Brevet FR2653166A1 — publié le 19910419

L'invention concerne un moteur à allumage par compression à préchambre de turbulence dont le piston comporte une cavité ayant un rebord courbe de mise en rotation des gaz provenant de la préchambre de turbulence, dans un seul sens. On connaît des moteurs diesel comportant, associée à chacun de leur cylindres, une préchambre de turbulence, par exemple une préchambre du type Ricardo. Le moteur comporte un bloc-cylindre au-dessus duquel est placée une culasse ; à l-intérieur de la culasse sont disposées les préchambres de turbulence de forme approximativement sphérique Chacune des préchambres est reliée par un canal de transfert à une chambre principale qui a de préférence une disposition tangentielle par rapport à la préchambre et met en communication la préchambre avec la chambre principale. Dans la préchambre se trouve placé un injecteur généralement disposé à l'opposé de l'embouchure du canal de transfert et une bougie qui permet d'assurer le préchauffage et l'inflam- mat ion du mélange combustible au démarrage à froid du moteur. La préchambre comporte un plan de symétrie passant par I'axe du cylindre correspondant et la bougie et I'injecteur sont disposés de facon que leurs axes de symétrie soient situés dans ce plan. De même, l'axe longitudinal du canal de transfert qui est généralement rectiligne est disposé dans le plan de symétrie de la préchambre. De plus, la surface supérieure du piston est usinée pour constituer une cavité en forme de "trefle" comportant généralement deux lobes, destinée à assurer un tourbillonnement homogène des gaz de combustion provenant de la préchambre, au-dessus du piston. Cette disposition et cette structure classique des moteurs diesel qui correspondent à un optimum en particulier en ce qui concerne la position relative de l'injecteur et de la bougie présentent cependant des inconténients En particulier, le canal de transfert débouche au-dessous de la bougie, ce qui altère profondément le tourbillonnement des gaz dans la préchambre. La bougie constitue un obstacle aérodynamique très important qui perturbe le champ de vitesse au voisinage de I'injecteur, La combustion s'en trouve dégradée et il en résulte une augmentation des émissions de fumées et d'hydrocarbures imbrûlés. Il est bien connu que la qualité du fonctionnement d'un moteur diesel à préchambre est liée à la manière dont le mélange de l'air comprimé dans le piston et du combustible pulvérisé par l'injecteur se fait dans la préchambre et à la manière dont les gaz enflammés passent dans la chambre principale. De préférence, le fluide en déplacement dans la préchambre doit être animé d'un mouvement tourbillonnaire autour d'un axe passant par le centre de la cavité de la préchambre. Cet écoulement tourbillonnaire étant fortement perturbé par la présence de la bougie, il en résulte des performances amoindries du moteur diesel. Un moyen de remédier à ces inconvénients a été proposé dans la demande de brevet n" 88-05303 déposée par les Sociétés AUTOMOBILES PEUGEOT et AUTOMOBILES CITROEN- Selon cette demande de brevet, laxe longitudinal du canal de transfert fait un angle a non nul avec le plan de symétrie de la préchambre de turbulence. L'angle a est de manière préférentielle compris entre 5 et 200. Il résulte de cette disposition une rotation des gaz dans la préchambre autour de la bougie et donc une amélioration de la combustion. Cette modification de l'orientation du canal de transfert doit s'accompagner d'une modification de la forme de la cavité en forme de "trèfle" usinée sur la surface supérieure du piston. En effet, une cavité en forme de "trèfle" comportant deux lobes disposés de manière symétrique par rapport au plan de symétrie de la préchambre n'est plus adaptée, dans la mesure où le canal de transfert est disposé de manière angulaire par rapport au plan de symétrie. On a donc proposé d'associer à cette disposition de la préchambre une cavité en forme de "trèfle" usinée sur la surface supérieure du piston et placée dans le prolongement du canal de transfert dans la position haute du piston, comportant deux lobes de surfaces inégales disposés de part et d'autre du prolongement de l'axe longitudinal du canal de transfert. Cette disposition assure une mise en rotation de lécou- lement gazeux provenant de la préchambre, dans des sens différents au niveau de chacun des lobes du trèfle et permet de recentrer l'écoulement des gaz en cours de combustion par rapport au piston. On obtient ainsi une combustion homogène et une bonne répartition des gaz de combustion dans la préchambre et dans la chambre principale, malgré la position inclinée du canal de transfert. Cependant, cette nouvelle disposition complique l'usinage de la surface supérieure du piston et ne permet pas d'obtenir des conditions optimales, en ce qui concerne la répartition des gaz dans la chambre de combustion Le but de l'invention est donc de proposer un moteur à allumage par compression comportant au moins un cylindre dans lequel se déplace un piston et une préchambre de turbulence comportant une bougie de préchauffage et un injecteur communiquant avec le cylindre par l'intermédiaire d'un canal de transfert, la surface supérieure du piston étant usinée pour constituer une cavité située dans le prolongement du canal de transfert dans la position haute du piston, de manière à améliorer la combustion des gaz dans la chambre du cylindre et à réduire les émissions de fumées ou d'hydrocarbures imbrûlés dans les gaz d'échappement du moteur, tout en utilisant une cavité de forme plus simple entraînant une circulation des gaz de combustion moins complexe et plus facile à maîtriser. Dans ce but, la cavité comporte un seul lobe limité par un contour fermé comportant au moins un rebord courbe se raccordant au canal de transfert ou à un prolongement de ce canal de manière tangentielle, de façon à faire tourner les gaz pénétrant dans la cavité par le canal de transfert dans un seul sens. Afin de bien faire comprendre l'invention, on va maintenant décrire un moteur diesel de type classique comportant une cavité en forme de trèfle symétrique, un moteur diesel selon l'art antérieur comportant une cavité en forme de trèfle dissymétrique et, à titre comparatif, deux modes de réalisation différents d'une cavité d'un moteur suivant l'invention comportant un seul lobe. La figure 1 est une vue en coupe par un plan vertical d'une partie d'un moteur diesel de type classique comportant une préchambre de turbulence. La figure 2 est une vue de dessus schématique de la préchambre et de la surface supérieure du piston du moteur représenté sur la figure 1 La figure 3 est une vue de dessus schématique de la préchambre et de la surface supérieure du piston d'un moteur diesel suivant lzart antérieur comportant un canal de transfert incliné par rapport au plan de symétrie de la préchambre. La figure 4 est une vue de dessus schématique de la préchambre et de la surface supérieure du piston d'un moteur diesel suivant l'invention et suivant un premier mode de réalisation. La figure 4A est une vue en coupe suivant 4A4A de la figure 4. La figure 4B est une vue en coupe suivant 4B 4B de la figure 4. La figure 5 est une vue de dessus schématique de la préchambre et de la surface supérieure du piston d'un moteur diesel suivant l'invention et suivant une seconde variante de réalisation. Sur la figure 1, on voit une partie du bloccylindre 1 et de la culasse 2 dwun moteur à allumage par compression. Le bloc-cylindre 1 comporte des cylindres tels que 3 dans chacun desquels se déplace un piston 4. La culasse 2 est usinée au-dessus de chacun des cylindres 3 de façon à délimiter une préchambre de turbulence 5 comportant un injecteur de carburant 6 et une bougie de préchauffage 7. La préchambre 5 de forme sensiblement sphérique est délimitée, à sa partie supérieure, par une paroi hémisphérique usinée à intérieur de la culasse 2. La partie inférieure de la préchambre 5 est usinée à l'in- térieur d'une pièce 9 rapportée et fixée à l'intérieur d'un logement de forme correspondante usiné dans la culasse 2. Un canal de transfert 10 de direction sensi blement- tangentielle par rapport à la paroi de la préchambre 5 est usiné à l-intérieur de la pièce 9 et met en communication la partie supérieure du cylindre 3 et la partie inférieure de la préchambre 5. L'axe 11 de I'injecteur 6, I'axe 12 de la bougie 7 et l'axe 13 du canal 10 sont tous situés dans un même plan qui est un plan de symétrie de la préchambre 5 et du cylindre 3, c'est-à-dire un plan de symétrie de la préchambre 5 passant par l axe du cylindre 3. Cette disposition est également visible sur la figure 2 où I'on a représenté la trace 14 du plan de symétrie sur le plan de figure. Ce plan de symétrie P de trace 14 est perpendiculaire à l'axe 15 du vilebrequin du moteur. La surface supérieure du piston 4 est usinée pour constituer une cavité 16 en forme de trèfle de faible profondeur. Cette cavité délimite la chambre principale avec la surface adjacente de la culasse dans la position haute du piston 4. La forme particulière donnée à cette cavité située dans le prolongement du canal de transfert 10 permet d'assurer une répartition optimale des gaz dans la chambre principale par rapport au piston 4. La cavité en forme de trèfle 16 comporte deux lobes égaux et symétriques par rapport au plan de trace 14 sur la figure 2. La cavité comporte également un canal assurant le raccord des lobes au canal de transfert 10, dans la position haute du piston 4. Les gaz de combustion provenant de la préchambre 4 sont répartis dans les deux lobes de la cavité 16 à l-intérieur desquels ils sont mis en rotation pour constituer deux écoulements en sens contraire (flèches 17a et 17b). Les gaz en cours de combustion provenant de la préchambre sont mélangés à de l'air comburant à l-inté- rieur de la chambre 3 du cylindre. Comme il est visible sur la figure 1, I'air comprimé dans le cylindre 3 par le piston 4 et refoulé dans la préchambre 5 à travers le canal 10 vient heurter l'extrémité de la bougie 7 saillante dans la préchambre 5 (flèche 18). La présence de la bougie perturbe donc l'écoulement des gaz dans la préchambre, ce qui se traduit par des performances amoindries du moteur. Comme indiqué plus haut. on a proposé de placer le canal de transfert dans une disposition in clinéé par rapport au plan de symétrie de la préchambre, pour engendrer un écoulement tourbillonnaire des gaz dans la préchambre autour de l'extrémité de la bougie de préchauffage. Cette disposition peut être obtenue de manière très simple en faisant tourner la pièce rapportée 9 dans laquelle est usinée la partie inférieure de la préchambre 5, autour de son axe, à l'intérieur de son logement dans la culasse 2. La disposition obtenue a été représentée sur la figure 3. La préchambre 20 comporte un canal de transfert 21 incliné d'un angle a par rapport au plan de symétrie 22 de la préchambre suivant lequel est disposé l'axe 24 de la bougie de préchauffage 25 saillante à l'intérieur de la préchambre 20. Une cavité 26 en forme de trèfle non symétrique est usinée sur la surface supérieure du piston 23. La cavité 26 comporte une partie rectiligne dans le prolongement du canal de transfert 21 de la préchambre 20 et deux lobes de forme circulaire disposés de part et d'autre de I'axe de la partie rectiligne de la cavité 26 située dans le prolongement de laxe du canal de transfert 21. Les deux lobes de forme circulaire présentent des rayons R1 et R2 différents, le rayon Ri du lobe situé vers la partie centrale du piston 23 étant supérieur au rayon R2 du lobe situé vers I'extérieur du piston 23. De plus, le point de raccordement des deux lobes du trèfle 26 est désaxé d'une distance a par rapport à l axe commun au canal de transfert 31 et à la partie rectiligne de la cavité 26. Cette forme de cavité 26 entraîne la formation de deux écoulements contrarotatifs (flèches 27a et 27b). La forme dissymétrique de la cavité 26 permet, dans une certaine mesure, de recentrer l'écoulement par rapport au piston 23. Cependant, la forme du trèfle est relativement complexe et l'écoulement contrarotatif des gaz est relativement difficile à équilibrer pour obtenir une bonne répartition de ces gaz dans la chambre de combustion. Sur la figure 4, on a représenté la préchambre 30 et la surface supérieure du piston 31 d'un moteur suivant l'invention dans lequel I'écoulement des gaz mis en rotation dans la chambre du cylindre s'effectue dans un seul sens. La préchambre 30 qui a été représentée de manière schématique comporte un canal de transfert 32 dont l'axe longitudinal est incliné d'un angle a par rapport au plan de symétrie 34 de la préchambre 30 passant par l'axe du cylindre dans lequel se déplace le piston 31. Le moteur décrit est donc du type général connu dans lequel le canal de transfert est incliné. Selon l'invention, la surface supérieure du piston 31 comporte une cavité 36 d'une faible profondeur e visible sur les figures 4A et 4B. La cavité 36 comporte une partie rectiligne 35 constituant un canal de faible profondeur ffi disposé dans le prolongement du canal de transfert 32 de la chambre de turbulence 30, comme il est visible sur les figures 4 et 4B. Cette partie initiale 35 de la cavité se raccorde à un lobe unique de forme semi-circulaire de profondeur e constituant la partie principale de la cavité. Le canal rectiligne 35 se raccorde au lobe semi-circulaire de la cavité 36 de manière tangentielle, le bord extérieur du canal 35 étant tangent au bord extérieur semi-circulaire 37 de la cavité 36 en un point situé sensiblement sur le prolongement du diamètre 38 constituant le bord intérieur de la cavité 36. Le bord intérieur du canal 35 est raccordé de manière tangentielle au rebord intérieur 38 rectiligne du lobe semi-circulaire de la cavité 36, par un rebord 39 en forme de portion de cercle. De préférence, les rebords 37, 38 et 39 sont inclinés par rapport à la verticale. Sur la figure 4B, on voit que le rebord de raccordement du canal 35 au canal de transfert 32 de la préchambre est également incliné. Le rayon R1 du rebord 37 qui est un peu inférieur au rayon du cylindre 31 est déterminé de manière que le lobe unique semi-circulaire de la cavité 36 occupe une partie notable de la partie supérieure du cylindre 31. Le rayon R2 est très inférieur au rayon R1, le rebord 39 constituant une simple partie de raccordement entre le canal 35 et le lobe semi-circulaire. La longueur d du canal de raccordement 35 entre le canal de transfert 32 et le lobe semi-circulaire 36 et donc la position sur le cylindre de ce lobe semi-circulaire peuvent être variables. Sur la figure 4, on a représenté le mode de réalisation qui correspond à la valeur maximale de la longueur , le bord diamétral intérieur 38 de la cavité semi-circulaire passant alors par le centre de la section transversale du piston 31. La longueur du canal 35 peut avoir une valeur quelconque inférieure à cette longueur maximale d. La longueur du canal de raccordement 35 peut éventuellement être nulle, le lobe semi-circulaire de la cavité se raccordant directement à l'extrémité du conduit de transfert 32 de la chambre de turbulence 30. Cette position 36 du lobe semi-circulaire de la cavité a été représentée en pointillés sur la figure 4. Dans tous les cas, les gaz en cours de combustion provenant de la chambre de turbulence 30 pénètrent dans la cavité 36 et viennent en contact avec le rebord extérieur semi-circulaire 37 de cette cavité qui assure leur mise en rotation pour produire un écoulement dans un seul sens schématisé par les flèches 33. On obtient ainsi une bonne répartition des gaz dans la chambre du cylindre, au-dessus du piston 31 et le parcours des gaz orienté par le rebord 37 éloigné d'une certaine distance des bords du cylindre permet d'éviter un contact des gaz en cours de combustion avec les parois de la chambre du cylindre. On évite ainsi la formation et l'émission de gaz imbrûlés. Les dimensions et la position de la cavité sont déterminées en fonction des caractéristiques et des critères d optimisation du moteur Sur la figure 5, on a représenté un second mode de réalisation d'une cavité usinée sur la surface supérieure du piston 41 d un moteur suivant I'invention dans le prolongement du canal 42 de la préchambre de turbulence 40. La cavité 46 de profondeur constante ffi est délimitée par un rebord extérieur 47 et par un rebord intérieur 48 en forme de spIrales. Les spirales 47 et 48 sont tangentes à l'une de leurs extrémités à l'extrémité du canal de transfert 42, dans la position haute du piston 41 et présentent un rayon de courbure qui est constamment décroissant depuis l-extrémité du canal de transfert 42 de la préchambre 40 jusqu'au rebord 45 délimitant la cavité 46 à I'opposé du canal de transfert 42. Les gaz sortant de la préchambre 40 par le canal de transfert 42 sont orientés suivant une trajectoire courbe par les rebords 47 et 48 de la cavité 46 (flèche 44). Les gaz sont ainsi répartis sur une grande partie de la chambre du cylindre et ne viennent pas en contact avec les parois de cette chambre, la cavité 46 étant disposée dans la partie centrale de la surface supérieure du piston 41. Dans la position haute du piston 41, le raccordement entre le canal de transfert 42 et la partie initiale de la cavité 46 est réalisé de la même manière que dans le cas du mode de réalisation précédemment décrit, ce mode de raccordement étant représenté sur la figure 4B On connaissait déjà des moteurs diesel selon I'art antérieur comportant des pistons dont la surface supérieure était usinée dans le prolongement du canal de transfert de la préchambre de turbulenceo pour constituer un canal courbe d'une certaine longueur et généralement évasé.Un tel canal usiné sur une faible partie de la surface supérieure du piston ne constituait pas un lobe d'une cavité telle que la cavité 46 ayant un contour fermé et occupant une partie substantielle de la surface supérieure du piston. Dans le cas du second mode de réalisation décrit en regard de la figure 5, les caractéristiques géométriques des rebords 47 et 48 en forme de spirales et la profondeur de la cavité 46 sont déterminées, comme précédemment, en fonction des caractéristiques et des critères d'optimisation du moteur. Les spirales peuvent être par exemple des spirales d'Archimède ou des spirales hyperboliques. Dans ce mode de réalisation, l'écoulement des gaz provenant de la préchambre 40 symbolisé par la flèche 44 se produit dans un seul sens, comme dans le cas du premier mode de réalisation. Dans tous les cas, le moteur suivant l'inven- tion présente de meilleures caractéristiques de combus tion que les moteurs connus. Son rendement est supérieur et les emissions de fumées ou d'hydrocarbures imbrûlés sont réduites. La limitation de la production de gaz polluants par le moteur permet de réduire la complexité et donc le coût des dispositifs de traitement des gaz d'échappement L'invention ne se limite pas aux modes de réalisation qui ont été décrits. On peut en particulier imaginer des cavités usinées sur la surface supérieure du piston du moteur d'une forme différente de celles qui ont été décrites, ces cavités pouvant être délimitées par des rebords courbes ayant des formes géométriques diverses. Le lobe de la cavité peut etre relié directement au canal de transfert de la préchambre ou par un canal intermédiaire de forme rectiligne ou courbe. La disposition inclinée du canal de transfert par rapport au plan de symétrie de la préchambre combinée à une cavité à un seul lobe qui entraîne une circulation des gaz dans un seul sens d'écoulement procure des avantages particuliers. Il est possible cependant d'utiliser une cavité à un seul lobe entraînant une circulation des gaz dans un seul sens, également dans le cas où le canal de transfert de la préchambre comporte un axe longitudinal disposé dans le plan de symétrie de cette préchambre. L'invention s'applique à tout moteur à allumage par compression comportant au moins un cylindre auquel est associée une préchambre de turbulence. REVENDICATIONS 1.- Moteur à allumage par compression comportant au moins un cylindre dans lequel se déplace un piston (31, 41) et une préchambre de turbulence (30, 40) comportant une bougie de préchauffage et un injecteur communiquant avec le cylindre par l'intermédiaire d'un canal de transfert (32, 42), la surface supérieure du piston (31, 41) étant usinée pour constituer une cavité (36, 46) située dans le prolongement du canal de transfert (32, 42) dans la position haute du piston (31, 41), caractérisé par le fait que la cavité (36, 46) comporte un seul lobe limité par un contour fermé comportant au moins un rebord courbe (37, 47, 48) se raccordant au canal de transfert (32, 42) ou à un prolongement de ce canal de manière tangentielle de manière à faire tourner les gaz pénétrant dans la cavité (36, 46) par le canal de transfert (32, 42) dans un seul sens. 2.- Moteur suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que le lobe de la cavité (36) est délimité par un rebord extérieur semi-circulaire (37) et par un rebord intérieur rectiligne (38) disposé suivant le diamètre du rebord extérieur (37), le canal de transfert (32) ' ou son prolongement se raccordant, de manière tangentielle, au rebord extérieur semi-circulaire (37), à l'une des extrémités du diamètre suivant lequel est disposé le rebord intérieur (38). 3.- Moteur suivant la revendication 2, caractérisé par le fait que le canal de transfert (32) de la chambre de turbulence (30) est raccordé au lobe semicirculaire de la cavité (36), par un canal intermédiaire rectiligne (35) dans le prolongement du canal de transfert (32) dans la position haute du piston (31) constituant une partie de la cavité (36) et raccordé de manière tangentielle au rebord extérieur semi-circulaire (37) en un point situé sur le diamètre suivant lequel est disposé le rebord intérieur (38) et au bord intérieur rectiligne (38), par l'intermédiaire d'un rebord (39) en forme de portion de cercle. 4 - Moteur suivant la revendication 3, caractérisé par le fait que le rebord intérieur (38) du lobe de la cavité (36) est disposé suivant un diamètre de la surface supérieure du piston (31). 5 - Moteur suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que le lobe de la cavité (46) comporte un rebord extérieur (47) et un rebord intérieur (48) en forme de spirales comportant une extrémité tangente à l'extrémité de sortie du conduit de transfert (42) de la préchambre (40), dans la position haute du piston (41). 6.- Moteur suivant la revendication 5, caractérisé par le fait que le rayon de courbure des rebords (47, 48) en forme de spirales est décroissant depuis I'extrémité de ces rebords se raccordant au conduit de transfert (42) jusqu'à leur extrémité opposée. 7.- Moteur suivant I'une queconque des revendications 5 et 6, caractérisé par le fait que les rebords (47, 48) ont la forme de spirales hyperboliques. 8.- Moteur suivant I'une quelconque des revendications 5 et 6, caractérisé par le fait que les rebords (47, 48) ont la forme de spirales d'Archimède. 9.- Moteur suivant lvune quelconque des revendications 1 à 8 dont la préchambre de combustion (30, 40) présente un plan de symétrie passant par 1'axe du cylindre, les axes de symétrie de la bougie de préchauffage (7) et de l'injecteur (6)-étant situés dans le plan de symétrie, caractérisé par le fait que I'axe longitudinal du canal de transfert (32, 42) se raccordant de manière tangentielle à la cavité (36, 46) usinée dans la surface supérieure du piston (31, 41), dans la position haute du piston, fait un angle a non nul avec le plan de symétrie de la préchambre (30, 405. 10.- Moteur suivant la revendication 9, dans le cas où la préchambre (30, 40) est constituée, au moins dans sa partie inférieure, par une pièce (9) rapportée à I'intérieur de la culasse (2) dans laquelle est usiné le canal de transfert (32, 42), caractérisé par le fait que la pièce rapportée (9) est montée à l'intérieur de la culasse (2) de façon que I'axe du canal de transfert (32, 42) raccordé de manière tangentielle au lobe de la cavité (36, 46) dans la position haute du piston (41) fasse un angle a non nul avec le plan de symétrie de la préchambre (30, 40) passant par I'axe du cylindre correspondant. 11.- Moteur suivant la revendication 10, caractérisé par le fait que lorientation de laxe du canal de transfert (32, 42) de la préchambre (30, 40) raccordé de manière tangentielle au lobe de la cavité (36, 46), dans la position haute du piston (31, 41), est obtenue par une rotation de la pièce rapportée (9) comprise entre 5 et 20 , à partir de sa position dans laquelle I'axe du canal de transfert (32, 42) se trouve dans le plan de symétrie de la préchambre (30, 40).