Brevet FR2680545A1 — publié le 19930226

DESCRIPI ION La présente invention se rapporte à nouvelles chambres de combustion de moteurs alternatifs - permettant de réorganiser itécoulement turbulent, d'augmenter l'intensité de turbulence dans la chambre de combustion à la fin de compression, et d'améliorer le rendement du moteur. I1 est important pour la technologie des moteurs alternatifs d'augmenter le taux de mélange de l'air-carburant, et d'augmenter l'intensité de turbulence dans la chambre de combustion immédiatement avant et pendant la phase initiale de combustion. L'augmentation de la turbulence et/ou du mélange a tendance à accélérer la combustion dans la chambre, il en résulte un rendement du moteur plus élevé. L'objective de la présente invention des nouvelles chambres est d'augmenter l'intensité de turbulence et le mélange de 11 air-carburant, de promouvoir une combustion rapide et d'améliorer en conséquence les performances de moteur. La combustion rendue plus rapide permet de surcroît aussi une réduction d'avance à l'allumage, ce qui induit moins de travail négatif avant le point mort haut (P.M.H.) et libère plus d'énergie au voisinage du P.M.H., et il en résulte un rendement thermique augmenté. La combustion rapide réduit les phénomènes de cliquetis sans doute et les variations de cycle à cycle, cela permet d'utiliser un taux de compression plus important, ce qui conduit encore à un rendement amélioré. Récement, la technique dite du mélange pauvre air-carburant (lean airfuel mixture) devient de plus en plus importante. Cette technique entraine une réduction considérable des NOx dans les gaz d'échappement, et ceci réduit de manière significative le besoin de traitement très complexe et onéreux des gaz à l'échappement à la sortie. Le rendement thermique du moteur est aussi augmenté grâce à cette technique. Mais, il en résulte par ailleurs une vitesse de combustion réduite (processus moins rapide) car le maximum de vitesse de combustion du mélange air-carburant apparaît au voisinage de la condition stoechiometrique (1) et (2).La technique proposée par la présente invention peut donc être utilisée pour améliorer la technique à mélange pauvre, ainsi faire apparaître la technique "Combustion à mélange pauvre-Combustion rapide"(lean burn-fast burn) qui fait l'objet des recherches prospectives les plus avancées de l'industrie automobile(1). Les moyens ou dispositifs pour augmenter l'intensité de turbulence et le taux de mélange à la fin de la compression ont déjà été étudiés par de nombreux auteurs: U.S. Pat. No 2,133,487 de Sehlacfke, No 2,505,999 de Smith, No 2,738,782 de Bodine, No 3,195,520 de Simko, No 4,009,702 de Mayer, No 4,166,436 de Yamakawa, No 4,195,597 de Hofbauer, No 4,191,136 de Matsumoto, No 3,132,633 de Zimmerman, No 1,759,161 de Lang, No 3,152,523 de Whitfield. Mais, la structure comme proposée par la présente invention qui peut générer les jets comprimés et réorganiser l'écoulement turbulent dans la chambre principale à la fin de la compression n'a pas été trouvée. La présente invention se compose d'un ensemble piston-culasse, qui ont des formes particulières de tellele sorte qu'en fin de compression, il se forme automatiquement une chambre secondaire, et ces deux chambres sont connectées par un certain nombre de passages. Au P.M.H., le volume de la deuxième chambre est presque nul, le taux de compression y est plus fort que celui de la chambre principale. Lors de la compression, le gaz de la chambre secondaire est comprimé et rejeté dans la chambre principale sous forme de jets turbulents en traversant les passages entre la chambre principale et la chambre secondaire. Les positions, les orientations et les vitesses des jets sont réglées par les positions , les angles de projection , les formes et les surfaces des passages et le rapport des sections concernées de la chambre principale et de la chambre secondaire.Ces jets turbulents sont crées juste avant la combustion, ils augmentent beaucoup l'intensité de turbulence dans la chambre. Par exemple, une simulation numérique que nous avons faite pour un moteur diesel à un régime 3000 tr/min, montre qu'avec les jets à vitesse 50 m/s, en 1 ms (18 degrée de vilbrequin environ),l'intensité de turbulence a été augmenté d'un facteur 30. Bien sûr , pour chaque moteur , il faut optimiser les paramètres correspondants pour avoir le maximum de rendement et le minimum de polluants à l'échappement. Le principe de la présente invention peut être appliqué à tous les moteurs alternatifs, et l'application conduit à une série de nouvelles chambres de combustion pour les moteurs diesel, les moteurs à essence, aussi que pour les moteurs à gaz. Une meilleure compréhension de la présente invention sera obtebue en se référant aux dessins suivants: Fig. 1 et Fig.2 montrent un moteur diesel dont la chambre de combustion se situe dans le bol du piston, la chambre secondaire 8 se présente sous la forme d'une couronne à la périphérie du piston . Dans le corps du piston, il y a un certain nombre de passages 6 qui connectent la chambre principale 7 et la chambre secondaire 8. A la périphérie de la culasse, une convexité 5 sous forme de couronne permet d'assurer la compression dans la chambre secondaire 8. De Fig.3 à Fig.6, chaque figure montre deux structures réalisées. Parce que les structures sont symétriques par rapport à l'axe, on dessine uniquement la moitie de chaque structure dans la côté droite et la côté gauche de chaque dessin. La Fig.3 montre deux structures pour le moteur diesel. La structure dessinée dans la côté droite est la structure présentée dans les Fig.1 et Fig.2. Dans la structure dessinée dans la côté gauche, la chambre secondaire 8 se située dans la culasse 4, à la périphérie du piston 1, une convexité 2 sous forme de couronne s'adapte à la concavité 5 dans la culasse 4. Les passages 6 qui connectent la chambre principale 7 et la chambre secondaire 8 sont aussi dans la culasse 4. La Fig.4 montre deux structures pour le moteur à essence. Pour la structure à la côté droite, la convexité 5 se situe à la périphérie de la culasse 4 sous forme de couronne. Pour la structure à la côté gauche, la convexité 5 se situe dans le cylindre 3. Dans ces deux structures, la concavité 2 se situe à la périphérie du piston 1, et les passages 6 qui connectent la chambre principale 7 et la chambre secondaire 8 se situent aussi dans le corp du piston 1. La Fig.5 montre deux structures pour le moteur à essence. Pour la structure à la côté droite, la convexité 5 se situe dans la culasse 4 sous forme de couronne, la concavité 2 se situe à la périphérie du piston 1, les passages 6 se situent aussi dans le corp du piston 1. Pour la structure à la côté gauche, la convexité 5 se situe à la périphérie du piston 1, la concavité 2 se situe à la périphérie de la culasse 4, et les passages 6 se situent aussi dans la culasse 4. La Fig.6 montre deux structures pour le moteur diesel dont la chambre de combustion principale 7 se situe dans la culasse 4. Pour la structure à la côté droite, la convexité 5 se situe à la périphérie du piston 1 sous forme de couronne, la concavité 2 se situe dans la culasse 4, les passages 6 se situent aussi dans la culasse 4. Pour la structure à la côté gauche, la convexité 5 se situe dans la culasse 4 sous forme de couronne, la concavité 2 sous forme de couronne se situe à la périphérie du piston 1, et les passages 6 se situent aussi dans le corp du piston 1. La Fig.7 montre une structure pour le moteur à essence dont la chambre de combustion principale 7 se situe dans la culasse 4. La convexité 5 se situe dans la culasse 4, la concavité 2 sous forme de couronne se situe à la périphérie du piston 1, les passages 6 se situent aussi dans le corp du piston 1. Pour donner une description plus détaillée du principe de la présente invention, on se référera plus particulièrement aux Fig. 1 et Fig.2 qui representent un moteur diesel avec une nouvelle chambre de combustion. Au dessus du piston 1, il y a une concavité 2 sous forme de couronne, le piston 1 peut coulisser dans le cylindre 3. Dans la culasse 4, il y a une convexité 5 sous forme de couronne qui adapte la concavité 2 dans le piston 1 de tellele sorte qu'en fin de compression, la convexité 5 entre dans la concavité 2, et forme une chambre secondaire 8. Dans le piston 1, il y a aussi un certain nombre de passages 6 qui connectent la chambre principale 7 et la chambre secondaire 8. Quand le piston 1 se trouve au P.M.H., le volume de la chambre secondarie 8 est presque zéro. En fin de phase de compression, le gaz dans la chambre secondaire 8 subit une compression plus forte que dans la chambre principale7, le gaz dans la chambre secondaire 8 est rejeté, en traversant les passages 6, dans la chambre principale 7 sous forme de jets turbulents avec des angles de projection et des vitesses prédéterminés. Ces jets augmentent beaucoup l'intensité de turbulence dans la chambre principale 7, et créent en même temps, selon le choix des angles de projection A et B, une rotation globale beaucoup plus forte que celle induite par l'admission. Cette rotation aide la propagation de la flamme. De plus, au debut de l'allumage, ces jets ne touchent pas le noyau de flamme, cela stabilise la flamme. Selon les différents choix des surfaces des passages et les différents choix des rapports des sections de la chambre secondaire 8 et de la chambre principale 7, les vitesses des jets peuvent être réglées de tellele façon que l'on peut réorganiser le champ turbulent et le champ moyen, et contrôler l'intensité et les zones de turbulence, c'est à dire, créer un état d'écoulement favorable à une combustion rapide. Les revendications sont détaillées uniquement pour la chambre de combustion correspondant aux Fig. 1 et Fig.2. Pour les autres structures dans les figures 3, 4, 5, 6, et 7 les revendications correspondantes se déroulent naturellement. REVENDICATION 1. Une nouvelle chambre de combustion de moteur alternatif qui comprend: 1) Un piston 1 avec dans sa périphérie une concavité 2 sous forme de couronne, et un certain nombre de passages 6 dans son corp; 2) Une culasse 4 avec dans sa périphérie une convexité 5 qui s'adapte à la concavité 2 en fin de la compression formant une chambre secondaire 8. 2. Piston selon la revendication 1, caractérisé en ce que dans sa périphérie, il y a une concavité 2 sous forme de couronne; un certain nombre de passages 6 se situent aussi dans son corp. La concavité 2 s'adapte à la convexté 5 dans la culasse, en fin de compression, forme une chambre secondaire 8. Les passages 6 dans le corp du piston connectent la chambre secondaire 8 et la chambre principale 7. 3. Culasse selon la revendication 1, caractériée en ce que dans sa périphérie, il y a une convexité 5 en forme de couronne, elle s'adapte à la concavité 2 dans le piston 1, en fin de compression, la convexité 5 et la concavité 2 forment une chambre secondaire 8, les passages 6 dans le corp du piston 1 connectent la chambre principale 7 et la chambre secondaire 8. 4. Concavité 2 selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'elle s'adapte à la convexité 5 dans la culasse 4 de telle façon qu'à partir du moment où la chambre secondaire est formée jusqu'au P.M.H., le rapport volumetrique de la chambre secondaire est plus fort que celui de la chambre principale entre les mêmes moments, afin de comprimer et injecter le gaz de la chambre secondaire 8 dans la chambre principale 7. 5. Convexité 5 selon les revendications 1 et 3, caractérisé en ce qu'elle s'adapte à la concavité 2 dans le piston 1 de telle façon qu'à partir du moment où la chambre secondaire 8 est formée jusqu'au P.M.H., le rapport volumetrique de la chambre secondaire 8 est plus fort que celui de la chambre principale 7 entre les mêmes moments, afin de comprimer et injecter le gaz de la chambre secondaire 8 dans la chambre principale 7. 6. Chambre secondaire 8 selon les revendications 1, 2 et 3, caractérisée en ce qu'elle est formée au moment où l'on veut créer des jets, et le rapport volumetrique de cette chambre, à partir de ce moment jusqu'au P.M.H. est plus fort que celui de la chambre principale 7 entre les mêmes moments, afin de comprimer et injecter le gaz de la chambre secondaire 8 dans la chambre principale 7 sous forme de jets turbulents en traversant les passages 6. 7. Passages 6 selon les revendications 1, 2 et 6, caractérisés en ce qu'ils connectent la chambre principale 7 et la chambre secondaire 8. En fin de compression, le gaz comprimé dans la chambre secondaire 8 est injecté dans la chambre principale 7 sous forme de jets turbulents en traversant les passages 6. Les surfaces des orifices des passages 6 sont déterminées par la vitesse voulue des jets et le rapport des sections de concavité 2 (ainsi la convexité 5) et de la chambre principale 7. Les nombres, les positions, les formes et les angles d'ejection sont déterminés de telle façon que l'on puisse réorganiser l'écoulement moyen et l'écoulement turbulent dans la chambre principale à la fin de compression, et créer des turbulences dans les zones voulues.