Brevet FR2714111A1 — publié le 19950623

L'invention concerne un moteur à allumage par compression comportant au moins un cylindre et une préchambre communiquant entre eux par l'intermédiaire d'un canal de transfert ayant des parties successives convergente et divergente. On connaît des moteurs à allumage par compression ou moteurs Diesel comportant, associée à chacun de leurs cylindres une préchambre de turbulence. Le moteur comporte un bloc-cylindre au-dessus duquel est placée une culasse ; à l'intérieur de la culasse sont disposées des prechambres de turbulence de forme approximativement sphérique. Les préchambres de turbulence sont destinées à assurer une bonne qualité de mélange entre le gazole injecté au sein de la préchambre et l'air comburant refoulé dans la préchambre et animé d'un mouvement tourbillonnaire intense. Chacune des préchambres est reliée par un canal de transfert sensiblement rectiligne à une chambre principale qui est délimitée à l'intérieur du cylindre correspondant par la tète d'un piston qui se déplace dans la direction axiale du cylindre et par une partie adjacente de la culasse. Le canal de transfert présente une faible section par rapport à la section du piston du cylindre moteur auquel est associée la préchambre. Pendant la course du piston correspondant à la compression, l'air provenant du cylindre circule dans le canal de transfert à une très grande vitesse. Du fait que le canal de transfert présente un axe ayant une certaine inclinaison par rapport à l'axe de la préchambre parallèle à l'axe du cylindre, un mouvement tourbillonnaire énergique se produit dans la préchambre. On effectue une injection de carburant grâce à un injecteur fixé dans la culasse et débouchant dans la préchambre, pendant la phase de compression au cours de laquelle l'air est animé d'un mouvement tourbillonnaire à l'intérieur de la préchambre. Le carburant est ainsi mélangé de manière intime et efficace à l'air assurant la combustion. Pour faciliter le démarrage du moteur à froid, on assure un préchauffage de la préchambre en utilisant une bougie de préchauffage comportant un élément de chauffage rectiligne qui est en saillie à l'intérieur de la préchambre. Dans une première disposition classique des préchambres d'un moteur à allumage par compression, l'élément de chauffage rectiligne de la bougie de préchauffage est disposé dans une direction faisant un angle voisin de 90" avec l'axe de la préchambre parallèle à l'axe du cylindre. L'élément de chauffage rectiligne de la bougie de préchauffage se trouve en saillie à l'intérieur de la préchambre au-dessus de la partie débouchante du canal de transfert qui est généralement dans une disposition tangentielle par rapport à la partie de la paroi de la préchambre qui est traversée par l'élément chauffant rectiligne de la bougie de préchauffage. Dans une seconde disposition des préchambres d'un moteur à allumage par compression, l'élément de chauffage rectiligne de la bougie de préchauffage est disposé dans une direction sensiblement parallèle à l'axe du cylindre et fait saillie à l'intérieur de la préchambre au voisinage d'une paroi disposée à l'opposé de la paroi située dans le prolongement du canal de transfert tangentiel. Dans le cas d'un moteur ayant la seconde disposition désigné par les techniciens sous la dénomination "Advanced Comet", la bougie perturbe moins le mouvement des gaz dans la préchambre, de sorte que les conditions de melange du carburant et de l'air et donc la combustion sont sensiblement améliorées par rapport aux conditions correspondant à la première disposition généralement désignée sous la dénomination "Comet V". Cependant, l'amélioration des conditions de fonctionnemnt du moteur en ce qui concerne les émissions d'hydrocarbures et de particules solides s'accompagne de proportions plus importantes d'oxyde d'azote dans les gaz d'échappement du moteur. L'augmentation de la production d'oxyde d'azote est liee à la formation d'un courant tourbillonnaire intense à l'intérieur de la préchambre. L'intensité du courant tourbillonnaire est proportionnelle au produit de la vitesse des gaz à la sortie du canal de transfert par la distance entre l'axe du canal de transfert et le centre de la préchambre de forme sensiblement sphérique. De manière à réduire l'intensité du courant tourbillonnaire dans la préchambre, on a propose de réduire la distance entre l'axe du canal de transfert et le centre de la préchambre jusqu a une valeur faible en choisissant, pour le canal de transfert, une disposition sensiblement centrée, c'est-à-dire une disposition telle que l'axe du canal de transfert soit dirigé vers une zone sensiblement centrale de la préchambre. Le canal de transfert dans sa disposition sensiblement centrée debouche dans la préchambre, au voisinage de la partie centrale de la paroi de la préchambre dirigée vers le cylindre. En fait, la disposition combinant un canal de transfert sensiblement centré et une bougie de préchauffage ayant un élément chauffant parallèle à l'axe du cylindre permet théoriquement de réduire les émissions de gaz polluants du moteur à un niveau très bas tout en gardant des caractéristiques de combustion satisfaisantes. C'est effectivement ce qui a pu être observé au cours d'essais normalisés, lorsque le moteur est à bas régimes. Cependant, pour que le moteur fonctionne dans de bonnes conditions à hauts régimes, il est avantageux de maintenir une intensité suffisamment forte du courant tourbillonnaire des gaz à l'intérieur de la préchambre, ce qui favorise l'obtention d'une bonne combustion. On ne connaissait pas jusqu'ici de moyen permettant d'obtenir un courant tourbillonnaire intense dans la préchambre avec un canal de transfert dans une disposition sensiblement centrée. Le but de l'invention est donc de proposer un moteur à allumage par compression comportant au moins un cylindre et une préchambre communiquant avec le cylindre par l'intermédiaire d'un canal de transfert ayant un axe sensiblement rectiligne dirigé vers une zone sensiblement centrale de la préchambre, qui fournisse à la fois de très bonnes conditions de combustion à hauts régimes par un mélange efficace du carburant et de l'air dans la préchambre et de très bonnes caractéristiques anti-polluantes à bas régimes, aussi bien en ce qui concerne les rejets d'hydrocarbures imbrûlés et de particules solides que les rejets d'oxydes de l'azote. Dans ce but, le canal de transfert comporte successivement, dans le sens allant du cylindre vers la préchambre, une partie convergente, un col de section minimale et une partie divergente. Afin de bien faire comprendre l'invention, on va maintenant décrire, à titre d'exemple non limitatif, en se référant aux figures jointes en annexe, un moteur à allumage par compression selon l'invention comportant un canal de transfert successivement convergent puis divergent comparativement à des moteurs à allumage par compression selon l'art antérieur Les figures 1A, 1B et 1C sont des vues en coupe par un plan axial d'une partie d'un moteur à allumage par compression selon l'art antérieur respectivement du type Comet V, du type Advanced Comet et du type à préchambre à canal centré. La figure 2 est une vue en coupe par un plan axial d'un moteur suivant l'invention à canal centré et à disposition Advanced Comet. La figure 2A est une vue à plus grande échelle d'un détail de la figure 2. La figure 3 est un diagramme donnant, en fonction du régime du moteur, la vitesse de sortie des gaz du canal de transfert pendant la phase de compression, dans le cas d'un moteur suivant l'art anterieur et dans le cas d'un moteur suivant l'invention. On va maintenant décrire, en se reportant aux figures 1A, 1B et 1C, un moteur à allumage par compression suivant l'art antérieur et suivant trois variantes correspondant aux configurations Comet V, Advanced Comet et à préchambre à canal centré. Les éléments correspondants sur les figures 1A, 1B et 1C sont désignés par les mêmes repères. Sur les figures 1A, 1B et 1C, on voit une partie du bloc-cylindre 1 et de la culasse 2 d'un moteur à allumage par compression. Le bloc-cylindre 1 comporte des cylindres tels que 3 dans chacun desquels se déplace un piston 4 dans la direction de l'axe 3a du cylindre 3. La culasse 2 est usinée au-dessus de chacun des cylindres de façon à délimiter, à sa partie supérieure, une préchambre de turbulence 5 comportant un injecteur de carburant 6 débouchant dans le volume interne de la préchambre 5. La préchambre 5 de forme sensiblement sphérique qui est délimitée à sa partie supérieure par une paroi interne hémisphérique usine à l'intérieur de la culasse 2 comporte une partie inférieure usinée à l'intérieur d'une pièce 8 rapportée et fixée à l'intérieur d'un logement usiné dans la culasse 2. A l'intérieur de chacune des préchambres 5 des moteurs représentés sur les figures 1A, 1B et 1C, débouche un élément chauffant rectiligne d'une bougie de préchauffage destinée à permettre le démarrage à froid du moteur. Dans le cas du moteur représenté sur la figure 1A présentant une configuration du type Comet V, la bougie de préchauffage 7a est disposée de manière que son élément chauffant 7'a fasse un angle voisin de 90" avec l'axe 5a de la préchambre parallèle à l'axe 3a du cylindre. Le canal de transfert 10a mettant en communication la chambre principale du cylindre 3a délimitée par le piston 4 et la surface 2a de la culasse avec la préchambre 5 a une disposition tangentielle par rapport à la paroi sphérique de la préchambre qui est traversee par l'élément chauffant 7'a de la bougie de préchauffage 7a. De ce fait, l'élément chauffant 7'a est disposé au-dessus du canal de transfert 10a, sur le trajet des gaz introduits dans la préchambre pendant la phase de combustion. I1 en résulte une perturbation du mouvement tourbillonnaire des gaz dans la préchambre 5, de sorte que le carburant injecté par l'injecteur 6 dans le volume interne de la préchambre entre en contact avec un flux perturbé et donc d'efficacite réduite pour réaliser le mélange du carburant et de l'air admis dans la préchambre et donc pour favoriser la combustion. Du fait d'une combustion retardée et moins efficace, les gaz du moteur peuvent renfermer des quantités relativement importantes d'hydrocarbures imbrûlés et de particules de suies. Dans le cas du moteur représenté sur la figure 1B ayant une configuration du type Advanced Comet, la bougie de préchauffage 7b est disposée de manière que l'axe de l'élément chauffant 7'b saillant dans la préchambre fasse un angle faible avec l'axe 5a de la préchambre 5 parallèle à l'axe 3a du cylindre. De plus, le canal de transfert 10b usiné dans la piece rapportée 8 presente une disposition tangentielle analogue à la disposition du canal 10a du moteur représente sur la figure 1A. Dans le cas du moteur représenté sur la figure 1B, l'air admis dans la chambre principale du cylindre qui est refoulé dans la préchambre 5 lors de la compression donne naissance à un courant tourbillonnaire intense à l'intérieur de la préchambre 5, ce courant tourbillonnaire étant très peu perturbé et très peu ralenti par la bougie de préchauffage dont l'élément chauffant 7'b est disposé à proximité de la paroi interne de la préchambre opposée à la paroi d'entrée par rapport à laquelle le canal d'entrée 10b est place tangentiellement. Le mélange du carburant avec l'air et la combustion sont réalisés dans de bonnes conditions, si bien que les gaz du moteur renferment des proportions sensiblement réduites d'hydrocarbures imbrûlés et de particules de suies, par rapport aux gaz d'un moteur tel que représenté sur la figure 1A. Cependant, l'analyse des gaz à l'échappement montrent que ces gaz renferment des proportions notables d'oxydes d'azote qui sont liés à la formation d'un écoulement tourbillonnaire intense à l'intérieur de la préchambre 5. Sur la figure 1C, on a représenté un moteur à allumage par compression dont la bougie de préchauffage 7c est disposée de la même manière que la bougie 7b du moteur représenté sur la figure 1B, c'est-à-dire avec son élément chauffant rectiligne 7'c faisant un angle faible avec l'axe 5a de la préchambre parallèle à l'axe 3a du cylindre 3. Le canal de transfert 10c usine dans la pièce 8 rapportée à l'intérieur de la culasse 2 est percé dans une direction telle que son axe soit dirigé vers une partie sensiblement centrale de la préchambre 5. Le canal 10c n'a donc pas une disposition tangentielle par rapport à la paroi d'entrée de la préchambre et débouche sensiblement au centre d'une paroi plane constituant la partie de la paroi de la préchambre dirigée vers le cylindre 3. La distance d entre l'axe du canal 10c et le centre de la préchambre 5 est sensiblement réduite par rapport à la distance correspondante dans le cas de l'utilisation d'un canal tangentiel tel que le canal 10a et le canal 10b. L'intensité du courant tourbillonnaire des gaz à l'intérieur de la préchambre 5 qui est proportionnelle au produit de la vitesse v des gaz à la sortie du canal de transfert par la distance a est donc réduite par rapport à l'intensité correspondante dans le cas des moteurs à canal tangentiel tels que représentés sur les figures 1A et 1B. Du fait de l'amplitude réduite du courant tourbillonnaire, le moteur à préchambre à canal centré représente sur la figure 1C permet de diminuer sensiblement les rejets d'oxydes d'azote, par rapport à ceux d'un moteur de type Advanced Comet représenté sur la figure 1B. Cependant, lorsqu'on fait fonctionner le moteur à haut régime, l'intensité du courant tourbillonnaire proportionnelle au produit v x d peut être insuffisante pour assurer un bon mélange du carburant et de l'air et une combustion satisfaisante. La disposition du moteur suivant l'invention represente sur les figures 2 et 2A permet d'augmenter de manière significative l'intensité du flux tourbillonnaire dans la préchambre tout en utilisant une disposition à canal centré permettant de limiter la formation et les rejets d'oxydes d'azote. Le moteur représenté sur la figure 2 comporte un bloc-cylindre 11 et une culasse 12 reposant sur le bloccylindre 11 par l'intermédiaire d'une face plane 12a, avec interposition d'un joint de culasse. Le bloc-cylindre 11 comporte des cylindres tels que 13 dans chacun desquels se déplace un piston 14 dans la direction de l'axe 13a du cylindre 13. La culasse 12 est usinée au-dessus de chacun des cylindres 13, de façon à délimiter la partie supérieure d'une préchambre de turbulence 15 comportant un injecteur de carburant 16 et une bougie de préchauffage 17 comportant un élément chauffant 17a en saillie à l'intérieur de la préchambre 5. La bougie 17 et l'élément chauffant 17a sont disposés de la même manière que les bougies 7b et 7c des moteurs suivant l'art antérieur représentés sur les figures 1B et 1C. L'axe de l'élément chauffant 17a est sensiblemnt parallèle à l'axe 15a de la préchambre 15 parallèle à l'axe 13a du cylindre 13. La préchambre 15 de forme sensiblement sphérique qui est délimitée à sa partie supérieure par une paroi interne hémisphérique usinée à l'intérieur de la culasse 12 comporte une partie inférieure usinée à l'intérieur d'une pièce 18 rapportée et fixée à l'intérieur d'un logement usiné dans la culasse 12, Un canal de transfert 20 est usiné dans la pièce rapportée 18, de manière à assurer une mise en communication entre la chambre principale du cylindre entre le piston 14 et la surface 12a de la culasse et la préchambre 15. Le canal 20 présente un axe rectiligne 20' dirigé vers une zone sensiblement centrale de la préchambre 15 de forme sensiblement sphérique, de sorte que la distance d entre l'axe 20' du canal de transfert 20 et le centre de la préchambre est relativement faible et sensiblement inférieure au rayon R de la préchambre sphérique. Le canal 20 débouche dans la préchambre 15, par une ouverture 20a située sensiblement à la partie centrale d'une paroi plane de la préchambre 15 dirigée vers le cylindre 3. Selon l'invention, le canal 20 est réalisé de manière à présenter successivement dans le sens allant de la chambre principale du cylindre 13 vers la préchambre 15, une partie convergente 21, un col 23 de section minimale et une partie divergente 22 débouchant dans la préchambre 15 par l'ouverture de sortie 20a du canal de transfert. L'ouverture d'entrée 20b du canal de transfert 20 débouchant dans la chambre du cylindre 13 présente une aire S et la section minimale 23 une aire s. De préférence, le rapport s/S est inférieur à 0,5 et généralement voisin de 0,4. Dans le cas d'un canal de transfert 20 dont la section d'entrée S est de 0,5 cm2, la section s du col du canal 20 de forme convergente-divergente est de l'ordre de 0,2 cm2. L'air injecté dans le canal 20, pendant la phase de compression, est accéléré par le canal de transfert, de sorte que la vitesse V à la sortie du canal de transfert est sensiblement supérieure à la vitesse v qui serait obtenue dans les mêmes conditions de fonctionnement du moteur, en utilisant un canal de transfert cylindrique de section constante. Dans les conditions de fonctionnement normales d'un moteur tel que décrit, pour des sections du canal de transfert telles qu'indiquées, on obtient une augmentation de la vitesse de l'air à la sortie du canal de transfert de l'ordre de 15 %. L'intensité de l'écoulement tourbillonnaire des gaz qui est proportionnelle au produit de la vitesse de l'air par la distance de l'axe du canal de transfert au centre de la préchambre se trouve maintenue à un niveau satisfaisant, malgré la réduction de la distance de l'axe du canal de transfert au centre de la préchambre venant de l'utilisation d'un canal sensiblement centré permettant de diminuer la formation et le rejet d'oxydes d'azote. Le fonctionnement du moteur reste donc satisfaisant à haut régime du fait que l'écoulement tourbillon naire présente une forte intensité due à l'augmentation de la vitesse de l'air à la sortie du canal de transfert. Sur la figure 3, on a représenté, en fonction du régime du moteur donné par le nombre de tours N par minute, la variation de la vitesse des gaz v à la sortie du canal de transfert d'un moteur suivant l'art antérieur comportant un canal cylindrique et la vitesse V des gaz à la sortie du canal de transfert d'un moteur suivant l'invention comportant un canal de forme convergente-divergente. A bas régime du moteur, le nombre de tours étant inférieur N1, les vitesses v et V varient de la même façon et de manière proportionnelle par rapport au régime N du moteur. Pour les plus hauts régimes, au-delà de N1 tours par minute, les courbes représentatives des vitesse V et v s'écartent l'une de l'autre, la vitesse v de sortie des gaz d'un canal cylindrique restant proportionnelle au régime du moteur, alors que la vitesse V des gaz à la sortie d'un canal convergent-divergent suit une loi différente d'allure parabolique. L'accroissement de la vitesse des gaz à la sortie du canal de transfert, dans le cas d'un canal de forme convergente-divergente selon l'invention augmente donc progressivement, au-delà d'une certaine valeur du régime du moteur (en tours/minute). Lorsque le moteur est à bas régime (N Lorsque le moteur fonctionne à plus haut régime (N > N1), les vitesses à l'entrée du canal de transfert deviennent suffisantes pour que le conduit convergentdivergent produise une accélération sensible des gaz, si bien que la vitesse de sortie de ces gaz V est supérieure à la vitesse de sortie v des gaz d'un canal de transfert cylindrique à section constante. L'accroissement de vitesse dû à l'utilisation d'un canal convergent-divergent peut être calculé pour compenser, à haut régime, une intensité insuffisante du courant tourbillonnaire dans la préchambre due à l'utilisation d'un canal centré pour lequel la distance d entre l'axe du canal et le centre de la chambre est faible. On peut ainsi obtenir un moteur à allumage par compression comportant un canal centré qui fonctionne de manière satisfaisante à bas et à hauts régimes et qui produit en particulier des gaz peu chargés en hydrocarbures imbrûlés, en particules solides et en oxydes d'azote. Ce résultat est obtenu par un simple usinage de la pièce rapportée à l'intérieur de la culasse, sans avoir à modifier les caractéristiques géométriques et dimensionnelles de la culasse. En particulier, l'inclinaison des puits de 1 'in- jecteur et de la bougie de préchauffage n'a pas à être modifiée. L'invention ne se limite pas au mode de réalisation qui a été décrit. C'est ainsi qu'on peut utiliser un canal convergent-divergent dont les caractéristiques, et en particulier le rapport s/S, sont différentes de celles qui ont été indiquées, en fonction des conditions de fonctionnement du moteur. On pourra en particulier, en fonction de la distance d de l'axe du canal sensiblement centré au centre de la préchambre, prévoir un canal convergent-divergent dont les caractéristiques permettent d'obtenir un effet d'accélération des gaz pour produire un courant tourbillonnaire d'une intensité suffisante dans la préchambre. L'invention s'applique à tous les moteurs à allumage par compression et en particulier à tous les moteurs Diesel rapides comportant au moins un cylindre auquel est associée une préchambre de turbulence ayant un canal de transfert dans une disposition centrée. REVENDICATIONS 1.- Moteur à allumage par compression comportant au moins un cylindre (13) et une préchambre (15) communiquant avec le cylindre (13) par l'intermédiaire d'un canal de transfert (20) ayant un axe (20') sensiblement rectiligne dirigé vers une zone sensiblement centrale de la préchambre (15), caractérisé par le fait que le canal de transfert (20) comporte successivement dans le sens allant du cylindre (13) vers la préchambre (15), une partie convergente (21), un col (23) de section minimale et une partie divergente (22). 2.- Moteur suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que la préchambre (15) comporte une bougie de préchauffage (17) ayant un élément chauffant (17a) sensiblement rectiligne en saillie à l'intérieur de la préchambre dont l'axe est sensiblement parallèle à l'axe (13a) du cylindre (13) suivant lequel se déplace un piston (14). 3.- Moteur suivant l'une quelconque des revendications 1 et 2 comportant une préchambre (15) de forme sensiblement sphérique caractérisé par le fait que l'axe rectiligne (20') du canal de transfert (20) est à une distance ~ du centre de la préchambre sensiblement inférieure au rayon R de la préchambre sphérique (15). 4.- Moteur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que le rapport s/S de la section minimale s du canal de transfert au niveau du col (23), à l'aire S de la section d'entrée (20b) du canal de transfert (20) débouchant dans le cylindre (13) est inférieur à 0,5. 5.- Moteur suivant la revendication 4, caractérisé par le fait que le rapport s/S est voisin de 0,4.