité saillante est susceptible de perturber l'écou- lement tourbillonnaire des gaz dans la préchambre 10, cet écoulement étant figuré par la flèche 19 sur la figure 1. Sur la figure 3, on a représenté une pré- chambre de combustion 21 d'un moteur Diesel suivant l'invention disposée à l'intérieur d'un logement 22 usiné dans la culasse 20 du moteur et débouchant dans le plan 20a du joint de culasse. Un passage 23 traversant la culasse 20 et débouchant dans le volume interne de la préchambre 21 constitue un logement pour un injecteur de carburant 24 susceptible d'envoyer un jet de carburant pulvérisé 25 dans la préchambre 21. La préchambre 21 est constituée par un bloc en matière céramique dans lequel sont usinés la pré- chambre proprement dite 21a et un canal 26. Le volume intérieur 21a de la préchambre constituant la précham- bre proprement dite a une forme approximativement sphérique et le canal 26 a une disposition pratique- ment tangentielle par rapport à la paroi de cette pré- chambre. Le canal 26 débouche à l'une de ses extrémi- tés dans le volume intérieur de la préchambre 21 et à son autre extrémité dans la chambre du cylindre 30 disposée en dessous de la préchambre 21. Le canal 26 assure ainsi la mise en communication de la partie supérieure du cylindre avec le volume intérieur 21a de- la préchambre 21. Le jet de carburant 25 est dirigé vers un point A situé à la partie inférieure de la surface in- terne de la préchambre 21, à l'opposé de l'ouverture débouchante du canal de communication 26. Le bloc de matière céramique constituant la paroi de la préchambre 21 a une forme correspondant sensiblement à la forme de l'ouverture 22 dans laquel- le il est fixé sans jeu dans l'exemple décrit grâce à une bague de fixation 29. La paroi céramique de la préchambre 21 ren- ferme un filament conducteur électrique 28 en contact intime avec la matière céramique constituant la paroi. Ce filament 28 peut être en particulier constitué par un fil en alliage pour résistance élec- trique tel qu'un alliage nickel-chrome. 2523'245 Le filament sera de préférence noyé dans la masse de la paroi céramique et disposé avantageusement sous la forme d'un enroulement hélicoïdal dont les deux extrémités sont accessibles sur une face externe du bloc de céramique constituant la paroi de la pré- chambre 21. Comme il est visible sur la figure 3, dans ce mode de réalisation, le filament conducteur 28 s'étend sensiblement sur toute la hauteur de la pré- chambre 21. La culasse 20 et la paroi de la préchambre 21 ne comportent aucune ouverture de passage d'une bougie de préchauffage, la résistance de chauffage 28 étant utilisée pendant le démarrage et le fonctionne- ment à froid du moteur, comme il sera expliqué plus loin. Sur la figure 4, on voit un second mode de réalisation d'une préchambre 31 suivant l'invention. Le volume intérieur 31a constituant la pré- chambre proprement dite est réalisé en deux parties: une première à l'intérieur de la culasse 32 qui est usinée suivant une surface approximativement sphérique et une deuxième à l'intérieur d'un bloc en matière céramique 33 constituant une partie de la paroi de la préchambre 31. Comme dans le mode de réalisation représenté sur la figure 3, le bloc de matière céramique 33 est fixé à l'intérieur d'un logement 34 de la culasse 32, grâce à une bague de fixation 35. Un canal de communication 36 débouche à l'une de -ses extrémités dans le volume intérieur 31a de la chambre 31 et à son autre extrémité dans le plan de joint de la culasse 32. Le canal 36 est comme pré- cédemment de direction tangentielle par rapport à la surface intérieure de la préchambre proprement dite 31a. Un passage d'injection 37 débouche dans la partie supérieure de la préchambre 31a et permet l'injection d'un jet de carburant en direction du point A de la surface interne de cette préchambre. Un filament résistant 38 est noyé à l'inté- rieur de la pièce céramique 33 constituant la partie inférieure de la chambre 31. Comme il est visible sur la figure 6, les extrémités du filament 38 sont accessibles sur une face du bloc 33 en matière céramique et constituent une prise 39 pour une extrémité de branchement 40 d'un cable électrique 41 à deux conducteurs reliés à son autre extrémité à une source-de courant électrique 42 qui peut être constituée par une batterie. L'extrémité 40 du càble 41 peut être amenée en position de bran- chement sur une face de la préchambre 31 en utilisant une ouverture d'une dimension suffisante traversant la paroi de la culasse. - Sur la figure 5, on a représenté une partie de la culasse 40 d'un moteur Diesel équipé d'une pré- chambre 41 dont la paroi est constituée par une pièce en matière céramique dans laquelle est noyée une ré- sistance de chauffage 44. La préchambre 41 est réali- sée sensiblement de la manière représentée sur la fi- gure 3. La culasse 40 dans laquelle est fixée la pré- chambre 41 comporte un trou 43 de passage et de fixa- tion d'une bougie chauffante. Ce trou de passage et de fixation 43 peut recevoir un connecteur tel que représenté sur la figu- re 7. Un tel connecteur comporte un corps isolant 45 dans lequel sont noyés deux conducteurs électriques d'alimentation 46 et dont l'extrémité 45a constitue l'élément de connection. Le corps 45 est monté à l'in- térieur d'un écrou 47 dont le filetage correspond à celui d'une bougie de préchauffage qui peut être fixé dans l'ouverture filetée 43. Lorsque le connecteur est engagé dans l'ouverture 43, sa partie d'extrémité 45a vient réaliser la connection entre les conducteurs 46 et les extrémités de la résistance de chauffage 44. La culasse 40 peut être celle d'un moteur Diesel suivant l'art antérieur, l'adaptation de la préchambre 41 et de sa connection électrique ne néces- sitant aucun réusinage ou tout au plus un réL4sinage limité permettant l'adaptation et la fixation du bloc de céramique constituant la préchambre 41, dans la culasse. Lors du démarrage à froid d'un moteur selon l'invention, le filament conducteur noyé dans la paroi de la préchambre est alimenté en courant électrique, la commande d'alimentation résultant d'une action po- sitive du conducteur ou du résultat d'une mesure d'un paramètre du moteur effectuée par un capteur. Le passage du courant électrique dans le fi- lament résistant provoque un dégagement de chaleur par effet 3oule. La chaleur se propage dans la paroi de la préchambre, en particulier vers l'intérieur, si bien que la surface interne de la préchambre est suscepti- ble de se trouver à une température élevée favorisant la combustion des hydrocarbures injectés dans la pré- chambre et le fonctionnement à froid du moteur. Ce ré- sultat est obtenu sans utiliser de bougie de préchauf- fage si bien que le tourbillon des gaz dans la pré- chambre n'est pas perturbé, en particulier sous l'in- jecteur. Le carburant pulvérisé injecté vient en contact des parois chaudes ce qui favorise sa vapori- sation et sa combustion. 1 1 Il est d'ailleurs possible d'utiliser un ou plusieurs filaments constituant une ou plusieurs ré- sistances chauffantes qui assurent un chauffage non uniforme de la paroi de la préchambre. On peut ainsi chauffer différemment les différentes zones de la pa- roi de la préchambre par exemple en insérant un réseau de filaments plus ou moins dense dans les différentes zones de la paroi. On peut en particulier favoriser une augmen- tation de température de la paroi au voisinage des zones mortes de la préchambre, de façon à favoriser l'oxydation des hydrocarbures imbr lés et des particu- les ayant tendance à stagner ou à se former dans ces zones mortes. De même, la partie de la surface interne de la préchambre sur laquelle arrive le jet de carburant pulvérisé (zone voisine du point A), peut constituer une zone dont la température est sensiblement plus élevée que la température des autres zones de la sur- face interne de la préchambre et donne ainsi naissance à un point chaud. La paroi de la préchambre ou les parties de cette paroi réalisées en matière céramique peuvent être constituées par toute matière céramique ayant des propriétés de tenue aux chocs thermiques satisfaisan- tes. De telles matières céramiques sont utilisées - par exemple pour la réalisation de corps de bougie de préchauffage ou de parois de préchambre ne comportant pas d'élément de chauffage. On connait également des matières céramiques qui ont une bonne conductibilité électrique et qui renferment principalement du carbure de silicium et du diborure de titane. De telles matières peuvent être utilisées pour réaliser tout ou partie de la paroi d'une préchambre suivant l'invention. Des zones conti- nues en matière céramique conductrice peuvent être noyées dans de la matière céramique non conductrice constitutant le corps de la paroi de la préchambre, ces zones conductrices pourront être alimentées en courant électrique et constituer les éléments chauf- fants de la paroi de la préchambre. On pourrait également réaliser l'ensemble de la paroi en matière, céramique conductrice et faire passer un courant dans cette paroi pour provoquer un dégagement de chaleur. Dans ce cas, la paroi doit être isolée électriquement de la culasse par un joint ou une couche isolante. Les principaux avantages d'un moteur suivant l'invention comportant une préchambre à parois chauf- * fantes résident dans l'obtention de meilleures perfor- mances énergétiques et d'un meilleur comportement en ce qui concerne la pollution atmosphérique. Ces résultats sont obtenus principalement par le fait que la paroi interne de la préchambre présente une température élevée pendant le démarrage et le fonctionnement à froid du moteur et qu'il n'est plus nécessaire de prévoir une bougie de préchauffage. La formation d'un tourbillon dans les gaz en circula- tion dans la préchambre est mieux contrôlée si bien qu'il est possible de donner une forme et une dimen- sion au canal de transfert des gaz entre la préchambre et le cylindre pour favoriser au maximum la circula- tion de ces gaz. La combustion est sensiblement améliorée grâce à un meilleur contrôle du tourbillon et à l'aug- mentation de la température dans les zones mortes. L623245 Le démarrage- et le fonctionnement à froid sont beaucoup plus satisfaisants, les effets de paroi froide étant supprimés. Le bruit du moteur tournant à froid est également diminué, la combustion étant mieux controlée pendant la phase d'échauffement. Sur le plan de la fabrication, les modifica- tions à apporter à l'usinage de la culasse sont très faibles, comme il a été expliqué plus haut, dans le cas d'une préchambre dont la paroi est entièrement en matière céramique et dont les éléments de chauffage sont alimentés en courant électrique par l'intermé- diaire d'un trou de passage d une bougie de préchauf- fage. Dans le cas d'une culasse dont la paroi est seulement partiellement en matière céramique, comme représenté sur la figure 4, il faut prévoir un perçage de la culasse pour permettre la connection des élé- ments de chauffage, sur une des faces externes de la préchambre. Le moteur suivant l'invention a en outre l'avantage de réduire les émission d'hydrocarbures im- brulés et de particules dans les gaz d'échappement, si bien qu'il devient possible d'éviter l'utilisation de techniques de dépollution complexes et coûteuses. L'invention ne se limite pas aux modes de réalisation qui ont été décrits. C'est ainsi que le moteur suivant l'invention peut comporter une précham- bre d'une forme quelconque dont la paroi est consti- tuée entièrement ou partiellement par de la matière céramique. Les éléments de chauffage peuvent être disposés dans tout ou partie des zones en matière céramique de la paroi, de façon à dégager un flux thermique constant ou variable d'un point à un autre de la surface interne de la préchambre. Les éléments chauffants peuvent être cons- titués par une partie de la paroi elle-même rendue conductrice ou constitués en une matière céramique ayant une bonne conductivité thermique. Il est même possible de réaliser l'ensemble de la paroi de la préchambre en une matière céramique conductrice. Il est possible de prévoir des éléments de chauffage et une source d'alimentation permettant d'obtenir une puissance thermique plus ou moins im- portante. Enfin, l'invention s'applique à tout moteur à combustion interne et à allumage par compression à injection indirecte. REVENDICATIONS 1.- Moteur à allumage par compression com- portant au moins un cylindre (30) et, associée à ce cylindre, une préchambre (21, 31, 41) ayant une paroi en matière céramique communiquant par un canal (26, 36) avec la chambre du cylindre (30) dans laquelle se déplace un piston, pourvue d'un dispositif d'injection de carburant (23, 24, 37) débouchant dans la précham- bre (21, 31, 41) et dirigé vers le cylindre (30), ca- ractérisé par le fait que la paroi de la préchambre (21, 31, 41) comprenant au moins une partie en matière céramique comporte dans certaines zones au moins de cette partie en matière céramique au moins un élément conducteur (28, 38, 44) associé à un moyen d'alimenta- tion en courant électrique (40, 41, 42) susceptible de faire passer un courant dans l'élément conducteur (28, 38, 44) pour produire dans la paroi de la préchambre (21, 31, 41), un dégagement de chaleur par effet Joule. 2.- Moteur suivant la revendication 1, ca- ractérisé par le fait que la préchambre (21, 31, 41) ne comporte pas de bougie de préchauffage saillante dans le volume intérieur (21a, 31a) de la préchambre (21, 31). 3.- Moteur suivant l'une quelconque des re- vendications 1 et 2, caractérisé par le fait que la paroi de la préchambre (21, 31, 41) est constituée au moins partiellement par un bloc en matière céramique dans lequel est noyé un filament conducteur (28, 38, 44) constituant une résistance chauffante. 4.- Moteur suivant l'une quelconque des re- vendications 1, 2 et 3, caractérisé par le fait que le ou les éléments chauffants (28, 38, 44) sont disposés dans la paroi de la préchambre (21, 31, 41), de façon à dégager une quantité de chaleur variable suivant les zones de la surface interne de la préchambre (21, 31, 41). 5.- Moteur suivant la revendication 4, ca- ractérisé par le fait que le ou les éléments chauf- fants (28, 38, 44) sont disposés dans les parois de la préchambre (21, 31, 41) de façon à dégager une quanti- té de chaleur élevée au voisinage d'un point d'impact A du carburant injecté dans la préchambre (21, 31, 41). 6.- Moteur suivant la revendication 4, dans le cas o la préchambre (21, 31, 41) est une chambre de turbulence dans laquelle des gaz de combustion du moteur circulent suivant un tourbillon, certaines zones du volume interne (21a, 31a) de la chambre (21, 31) ou zones mortes n'étant pas balayées par le tour- billon, caractérisé par le fait que l'élément conduc- teur (28, 38, 44) est disposé dans la paroi de la chambre (21, 31, 41) de façon à provoquer un dégage- ment de chaleur, préférentiellement au voisinage des zones mortes. 7.- Moteur suivant la revendication 1, ca- ractérisé par le fait que la paroi de la préchambre (21, 31, 41) est constituée au moins partiellement par une matière céramique conductrice de l'électricité et que l'élément conducteur de chauffage est constitué par la matière céramique conductrice.