Brevet FR2716495A1 — publié le 19950825

La présente invention est relative à un moteur à allumage par compression à injection directe du type comprenant un bloc-cylindre, au moins un piston monté mobile dans la 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 et comportant un axe de symétrie, le piston comportant de plus une cavité ayant une symétrie de révolution autour d'un axe et débouchant sur une surface dirigée vers la culasse, 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, l'axe de l'injecteur étant incliné d'un angle a par rapport à l'axe du cylindre. Dans de tels moteurs à allumage par compression ou moteurs Diesel connus, lors du déplacement du piston en direction de la surface d'appui de la culasse, c'est-àdire dans une phase de compression, l'air provenant du conduit d'admission, généralement sous la forme d'un écoulement 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, appelée également zone de chasse, est ensuite chassé énergiquement à l'intérieur de la cavité sous la forme d'un courant tourbillonnaire. Du carburant introduit par l'injecteur à l'intérieur du courant tourbillonnaire est pulvérisé et mélangé intimement à ce courant d'air tourbillonnaire, en particulier à l'intérieur de la cavité. La combustion du carbu rant 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 préchambre de turbulence, l'injection de carburant est réalisée à l'intérieur d'une préchambre distincte de la chambre de combustion du cylindre. L'architecture classique des moteurs à injection directe actuels ayant une culasse et pour chacun des cylindres, une soupape d'admission et une soupape d'échappement montées dans la culasse laisse peu de liberté sur la position et l'inclinaison de l'injecteur par rapport à l'axe du cylindre considéré. En effet, l'encombrement des conduits d'admission et d'échappement et des organes de distribution impose généralement une inclinaison forcée de l'injecteur par rapport à l'axe de son cylindre. Cette inclinaison de l'injecteur entraîne une position dissymétrique de celui-ci par rapport à la cavité qui a généralement pour axe de symétrie, l'axe du cylindre. La dissymétrie est compensée par la conception du nez de l'injecteur qui possède des trous d'injection de longueurs différentes et inclinés différemment par rapport à l'axe de symétrie de l'injecteur. Ces différences géométriques des trous de l'injecteur induisent des différences de comportement hydraulique de ces trous, ce qui conduit à des problèmes de répartition non uniforme des quantités injectées par les trous ainsi que des conditions d'injection non uniforme selon le trou considéré, en terme d'impulsion du jet. Les dispersions des quantités de carburant injectées et d'impulsion des jets de carburant formés par les trous de l'injecteur ont une influence importante sur la pénétration de chaque jet à l'intérieur de la cavité avec un risque d'impact des jets sur la paroi intérieure de celle-ci. Une telle géométrie du nez d'injecteur imposée par l'inclinaison de celui-ci par rapport à la cavité du piston ne permet donc pas une bonne maîtrise du déroulement de la combustion. I1 peut en résulter des niveaux élevés 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. Dans le cas des moteurs comportant quatre soupapes par cylindre, l'injecteur peut être placé sensiblement suivant l'axe du cylindre et, dans ce cas, l'injecteur peut être réalisé de manière entièrement symétrique, l'axe de la cavité étant parallèle à l'axe du cylindre. Cependant, une telle conception peut être difficile à mettre en oeuvre pour des questions d'encombrement, puisqu'il faut loger quatre soupapes au-dessus de chaque cylindre, à l'intérieur de la culasse. L'invention a pour but d'améliorer les dispersions de répartition des quantités de carburant injectées et des conditions d'injection par des moyens simples, fiables et au moindre coût. A cet effet, l'invention a pour objet un moteur à allumage par compression à injection directe du type précité, caractérisé en ce que l'axe de symétrie de la cavité est incliné du même angle a que l'axe de l'injecteur par rapport à l'axe du cylindre, de manière à être parallèle à l'axe de l'injecteur. Un exemple de réalisation de l'invention va maintenant être décrit en regard des dessins annexés, sur lesquels - La figure 1 est une vue schématique en perspective avec arrachement d'un cylindre d'un moteur à allu mage par compression et à injection directe suivant l'art antérieur ; - La figure 2 est une vue en coupe d'un nez d'injecteur suivant l'art antérieur - La figure 3 est une vue en coupe d'un cylindre d'un moteur selon 1 invention, les traits en pointillés représentant l'art antérieur ; et - La figure 4 est une vue en coupe d'un nez d'injecteur selon l'invention. Sur la figure 1, 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 2 par l'intermédiaire d'un joint de culasse (non représenté). Un piston 5 est monté mobile à l'intérieur du cylindre 1, suivant la direction de l'axe 6 du cylindre 1. Un conduit d'admission 7 et un conduit d'échappement 8 sont ménagés à l'intérieur de la culasse 3 et comportent chacun 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, dont le corps comporte un axe de symétrie 13, débouchant dans le cylindre 1 et une bougie de préchauffage (non représentée) faisant saillie à l'intérieur du cylindre 1. La géométrie des conduits d'admission 7 et d'échappement 8 ainsi que celle des soupapes 9 et 10 impose à l'axe 13 de l'injecteur 12 de former un angle a avec l'axe 6 du cylindre 1. Le piston 5 est usiné de manière à présenter une cavité 15, sensiblement dans sa partie centrale, débouchant sur la surface plane 16 d'extrémité du piston 5 dirigée vers la culasse 3. La cavité 15 ou bol présente un fond ayant la forme d'une surface symétrique de révolution d'axe de symétrie 17. On a représenté sur la figure 1, la méridienne du fond de cette cavité. L'axe de symétrie 17 de la cavité 15 est parallèle à l'axe 6 du cylindre 1 et est décalé par rapport à celui-ci d'une distance d. Par conséquent, l'axe 13 de l'injecteur 12 et l'axe de symétrie 17 de la cavité 15 forment un angle a l'un par rapport à l'autre. Sur la figure 1, on a de plus représenté par des flèches, l'écoulement des gaz dans la partie supérieure du cylindre 1, pendant la phase de compression, lorsque le piston 5 se déplace dans le sens de la flèche 18 et parvient au voisinage de son point mort haut, à la fin de la compression. La chambre de combustion 19 du cylindre 1 comporte une première partie 20 ou zone de chasse délimitée par la surface plane d'extrémité 16 du piston 5 et la surface de la culasse dirigée vers le cylindre 1. La zone de chasse 20 ayant la forme d'un cylindre dont la hauteur correspond sensiblement à l'épaisseur du joint de culasse communique avec la seconde partie de la chambre de combustion 19 constituée par le volume de la cavité 15. L'air admis sous la forme d'un courant tourbillonnaire 11 pénètre dans la zone de chasse 20 de la chambre de combustion 19 du cylindre 1 sous la forme du courant tourbillonnaire représenté par les flèches 21. Le piston 5 se déplaçant dans le sens de la flèche 18 et exerçant une compression dans la zone de chasse 20 de la chambre de combustion 19 réalise une injection d'air à grande vitesse à l'intérieur de la cavité 15. L'air chassé dans la cavité 15 constitue un écoulement tourbillonnaire, comme représenté par les flèches 22. L'injection du carburant est réalisé à l'intérieur de la chambre de combustion 19 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 15. Les caractéristiques de l'injection de carburant qui déterminent les conditions d'inflammation et de combustion à l'intérieur de la chambre de combustion 19 dépendent principalement de l'interaction des jets entre eux, de l'interaction des jets avec l'écoulement des gaz dans la chambre et de l'interaction des jets avec les parois de la chambre. En fonction de ces caractéristiques, 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. La conception du nez d'injecteur 12 est, dans l'état de la technique, adaptée pour compenser la position symétrique de l'injecteur 12 par rapport au bol 15, pour obtenir une nappe conique de jets de gazole symétrique par rapport à l'axe de ce bol. On voit sur la figure 2, un injecteur classique 12 formé d'un corps cylindrique creux 23 se prolongeant par un nez 24. Le corps 23 reçoit un arbre 25 percé d'un alésage axial débouchant à l'extrémité tronconique de cet arbre. Cette extrémité est en appui sur un siège 26. Le nez 24 est percé de trous tous orientés différemment par rapport à l'axe de symétrie 13, et de longueurs différentes les uns par rapport aux autres. Par exemple, le trou 27 fait un angle ss par rapport à l'axe 13 et a pour profondeur d' et le trou 28 fait un angle ss' et a pour profondeur d". Sur la figure 3, on a représenté une partie du cylindre d'un moteur à allumage par compression, à injection directe suivant l'invention et qui fonctionne selon les principes généraux rappelés ci-dessus. Les éléments correspondants du moteur représenté aux figures 1 et 3 d'une part et 2 et 4 d'autre part porteront les mêmes références. Sur la figure 3, on a représenté de plus une bougie de préchauffage 29 ainsi que le joint de culasse 4. Ce qui distingue la figure 3 de la figure 1 est l'orientation de l'axe de symétrie de révolution 17 de la cavité 15 du piston 5 par rapport à l'axe 6 du cylindre 1. Le piston 5 est usiné pour présenter une cavité 15 sensiblement symétrique de révolution, située pratiquement dans sa partie centrale et débouchant sur la surface plane 16 d'extrémité du piston 5 dont l'axe de symétrie est parallèle à l'axe 13 de l'injecteur 12. Ainsi, l'axe 17 de symétrie de révolution de la cavité 15 et l'axe de symétrie 13 de l'injecteur 12 forment tous les deux le même angle a avec l'axe 6 du cylindre 1. Ces deux axes de symétrie 13 et 17 peuvent être parallèles en étant légèrement décalés ou confondus. Cette position symétrique de l'injecteur 12 par rapport à la cavité 15 permet une conception symétrique du nez 23 de l'injecteur 12, comme le montre la figure 4. Tous les trous du nez de l'injecteur ont maintenant une orientation identique par rapport à l'axe de cet injecteur et ont également une longueur égale. Par exemple, les trous 27 et 28 font un angle ss avec l'axe 13 de l'injecteur 12 et ont tous les deux la même profondeur d'''. On obtient une nappe 30 (figure 3) constituée par les jets de gazole envoyés par l'injecteur 12 à l'intérieur de la cavité 15, de forme conique, ayant un axe parallèle à l'axe de symétrie 17 de la cavité 15, en utilisant un nez d'injecteur symétrique par rapport à son axe 13. Cette configuration symétrique du nez d'injecteur par rapport à l'axe de l'injecteur permet une réduction importante des dispersions des quantités injectées selon le trou considéré et des conditions équivalentes d'injection entre les différents trous, ce qui entraîne une injection beaucoup plus homogène. Une telle géométrie permet donc de réduire les niveaux de fumées et ainsi d'accroître le potentiel des performances du moteur d'une part et de réduire les niveaux d'hydrocarbures imbrûlés et de particules d'autre part. La géométrie proposée est particulièrement bien adaptée pour les moteurs ayant des culasses à deux soupapes mais peut aussi être utilisée dans des moteurs ayant plus de deux soupapes par cylindre. REVENDICATIONS 1.- Moteur à allumage par compression à injection directe du type comprenant un bloc-cylindre (2) dans lequel est ménagé au moins un cylindre (1), au moins un piston (5) monté mobile dans la direction de l'axe (6) du cylindre (1), une culasse (3) superposée au bloc-cylindre (2) dans laquelle sont ménagés au moins un conduit (7) d'admission et un conduit (8) d'échappement débouchant dans le cylindre (1), une soupape (9, 10) de fermeture de chacun des conduits (7, 8) et un injecteur (12) de carburant débouchant dans le cylindre (1) et comportant un axe de symétrie (13), le piston (5) comportant de plus une cavité (15) ayant une symétrie de révolution autour d'un axe (17) et débouchant sur une surface (16) dirigée vers la culasse (3), de manière que la cavité (15) du piston (5) et la culasse (3) définissent une chambre de combustion (19) à l'intérieur du cylindre (1) dans laquelle débouchent l'injecteur (12) et les conduits d'admission et d'échappement, l'axe (13) de l'injecteur (12) étant incliné d'un angle a par rapport à l'axe (6) du cylindre (1), caractérisé en ce que l'axe (17) de symétrie de la cavité (15) est incliné du même angle a que l'axe de l'injecteur (12) par rapport à l'axe (6) du cylindre (1), de manière à être parallèle à l'axe (13) de l'injecteur (12). 2.- Moteur à allumage par compression à injection directe selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'axe (13) de l'injecteur (12) est confondu avec l'axe (17) de la cavité (15). 3.- Moteur à allumage par compression à injection directe selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'injecteur (12) comporte un nez (23) traversé par des trous (27, 28) d'injection de carburant qui sont symétriques autour de l'axe (13) de symétrie de l'injecteur (12). 4.- Moteur à allumage par compression à injection directe selon la revendication 3, caractérisé en ce que le nez (23) de l'injecteur (12) comporte des trous (27, 28) ayant tous une même inclinaison par rapport à l'axe (13) de l'injecteur. 5.- Moteur à allumage par compression à injection directe selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que le nez (23) de l'injecteur (12) comporte des trous (27, 28) qui sont tous de même longueur.