Brevet FR2743109A1 — publié le 19970704

L'invention concerne un moteur à combustion interne à allumage commandé muni d'une préchambre d'amorçage de la combustion. L'invention concerne plus particulièrement un moteur à combustion interne à allumage commandé, du type dans lequel une bougie d'allumage provoque une étincelle propre à déclencher la combustion d'un mélange air/carburant contenu dans une chambre de combustion d'un cylindre du moteur, du type dans lequel l'étincelle est provoquée dans une préchambre de volume réduit qui communique avec la chambre de combustion par au moins un orifice et qui est munie d'une alimentation indépendante en carburant, ou en mélange carburé, permettant d'obtenir dans la préchambre un mélange riche en carburant au moment de l'allumage, du type dans lequel la préchambre est sensiblement cylindrique, du type dans lequel une entrée d'alimentation en carburant est agencée dans une partie supérieure de la préchambre, du type dans lequel une électrode centrale de la bougie est agencée axialement dans la partie supérieure de la préchambre, et du type dans lequel l'orifice de communication est percé dans une paroi transversale inférieure de la préchambre. Dans le but de réduire la consommation de carburant des moteurs à combustion interne équipant les véhicules automobiles, mais aussi dans le but d'en réduire les émissions de polluants, il est nécessaire de maîtriser au mieux la combustion du mélange dans le cylindre en assurant une combustion la plus complète possible du carburant et en maîtrisant la propagation de la flamme dans le mélange carburé pour limiter les pics de pression et de température dans le cycle de fonctionnement du moteur. Un des axes d'évolution des moteurs à combustion interne est de les faire fonctionner avec un mélange pauvre, c'est-à-dire avec un mélange air-carburant présentant un excès d'air par rapport à la quantité de carburant qu'il contient. Un autre axe d'évolution est la dilution du mélange carburé par un gaz inerte, c'est-à-dire par un gaz sans influence sur le mécanisme chimique de la combustion, ce que l'on peut réaliser par exemple en recyclant une partie des gaz d'échappement. La présence d'un excès d'air, la dilution par un gaz inerte, ou la combinaison de ces deux techniques, permettent de diminuer la température maximale atteinte durant la combustion, ce qui permet de diminuer la production d'oxydes d'azote (NOx). En même temps, en assurant un excès d'oxygène par rapport au carburant, on évite qu'une partie de ce carburant reste imbrûlée après la combustion et soit évacuée avec les gaz d'échappement. Cela permet d'augmenter le rendement du moteur et également de limiter l'échauffement du bloc moteur et de la culasse, ce qui est favorable à leur durée de vie. Les moteurs à allumage commandé actuels utilisent l'étincelle électrique provoquée entre les deux électrodes d'une bougie pour enflammer le mélange carburé. Toutefois, il est à noter que l'inflammation d'un mélange pauvre est plus difficile à réaliser que celui d'un mélange riche en carburant, et qu'il est donc nécessaire de veiller tout particulièrement à un bon amorçage de la combustion. Par ailleurs, il est apparu intéressant de provoquer le début de la combustion du mélange dans la chambre de combustion du cylindre le plus loin possible des parois de la chambre de combustion, c'est-à-dire en son centre, dans le but de permettre à la flamme de se développer le plus longtemps possible à l'écart des parois de la chambre de combustion pour limiter les transferts de chaleur entre le mélange en cours de combustion et ces parois. Aussi, il a déjà été proposé, notamment dans le document US-A-5.271.365 un dispositif qui permet le déclenchement de la combustion du mélange pauvre dans la chambre de combustion à l'aide d'une torche ou d'un jet de produit chaud issu de la combustion préalable d'un mélange enrichi en carburant dans une préchambre d'amorçage qui est attenante à la chambre de combustion et qui communique avec celle-ci au travers d'un orifice. Ce dispositif comporte donc une préchambre d'amorçage qui est formée autour des deux électrodes de la bougie d'allumage et qui est munie d'un dispositif d'alimentation supplémentaire en carburant, ou en mélange carburé, afin de créer, dans cette préchambre, un mélange riche facilement inflammable. De la sorte, lorsque l'étincelle créée par la bougie déclenche la combustion de ce mélange riche dans la préchambre, I'augmentation de température et de pression provoque l'expulsion hors de cette préchambre des produits en cours de combustion qui sont alors dirigés par l'orifice de sortie vers la chambre de combustion du cylindre, de préférence au centre de celle-ci, pour amorcer la combustion du mélange pauvre qui y est contenu. Cette technique, qui permet de parvenir à une meilleure maîtrise de la combustion d'un mélange pauvre, et qui permet donc d'obtenir un meilleur rendement du moteur, nécessite toutefois une très bonne maîtrise de la combustion dans la préchambre pour que le jet de produits en cours de combustion se fasse avec la vitesse voulue et à la température nécessaire à l'embrasement du mélange pauvre dans la chambre de combustion. Dans le but d'améliorer la combustion dans la préchambre, I'invention propose un moteur du type décrit précédemment, caractérisé en ce que l'orifice est un conduit qui comporte au moins un tronçon supérieur symétrique de révolution dont la longueur est au moins supérieure à son diamètre et qui est percé axialement au centre de la paroi transversale inférieure de la préchambre. Selon d'autres caractéristiques de l'invention - le tronçon supérieur du conduit est un cylindre de révolution - le conduit débouche dans la chambre de combustion par au moins un tronçon inférieur dont l'orientation permet de contrôler la direction des gaz enflammés expulsés hors de la préchambre dans la chambre de combustion - le conduit comporte plusieurs tronçons inférieurs d'orientations différentes; - le tronçon supérieur débouche dans la préchambre par un bord supérieur évasé - le bord supérieur du tronçon supérieur est arrondi et en ce que le rayon de courbure du bord arrondi est au moins égal à environ un cinquième du diamètre du tronçon supérieur. - le tronçon inférieur du conduit débouche dans la chambre de combustion par un bord inférieur à arête vive - le tronçon supérieur du conduit qui débouche dans la préchambre comporte un bord supérieur qui constitue une électrode de masse pour la bougie - le tronçon supérieur du conduit comporte un picot central constituant une électrode de masse axiale pour la bougie - la préchambre est délimitée radialement par une paroi cylindrique dont la face interne est rugueuse - L'entrée d'alimentation débouche dans la préchambre selon une direction tangentielle présentant une faible pente axiale - L'entrée d'alimentation débouche dans la préchambre par un canal sensiblement hélicoïdal - la préchambre est délimitée par un corps de préchambre sensiblement cylindrique dont l'extrémité supérieure est ouverte pour recevoir la bougie, une bague intermédiaire est interposée entre le corps de préchambre et la bougie, et en ce que le canal d'alimentation est réalisée sous la forme d'une entaille formée dans une face extérieure de la bague. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront mieux à la lecture de la description qui suit, faite à titre d'exemple non limitatif, et en référence aux dessins annexés sur lesquels - la figure 1 est une vue schématique en coupe axiale d'un dispositif d'amorçage de la combustion conforme aux enseignements de l'invention; ; - la figure 2 est une vue en perspective d'un détail de réalisation de l'alimentation supplémentaire en carburant de la préchambre - la figure 3 est une vue similaire à celle de la figure 2 représentant une variante de réalisation de l'alimentation supplémentaire en carburant de la préchambre - la figure 4 est une vue partielle représentant une première variante de réalisation de la préchambre - la figure 5 est une vue partielle représentant une deuxième variante de réalisation de la préchambre - la figure 6 est une vue schématique avec arrachements illustrant la trajectoire hélicoïdale du carburant supplémentaire injecté dans la préchambre - la figure 7 est une vue schématique similaire à celle de la figure 6 représentant la trajectoire du mélange pauvre qui pénètre dans la préchambre lors de la compression de ce mélange dans le cylindre - la figure 8 est une vue similaire à celle de la figure 7 dans laquelle la préchambre comporte une surface interne rugueuse afin de provoquer l'apparition de turbulences. On a représenté sur la figure 1 un dispositif 10 d'amorçage de la combustion pour un moteur à combustion interne à allumage commandé. Dans ce dispositif 10, une bougie 12 comporte une électrode centrale 14 qui est reliée à un dispositif d'allumage (non représenté), par exemple du type à bobine, capable de transmettre à l'électrode centrale 14 un pic de tension propre à provoquer un arc électrique. L'électrode centrale 14 est contenue à l'intérieur d'une enveloppe isolante 16 dont la partie inférieure est montée dans un culot 18. L'extrémité inférieure 22 de l'électrode centrale 14 dépasse axialement de l'enveloppe isolante 16 à la partie inférieure de cette dernière. Un corps cylindrique creux 24 est agencé autour de l'extrémité inférieure 22 de l'électrode centrale 14, de manière à délimiter autour de celle-ci une préchambre 26. Le corps 24 comporte une paroi latérale cylindrique 28 et une paroi transversale inférieure 30 tandis que l'extrémité axiale supérieure de la préchambre 26 délimitée par le corps 24 est fermée par la bougie 12. La paroi transversale inférieure 30 comporte un conduit 32 qui permet de faire communiquer la préchambre 26 avec la chambre de combustion. Dans l'exemple de réalisation qui est représenté sur la figure 1, le corps de préchambre 24 est réalisé venu de matière avec le culot 18 de la bougie 12 en le prolongeant axialement vers le bas. Ainsi, la paroi latérale cylindrique 28 comporte, sur sa face externe, un filetage qui permet de fixer la préchambre 26 et la bougie 12 dans un puits de bougie 20 formé par exemple dans la culasse du moteur. L'orientation du puits de bougie par rapport à la culasse et la chambre de combustion pourra être optimisée en fonction notamment de la géométrie de la chambre de combustion (non représentée) d'un cylindre du moteur et en fonction de la position des soupapes (non représentées) d'admission et d'échappement. La bougie 12 est montée sur l'extrémité supérieure 34 du corps 24 de la préchambre 26 avec interposition d'une bague intermédiaire 36 qui comporte un tronçon tubulaire inférieur 40 et un tronçon supérieur 42 tronconique évasé. La préchambre 26 est susceptible d'être alimentée en carburant supplémentaire par un dispositif d'injection 44 comportant un régulateur de pression 46 qui permet de maintenir un niveau de pression constant dans une chambre 48 de stockage du carburant qui alimente un injecteur 50. L'injecteur 50 est relié par une canalisation 38 à une entrée d'alimentation 52 de la préchambre 26 qui, dans l'exemple de réalisation représenté, est agencé dans le culot 18. L'entrée d'alimentation 52 comporte un clapet antiretour 54 destiné à éviter toute remontée de produit quelconque en direction de l'injecteur 50 et comporte un canal d'alimentation 56 qui est disposé en aval du clapet anti-retour 54 et qui débouche dans la préchambre 26. Selon un premier aspect de l'invention, le canal d'alimentation 56 est réalisé sous la forme d'une rainure d'orientation axiale formée dans la surface latérale externe de la bague intermédiaire 36 et il est donc en partie délimité radialement par la partie supérieure 34 du corps 24 de la préchambre 26 contre laquelle la bague 36 est en appui. Cette disposition permet notamment de réaliser le canal 56 de manière simple, quelle que soit la forme que l'on souhaite lui donner. En effet, et c'est un autre aspect de l'invention qui est représenté à la figure 3, on préfère réaliser le canal d'alimentation 56 sous la forme d'une rainure hélicoïdale. Comme on peut le voir sur les figures 1 et 2, la paroi transversale inférieure 30 du corps 24 de la préchambre 26 est épaisse de manière que le conduit 32 présente une longueur au moins supérieure à son diamètre. Dans les exemples de réalisation qui sont représentés sur les figures, le conduit 32 comporte une portion supérieure 60 qui est symétrique de révolution et coaxiale à la préchambre cylindrique 24, et plus particulièrement cylindrique. Le tronçon supérieur 60 du conduit 32 est ainsi agencé en regard de l'extrémité inférieure 22 de l'électrode centrale 14 de la bougie 12 et sa longueur est choisie au moins égale à son diamètre. Le tronçon supérieur 60 se prolonge par deux tronçons inférieurs inclinés 62 qui eux débouchent dans la chambre de combustion. Les tronçons inférieurs 62 permettent de diriger des jets de produits chauds issus de la combustion du carburant dans la préchambre 26 en direction de la chambre de combustion et I'orientation des tronçons inférieurs 62 est donc adaptée à la forme géométrique de la chambre de combustion. Ainsi, en fonction de la forme de la chambre de combustion, on peut ne prévoir qu'un seul tronçon inférieur 62, orienté ou non selon la direction axiale du corps 24 de la préchambre 26, ou l'on peut prévoir plusieurs tronçons inférieurs 62 dont l'orientation sera adaptée à la forme géométrique de la chambre de combustion. Le bord 64 du tronçon supérieur 60 du conduit 32, qui débouche dans la préchambre 26, est arrondi, en forme de pavillon de trompette, et il présente un rayon de courbure qui est par exemple de l'ordre du cinquième du diamètre du tronçon supérieur 60. Au contraire, les bords inférieurs 66 des tronçons inférieurs 62 du conduit 32 sont à arête vive. A titre de variante, on a représenté sur la figure 4 une préchambre 26 dans laquelle la surface cylindrique interne 68 n'est pas lisse mais présente au contraire des rugosités qui peuvent par exemple être réalisées sous la forme d'un filetage ou sous la forme de picots répartis aléatoirement sur la surface cylindrique interne 68. De préférence, le corps 24 de la préchambre 26 est réalisé en matériau conducteur de l'électricité et il est relié électriquement à la culasse du moteur dans laquelle il est implanté. De la sorte, I'électrode de masse de la bougie est formée par le bord supérieur 64 du tronçon supérieur 62 du conduit 22 et l'étincelle provoquée par la bougie 12 est sensiblement axiale et permet d'obtenir une inflammation la plus symétrique possible du carburant contenu dans la préchambre 26. Afin de parfaire encore cette symétrie, il est possible de prévoir, comme on l'a représenté sur la figure 5, une électrode de masse sous la forme d'un picot 70 implanté dans le corps 24 de la préchambre 26, axialement au centre du tronçon supérieur 60 du conduit 32 qui, de la sorte, est tubulaire mais reste symétrique de révolution et coaxial à la préchambre 26 et à l'électrode 14. Le fonctionnement du dispositif est le suivant. Dans une première phase, du carburant est injecté dans la préchambre 26 par l'entrée d'alimentation 52. Il peut s'agir de carburant pur ou d'un mélange carburé riche dilué ou non par un gaz inerte pour la réaction de combustion. Lorsque le canal 56 est du type hélicoïdal représenté sur la figure 3, le carburant injecté dans la préchambre 26 est animé d'une vitesse initiale d'injection telle qu'il tend à avoir un mouvement hélicoïdal dans la préchambre 26, ainsi que cela est représenté sur la figure 6. Le carburant arrive tangentiellement à la périphérie externe de la portion supérieure de la préchambre 26 et avec une faible composante axiale de vitesse si bien qu'il est animé d'un mouvement hélicoïdal et qu'ainsi il remplit peu à peu la préchambre 26 du haut vers le bas. Le mouvement hélicoïdal du carburant injecté est particulièrement favorable pour expulser hors de la préchambre 26, par un effet de piston, une partie des gaz qui s'y trouvaient. Ces gaz proviennent pour l'essentiel d'une combustion correspondant à un cycle précédent du moteur. On peut aussi envisager de réaliser un entrée d'alimentation (non représentée) formée dans l'électrode centrale qui est alors une électrode creuse comportant un conduit interne par lequel le carburant est acheminé. Cette entré peut être dirigée axialement ou radialement vers I'extérieur de manière à donner au carburant injecté un mouvement hélicoïdal. La première phase peut se dérouler pendant le temps d'admission du moteur et peut se prolonger jusqu'au début du temps de compression. Dans une seconde phase, qui a lieu pendant le temps de compression du cylindre, I'augmentation de la pression du mélange carburé pauvre dans la chambre de combustion provoque un refoulement de ce mélange à l'intérieur de la préchambre 26 par le conduit 32. Selon les enseignements de l'invention, le tronçon supérieur 60 du conduit 32 est symétrique de révolution, il est agencé axialement par rapport à la préchambre 26 et il est d'une longueur suffisante pour imposer aux gaz refoulés depuis la chambre de combustion vers la préchambre, un champ de vitesses sensiblement axial si bien que ces gaz refoulés remontent axialement dans la préchambre 26, jusqu'à sa portion supérieure, avant de redescendre le long de la surface cylindrique interne 68 de la paroi latérale 28 ainsi que cela est représenté sur la figure 7. Cette circulation des gaz refoulés, qui résulte de la forme particulière du tronçon supérieur 60 selon l'invention, permet d'obtenir un meilleur brassage entre d'une part le mélange pauvre refoulé depuis la chambre de combustion et d'autre part le carburant qui a été injecté dans la préchambre en vue d'enrichir le mélange final présent dans la préchambre 26. Le champ axial de vitesses est notamment favorisé par le bord supérieur arrondi 64 du tronçon supérieur 60 qui limite l'apparition de turbulences, et est d'autant plus homogène que le rapport entre la longueur du tronçon supérieur et son diamètre est important. Une bonne homogénéité du champ de vitesses est obtenue lorsque la longueur axiale et le diamètre du tronçon supérieur 60 sont identiques mais les meilleurs résultats sont obtenus pour une longueur égale à deux ou trois fois le diamètre. Dans le cas où la surface cylindrique interne 68 de la préchambre 26 est rugueuse, il apparaît , lorsque les gaz refoulés depuis la chambre de combustion redescendent le long de cette surface 68, des turbulences qui améliorent encore le brassage du mélange pauvre avec le carburant supplémentaire. Cela est plus particulièrement schématisé sur la figure 8. On obtient ainsi, en fin de deuxième phase, c'est-à-dire en fin du temps de compression du cylindre, un mélange parfaitement homogène et riche en carburant dans la préchambre 26. Le dispositif d'allumage provoque alors l'arrivée d'une haute tension sur l'électrode centrale 14 de la bougie 12 et provoque l'apparition d'un arc électrique entre l'extrémité inférieure 22 de l'électrode 14 et l'électrode de masse formée soit par le bord supérieur 64 du tronçon supérieur du conduit 28, soit par le picot central 70. L'arc électrique qui se forme alors provoque la combustion du mélange riche présent dans la préchambre, ce qui en entraîne l'augmentation de température et de pression. Du fait de l'élévation de pression, le mélange en cours de combustion est alors expulsé hors de la préchambre 26, au travers du conduit 32, et il est injecté dans la chambre de combustion dans laquelle se trouve le mélange pauvre comprimé. La courbure du bord supérieur 64 du conduit 32, si elle est égale à au moins un cinquième du diamètre du tronçon supérieur 60, rend le champ de vitesses dans le conduit 32 plus uniforme et, en augmentant la vitesse près des parois, renforce la production de turbulences au niveau des arêtes vives 66 de sortie des tronçons inférieurs 62 du conduit 32, ce qui améliore le brassage des jets chauds résultant de la combustion du mélange riche dans la préchambre 26 avec le mélange pauvre contenu dans le cylindre. Les jets chauds résultant de la combustion du mélange riche contiennent des molécules de carburant non oxydées, du fait de la carence d'oxygène, mais dissociées thermiquement en un grand nombre de radicaux actifs. La présence de ces radicaux actifs, combinés à la forte température des jets chauds et à la forte compression du mélange pauvre, sont propices à l'amorçage de la réaction de combustion dans la chambre de combustion. Plus précisément, le mélange des jets chauds et de la charge principale formée par le mélange pauvre donne naissance à une multiplicité de foyers de combustion, lieux où le mélange pauvre et les radicaux actifs sont en contact étroit et à une température suffisamment élevée, et pendant une durée suffisante pour commencer la combustion. La propagation de la flamme dans la chambre de combustion est alors facilitée par le surcroît de turbulences dû à l'injection des jets chauds, et ce d'autant plus que ces jets chauds sont rendus turbulents par les bords inférieurs 66 à arêtes vives des tronçons inférieurs 62 du conduit 32. Dans le cas où les tronçons inférieurs 62 sont dirigés vers le centre de la chambre de combustion, la combustion du mélange reste, au moins dans un premier temps, éloignée des parois de la chambre de combustion, ce qui permet de limiter les pertes thermiques nuisibles au rendement du moteur. REVENDICATIONS 1. Moteur à combustion interne à allumage commandé, du type dans lequel une bougie d'allumage (12) provoque une étincelle propre à déclencher la combustion d'un mélange air/carburant contenu dans une chambre de combustion d'un cylindre du moteur, du type dans lequel l'étincelle est provoquée dans une préchambre (26) de volume réduit qui communique avec la chambre de combustion par au moins un orifice (32) et qui est munie d'une alimentation indépendante (44) en carburant permettant d'obtenir dans la préchambre (26) un mélange riche en carburant au moment de l'allumage, du type dans lequel la préchambre (26) est sensiblement cylindrique, du type dans lequel une entrée d'alimentation (52) en carburant est agencée dans une partie supérieure de la préchambre (26), du type dans lequel une électrode centrale (14) de la bougie (12) est agencée axialement dans la partie supérieure de la préchambre (26), et du type dans lequel l'orifice de communication (32) est percé dans une paroi transversale inférieure (30) de la préchambre (26), caractérisé en ce que l'orifice est un conduit (32) qui comporte au moins un tronçon supérieur (60) symétrique de révolution dont la longueur est au moins supérieure à son diamètre et qui est percé axialement au centre de la paroi transversale inférieure (30) de la préchambre (26). 2. Moteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le tronçon supérieur (60) du conduit (32) est un cylindre de révolution. 3. Moteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que le conduit (32) débouche dans la chambre de combustion par au moins un tronçon inférieur (62) dont l'orientation permet de contrôler la direction des gaz enflammés expulsés hors de la préchambre (26) dans la chambre de combustion. 4. Moteur selon la revendication 3, caractérisé en ce que le conduit (32) comporte plusieurs tronçons inférieurs (62) d'orientations différentes. 5. Moteur selon l'une des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce que le tronçon supérieur (60) débouche dans la préchambre (26) par un bord supérieur (64) évasé. 6. Moteur selon la revendication 5, caractérisé en ce que le bord supérieur (64) du tronçon supérieur (60) est arrondi et en ce que le rayon de courbure du bord arrondi (64) est au moins égal à environ un cinquième du diamètre du tronçon supérieur (60). 7. Moteur selon l'une quelconque des revendications 3 à 6, caractérisé en ce que le tronçon inférieur (62) du conduit (32) débouche dans la chambre de combustion par un bord inférieur (66) à arête vive. 8. Moteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le tronçon supérieur (60) du conduit (32) qui débouche dans la préchambre (26) comporte un bord supérieur (64) qui constitue une électrode de masse pour la bougie (12). 9. Moteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le tronçon supérieur (60) du conduit (32) comporte un picot central (70) constituant une électrode de masse axiale pour la bougie (12). 10 Moteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la préchambre (26) est délimitée radialement par une paroi cylindrique (28) dont la face interne (68) est rugueuse. 11. Moteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'entrée d'alimentation (52) débouche dans la préchambre (26) selon une direction tangentielle présentant une faible pente axiale. 12. Moteur selon la revendication 11, caractérisé en ce que l'entrée d'alimentation (52) débouche dans la préchambre (26) par un canal (56) sensiblement hélicoïdal. 13. Moteur selon la revendication 12, caractérisé en ce que la préchambre (26) est délimitée par un corps de préchambre (24) sensiblement cylindrique dont l'extrémité supérieure (34) est ouverte pour recevoir la bougie (12), en ce qu'une bague intermédiaire (36) est interposée entre le corps de préchambre (24) et la bougie (12), et en ce que le canal (56) d'alimentation est réalisée sous la forme d'une entaille formée dans une face extérieure de la bague (36). 14. Moteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que l'électrode centrale (14) de la bougie (12) est creuse et comporte un conduit interne qui débouche dans la préchambre (26) et qui forme l'entrée d'alimentation (52) en carburant.