Brevet FR2713282A1 — publié le 19950609

L'invention concerne un moteur à allumage par compression à injection directe, à combustion améliorée. On connaît des moteurs à allumage par compression ou moteurs Diesel à injection directe qui comprennent un bloc-cylindre dans lequel est ménagé au moins un cylindre, au moins un piston monté mobile dans la direction de l'axe du cylindre, une culasse superposée au bloccylindre dans laquelle sont ménagés au moins un conduit d'admission et un conduit d'échappement débouchant dans le cylindre et des soupapes d'admission et d'échappement pour assurer la fermeture des conduits d'admission et d'échappement respectivement ainsi qu'un injecteur de carburant débouchant dans le cylindre. Dans de tels moteurs, le piston est usiné de préférence pour présenter une cavité débouchant sur sa surface qui est dirigée vers la culasse, cette cavité ou bol ayant une symétrie de révolution autour d'un axe. La cavité du piston ou bol et la culasse définissent une chambre de combustion à l'intérieur du cylindre dans laquelle débouchent l'injecteur et les conduits d'admission et d'échappement. Lors du déplacement du piston en direction de la surface d'appui de la culasse, c'est-à-dire dans une phase de compression, l'air provenant du conduit d'admission, généralement sous la forme d'un courant tourbillonnaire, pénètre dans une première partie de la chambre de combustion comprise entre la surface plane d'extrémité du piston dirigée vers la culasse et la surface d'appui de la culasse. Du fait du déplacement du piston dans le sens de la compression, l'air contenu dans cette première partie de la chambre de combustion ou zone de chasse est ensuite chassé énergiquement à l'intérieur du bol sous la forme d'un courant tourbillonnaire. Du carburant introduit par l'injecteur à l'intérieur du courant tourbillonnaire est pulvérisé et mélangé intimement au courant d'air tourbillonnaire, en particulier à l'intérieur du bol. La combustion du carburant intervient plus ou moins rapidement après le début de l'injection, à l'intérieur de la chambre principale de combustion du cylindre dans laquelle on réalise directement l'injection de carburant. Dans les moteurs à allumage par compression à pré-chambre de turbulence, l'injection de carburant est réalisée à l'intérieur d'une pré-chambre distincte de la chambre de combustion du cylindre. Un des inconvénients des moteurs à injection directe connus de l'art antérieur est qu'il existe des zones à l'intérieur de la chambre de combustion dans lesquelles l'écoulement de gaz ne présente pas une vitesse suffisante, pendant la phase de compression, pour assurer un bon mélange des gaz comburants et des gouttelettes liquides de carburant et donc une bonne vaporisation du carburant. En particulier, dans le cas des moteurs du type décrit ci-dessus comportant un piston ménageant un bol constituant une partie essentielle de la chambre de combustion, il existe une zone d'écoulement à très faible vitesse au voisinage de la partie du fond du bol située du côté du conduit d'admission. L'axe de symétrie de révolution de la cavité du piston est parallèle à l'axe du cylindre mais n'est généralement pas confondu avec cet axe. Il peut en résulter un décalage de la cavité par rapport à la zone d'admission, de sorte que l'air en provenance de la zone de chasse située sous la soupape d'admission peut présenter de très faibles vitesses au voisinage du fond du bol, en aval de la partie de la zone de chasse située du côté admission. Dans cette zone d'écoulement à faible vitesse, la vaporisation du carburant est insuffisante, ce qui peut se traduire par une combustion inexistante ou insuffisante de gouttelettes du carburant constitué par du gazole liquide, dans la zone correspondante de la chambre de combustion. Il peut en résulter des niveaux élevées de fumées, d'hydrocarbures imbrûlés et de particules dans les gaz d'échappement du moteur, au détriment des performances et d'un fonctionnement non polluant de ce moteur. Le but de l'invention est donc de proposer un moteur à allumage par compression à injection directe comprenant un bloc-cylindre dans lequel est ménagé au moins un cylindre, au moins un piston monté mobile dans le direction de l'axe du cylindre, une culasse superposée au bloc-cylindre dans laquelle sont ménagés au moins un conduit d'admission et un conduit d'échappement débouchant dans le cylindre, une soupape de fermeture de chacun des conduits et un injecteur de carburant débouchant dans le cylindre, le piston comportant de plus une cavité débouchant sur une surface dirigée vers la culasse, ayant une symétrie de révolution, de manière que la cavité du piston et la culasse définissent une chambre de combustion à l'intérieur du cylindre dans laquelle débouchent l'injecteur et les conduits d'admission et d'échappement, ce moteur permettant d'obtenir une combustion améliorée du carburant et d'améliorer ainsi les performances et les caractéristiques anti-pollution du moteur. Dans ce but, l'axe de symétrie de révolution de la cavité du piston fait un angle a au moins égal à 5 avec l'axe du cylindre. Afin de bien faire comprendre 1 invention, on va maintenant décrire un moteur à allumage par compression à injection directe suivant l'invention, à titre non limitatif, en se référant aux figures jointes en annexe. La figure 1 est une vue schématique en perspective avec arrachement d'un cylindre d'un moteur à allumage par compression et à injection directe suivant l'art antérieur. Les figures 2 et 3 sont des vues en coupe par des plans axiaux différents du cylindre de moteur représenté sur la figure 1. La figure 4 est une vue en coupe axiale, analogue à la vue de la figure 3, d'un moteur selon l'invention. La figure 5 est une vue analogue à la vue de la figure 4 montrant l'écoulement des gaz dans la chambre de combustion du cylindre en fin de compression. Sur les figures 1, 2 et 3, on voit la partie supérieure d'un cylindre 1 d'un moteur Diesel à injection directe selon l'art antérieur. Le cylindre 1 est ménagé à l'intérieur d'un bloc-cylindre 2 sur lequel est rapportée une culasse 3 venant en appui sur le bloc-cylindre par l'intermédiaire d'un joint de culasse 5. Un piston 4 est monté mobile à l'intérieur du cylindre 1, suivant la direction de l'axe 6 du cylindre. Un conduit d'admission 7 et un conduit d'échappement 8 sont ménagés à l'intérieur de la culasse et comportent une extrémité débouchant à l'intérieur du cylindre 1. Une soupape d'admission 9 et une soupape d'échappement 10 sont montées mobiles dans la culasse 3, de manière que leur tête assure l'ouverture ou la fermeture de l'extrémité du conduit d'admission 7 et du conduit d'échappement 8, respectivement. Le conduit d'admission 7 présente une surface interne en forme d'hélice, de manière à produire un mouvement tourbillonnaire dans le courant d'air 11 pénétrant dans le cylindre 1, lors de l'ouverture de la soupape d'admission 9. Dans la culasse 3 sont également montés un injecteur de carburant liquide 12 débouchant dans le cylindre 1 et une bougie de préchauffage 13 faisant saillie à l'intérieur du cylindre 1. Le piston 4 est usiné de manière à présenter une cavité 14, sensiblement dans sa partie centrale, débouchant sur la surface plane 4a d'extrémité du piston 4 dirigée vers la culasse 3. La cavité 14 ou bol présente un fond ayant la forme d'une surface symétrique de révolution d'axe de symétrie 15. L'axe 15 est parallèle à l'axe 6 du cylindre et décalé par rapport à celui-ci d'une distance d. La méridienne du fond de la cavité 14 a été représentée sur les figures 2 et 3. Sur les figures 1 et 3, on a de plus représenté par des flèches, l'écoulement des gaz dans la partie supérieure du cylindre, pendant la phase de compression, lorsque le piston 4 se déplace dans le sens de la flèche 16 et parvient au voisinage de son point mort haut, à la fin de la compression. La chambre de combustion 18 du cylindre 1 comporte une première partie 17 ou zone de chasse délimitée par la surface plane d'extrémité 4a du piston 4 et la surface 3a de la culasse dirigée vers le cylindre 1. La zone de chasse 17 ayant la forme d'un cylindre dont la hauteur correspond sensiblement à l'épaisseur du joint de culasse 5 communique avec la seconde partie de la chambre de combustion 18 constituée par le volume de la cavité 14. L'air admis sous la forme d'un courant tourbillonnaire 11 (figure 1) pénètre dans la zone de chasse 17 de la chambre de combustion 18 du cylindre 1 sous la forme du courant tourbillonnaire représenté par la flèche 19a. Le piston se déplaçant dans le sens de la flèche 16 et exerçant une compression dans la zone de chasse 17 de la chambre de combustion 18 réalise une injection d'air à grande vitesse à l'intérieur de la cavité 14, comme représenté par les flèches 19b sur la figure 3. L'air chassé dans la cavité 14 constitue un écoulement tourbillonnaire, comme représenté par les flèches 19c sur les figures 1 et 3. Cependant, du fait du décalage d entre l'axe 6 du cylindre 1 et l'axe 15 de la chambre 14, la vitesse du flux d'air dans la zone 18a de la chambre de combustion 18 est considérablement réduite ; l'air provenant de la partie de la zone de chasse immédiatement en aval de la soupape d'admission 9 ne peut réaliser un balayage efficace du fond de la cavité 14 dans la zone 18a située du côté de l'admission. La zone 18a est une zone morte dans laquelle les écoulements de gaz à très faible vitesse ne peuvent assurer une pulvérisation efficace du carburant liquide. L'injection du carburant est réalisée à l'intérieur de la chambre de combustion 18 par l'injecteur 12 qui est un injecteur multitrous, sous la forme d'une pluralité de jets de gazole dirigés suivant une nappe conique à l'intérieur de la cavité 14. Les caractéristiques de l'injection de carburant qui déterminent les conditions d'inflammation et de combustion à l'intérieur de la chambre de combustion 18 dépendent principalement de l'interaction des jets entre eux, de l'interaction des jets avec l'écoulement de gaz dans la chambre et de l'interaction des jets avec les parois de la chambre. En fonction de ces caractéritiques, la combustion intervient plus ou moins rapidement après le début de l'injection. La durée entre le début d'injection et le début de combustion s'appelle le délai. Indépendamment de ces caractéristiques qui définissent de manière générale les conditions relatives à la combustion, l'existence de zones mortes telles que la zone 18a produit une dégradation de la combustion et donc la formation de fumées, de particules et d'imbrûlés dans les gaz. Sur les figures 4 et 5, on a représenté une partie du cylindre d'un moteur à allumage par compression et à injection directe suivant l'invention qui fonctionne selon les principes généraux qui ont été rappelés cidessus. Les éléments du moteur représenté sur les figures 4 et 5 sont désignés par des repères augmentés de 20 par rapport aux repères par lesquels sont désignés les éléments correspondants du moteur représenté sur les figures 1 à 3. Le moteur suivant l'invention représenté sur les figures 4 et 5 comporte un cylindre 21 à l'intérieur duquel est monté un piston 24 mobile suivant la direction de l'axe 26 du cylindre 21. Sur le bloc-moteur 22 dans lequel est ménagé le cylindre 21, est rapportée une culasse 23 avec interposition d'un joint de culasse 25, Une soupape d'admission 29 et une soupape d'échappement 30 sont montées dans la culasse 23, de manière à assurer l'ouverture et la fermeture d'un conduit d'admission et d'un conduit d'échappement débouchant dans le cylindre 21. Un injecteur multitrous permet d'injecter au moment voulu, dans la chambre de combustion 38 du cylindre 21, des jets de carburant, suivant une nappe conique 32. La chambre de combustion 38 comporte une zone de chasse 37 comprise entre la surface plane d'extrémité 24a du piston 24 et la surface de la culasse et une cavité 34 ménagée à l'intérieur du piston 24 et débouchant sur sa surface 24a en vis-à-vis de la culasse 23. La nappe conique de jets de carburant 32 formée par l'injecteur présente une ouverture et une disposition par rapport à la cavité 34 permettant d'éviter l'impact des jets de carburant sur le dôme central 34a de la cavité 34. Selon l'invention, le fond de la cavité 34 usinée à l'intérieur du piston 24 présente la forme d'une surface de révolution autour d'un axe de symétrie de révolution 35 faisant un angle a supérieure à 5" avec la direction de l'axe 26 du cylindre. Sur la figure 4, on a représenté, à titre comparatif, le contour 14' de la courbe méridienne d'une cavité d'un moteur à injection directe selon l'art antérieur tel que décrit en regard des figures 1, 2 et 3. On a également représenté l'axe de symétrie 26' de la cavité 14' parallèle à l'axe 26 du cylindre et à une distance a de cet axe. L'axe 35 de la surface de révolution constituant le fond de la cavité 34 qui fait un angle a avec l'axe 26' du fond 14' d'une cavité suivant l'art antérieur est concourant avec l'axe 26' en un point situé au voisinage de la partie centrale du fond de la cavité 34 constitué par le dôme 34a. Le fond de la cavité 34 est incliné de manière que sa partie située directement en aval de la soupape d'admission 29 et du conduit d'admission soit plus proche de la surface d'extrémité plane 24a du piston 24 et de la surface en vis-à-vis 23a de la culasse 23 que la partie située directement en aval de la soupape d'échappement 30 et du conduit correspondant. Sur la figure 5, on a représenté le piston 24 en cours de déplacement dans la direction de l'axe 26 dans le sens de la flèche 36, le piston 24 étant parvenu tout près de son point mort haut, en fin de compression. L'air admis dans le cylindre et contenu dans la zone de chasse 37 est injecté dans la cavité 34 par effet de chasse dû à la remontée du piston, comme indiqué par les flèches 39b. L'air dans la zone de chasse est d'autre part mis en mouvement selon l'écoulement tourbillonnaire principal 39a, du fait de la forme du conduit d'admission. L'écoulement résultant 39c à l'intérieur de la chambre 34 est un écoulement tourbillonnaire assurant le balayage du fond de la cavité 34, comme représenté par les flèches 39c. Du fait de la disposition de la cavité 34, la partie de cette cavité directement à l'aval de la soupape d'admission 29 se trouve à une distance réduite de la surface d'extrémité plane du piston et de la surface en vis-à-vis de la culasse 23, de sorte que les courants tourbillonnaires 39c assurent un balayage de l'ensemble de la cavité, jusqu'au fond de celle-ci, dans la zone située en aval de la soupape d'admission 29. On évite ainsi la présence d'une zone morte analogue à la zone 18a représentée sur la figure 3. On peut ainsi obtenir une combustion satisfaisante du carburant dans l'ensemble de la cavité 34 et de la chambre de combustion 38. Les performances du moteur et ses caractéristiques anti-polluantes sont donc considérablement améliorées. L'angle d'inclinaison a de l'axe de la cavité 34 ou bol par rapport à l'axe 26 du cylindre est choisi de manière à réaliser le meilleur compromis possible entre plusieurs exigences. Tout d'abord, cet angle doit avoir une valeur suffisante pour permettre d'éliminer au mieux la zone morte au fond de la partie du bol 34 située à l'aval de la soupape d'admission. D'autre part, l'inclinaison doit être choisie de manière que la position relative du dôme central 34a et de la nappe conique d'injection 32 des jets de carburant permette d'éviter un impact des jets sur le dôme central 34a. Enfin, il faut assurer un maintien d'un rapport volumétrique de compression voulu à l'intérieur de la chambre de combustion 38 pendant la phase de compression du piston et tenir compte de toutes les contraintes géométriques relatives à la construction du moteur. En pratique, il s'est avéré que l'angle a devait être compris entre 5 et 35C dans le cas de tous les moteurs à allumage par compression utilisés sur les véhicules rapides. Bien entendu, l'invention ne se limite pas au mode de réalisation qui a été décrit. C'est ainsi que le bol peut avoir un fond constitué par une surface symétrique de révolution dont la forme est différente de celle qui a été décrite et représentée. L'invention s'applique bien sûr à des moteurs multicylindres et à des moteurs à allumage par compression comportant plus de deux soupapes par cylindre. De manière générale, l'invention s'applique dans le cas de tous les moteurs à allumage par compression à injection directe pour des véhicules. REVENDICATIONS 1.- Moteur à allumage par compression à injection directe comprenant un bloc-cylindre (2, 22) dans lequel est ménagé au moins un cylindre (1, 21), au moins un piston (4, 24) monté mobile dans la direction de l'axe du cylindre (6, 26), une culasse (3, 23) superposée au bloc-cylindre (2, 22) dans laquelle sont ménagés au moins un conduit d'admission (7) et un conduit d'échappement (8) débouchant dans le cylindre (1, 21), une soupape (9, 29 10, 30) de fermeture de chacun des conduits (7, 8) et un injecteur de carburant (12) débouchant dans le cylindre (1, 21), le piston (4, 24) comportant de plus une cavité (14, 34) débouchant sur une surface (4a, 24a) dirigée vers la culasse (3, 23), ayant une symétrie de révolution, de manière que la cavité (14, 34) du piston (4, 24) et la culasse (3, 23) définissent une chambre de combustion (18, 38) à l'intérieur du cylindre (1, 21) dans laquelle débouchent l'injecteur (12) et les conduits d'admission et d'échappement (7, 8), caractérisé par le fait que l'axe de symétrie de révolution (35) de la cavité (34) du piston (24) fait un angle a au moins égal à 5 avec l'axe (26) du cylindre (21). 2.- Moteur suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que l'axe (35) de la cavité (34) est incliné d'un angle a par rapport à l'axe (26) du cylindre, dans un sens tel que la partie de la cavité (34) symétrique de révolution située directement en vis-à-vis du conduit et de la soupape d'admission (29) soit plus proche de la surface (24a) du piston (24) dirigée vers la culasse (23) que la partie de la cavité (34) disposée en vis-à-vis du conduit et de la soupape d'échappement (30). 3.- Moteur suivant la revendication 2, caractérisé par le fait que la partie centrale (34a) de la cavité (34) est dans une position décalée d'une distance (d) par rapport à l'axe (26) du cylindre en direction du conduit et de la soupape d'échappement (30). 4.- Moteur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que la cavité (34) comporte un fond ayant un dôme central (34a) en saillie en direction de l'ouverture débouchante de la cavité (34) sur la surface du piston (24) dirigée vers la culasse (23). 5.- Moteur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que l'axe de symétrie (35) de la cavité (34) du piston (24) fait un angle compris entre 5 et 35 avec l'axe (26) du cylindre.