Brevet FR2756589A1 — publié le 19980605

La présente invention concerne le domaine des moteurs à combustion interne à allumage par compression et à injection directe de carburant dans la chambre de combustion. Plus particulièrement, la présente invention concerne les moteurs comprenant au moins un cylindre dans lequel coulisse un piston selon l'axe du cylindre, une culasse surmontant le cylindre et délimitant avec le piston et le cylindre une chambre de combustion, le piston comprenant une cavité (ou bol) ouverte sur la culasse. Les émissions de NOx, de particules, de CO et le bruit de combustion font l'objet d'une attention particulière. Les caractéristiques de la combustion dépendent de facteurs géométriques (formes de la chambre, du bol dans le piston, et du système d'admission), aérodynamiques (turbulence et vitesses), de la distribution des paramètres d'injection du carburant tels que la forme interne de l'injecteur, le diamètre des trous, le nombre de trous, le système d'injection lui-même. L'optimisation de l'aérodynamique interne se révèle être une étape importante dans la conception d'un moteur à allumage par compression. La mise au point de l'aérodynamique interne dans la chambre au moment de l'injection doit contribuer à l'augmentation du mélange air-carburant. Les motoristes se préoccupent notamment de l'écoulement autour de l'axe de la chambre de combustion, écoulement couramment appelé swirl, et de la turbulence générée en fin de compression. Le swirl permet de caractériser les vitesses de l'écoulement et la déviation des jets de combustible par l'écoulement principal. Le swirl permet donc de mieux connaître la vaporisation et la répartition du carburant dans la chambre. La turbulence, elle, caractérise le mélange local et par conséquent les vitesses de combustion. Ainsi, différentes géométries ont été développées récemment, notamment au niveau du bol (ou cavité) formé dans le piston lui-même, afin d'améliorer l'un et/ou l'autre des points évoqués ci-dessus. A titre d'exemple le brevet US 5 351 665 décrit une chambre de combustion formée dans le piston, par une cavité ayant une géométrie particulière. Le document FR 2 713 282 divulgue une autre géométrie de bol formé dans la partie supérieure du piston. On connaît aussi la demande de brevet WO 96/34189 qui décrit une chambre de combustion d'une géométrie particulière associée à une chambre de vaporisation. Tout cet art antérieur vise à améliorer la combustion. La présente invention vise à améliorer et à optimiser la combustion afin de diminuer les polluants émis à l'échappement de moteurs tels que cités en tête de la description. Enoncé de façon générale, la présente invention exploite l'idée que la destruction du mouvement de swirl augmente le mélange. Parallèlement, cette "desctruction" augmente les vitesses de combustion proportionnellement à la vitesse de mise en présence du carburant et du comburant, c'est-à-dire à la vitesse du carburant et de comburant dès qu'ils se mélangent. Plus précisément, I'invention permet d'optimiser les niveaux de turbulence, les vitesses et la répartition du carburant et du comburant dans la chambre de combustion. Selon l'invention la turbulence moyenne, tout comme la turbulence locale, sont améliorées par une combinaison de la forme de la chambre avec le mouvement tourbillonnaire général des gaz autour de l'axe de symétrie du cylindre. En d'autres termes, la forme de la chambre, et plus particulièrement la forme du bol du piston est telle qu'elle crée de la turbulence. Ainsi, la présente invention a pour objet un moteur à combustion interne à allumage par compression et à injection directe, ayant au moins un cylindre délimitant avec le piston et la culasse une chambre de combustion, ledit piston présentant un bol (ou évidement) ouvert vers la culasse. Selon l'invention, ledit bol présente un axe propre, et est constitué d'une pluralité de cavités reliées entre elles par des arêtes destinées à casser l'écoulement tourbillonnaire principal autour de l'axe du bol, afin de générer de la turbulence dans ladite chambre de combustion. Le moteur selon l'invention comprend préférentiellement un injecteur disposé sur l'axe (XX') dudit bol. De façon spécifique, ledit bol présente autant de cavités qu'il y a de jets d'injecteurs. Selon un mode de réalisation de l'invention, I'injecteur est orienté de façon à ce que les jets qu'il crée soient orientés vers une arête. Selon un autre mode de réalisation de l'invention, l'injecteur est orienté de façon à ce que les jets qu'il crée soient orientés vers le fond desdites cavités. De façon préférentielle les arêtes sont vives. Conformément à l'invention, I'une au moins desdites cavités comprend une partie au moins de sa paroi parallèle à la paroi du cylindre. Les cavités peuvent présenter toutes la même forme. Plus précisément, certaines au moins desdites arêtes présentent une portion parallèle à l'axe du cylindre. Selon un arrangement particulier de l'invention, certaines au moins desdites arêtes présentent une concavité tournée vers l'axe de symétrie du cylindre. D'autres avantages, détails, caractéristiques de l'invention apparaîtront mieux à la lecture de la description qui va suivre, faite à titre illustratif et nullement limitatif en référence aux dessins annexés sur lesquels - 1a figure I est une coupe longitudinale simplifiée d'un moteur selon l'invention; et - la figure 2 est une coupe transversale selon AA de la figure I. La coupe longitudinale selon la figure 1 fait apparaître une chambre de combustion I délimitée de façon habituelle par un piston 2 qui coulisse selon l'axe XX dans le cylindre 3, et une culasse 4. La culasse peut comporter une ou plusieurs lumières d'admission 5 qui coopèrent avec des soupapes d'admission 6. Par ailleurs un moyen d'injection de carburant 8 permet d'injecter le combustible directement dans la chambre de combustion 1, de la façon indiquée ciaprès. Ledit moyen d'injection 8 n'est pas nécessairement disposé sur l'axe XX du cylindre. Le piston 2 comprend un bol 9 ouvert vers la culasse 4. Selon l'un des modes de réalisation de l'invention, le bol 9 présente une forme générale de révolution, d'axe propre XX' et est constitué d'une pluralité de cavités 10 reliées entre elles par des arêtes vives 11. L'axe propre XX' et l'axe XX peuvent être ou non confondus. La figure I illustre le cas où ces deux axes sont confondus. Les arêtes 11 peuvent être vives ou non ; des méplats ou autres surfaces peuvent en outre être prévus entre deux cavités sans sortir du cadre de l'invention. Selon l'invention, le moyen d'injection 8 est disposé sur l'axe propre XX' du bol 9. De façon avantageuse, le bol 9 présente autant de cavités 10 qu'il existe de jets issus de l'injecteur 8. Selon un mode de réalisation de l'invention, chacun des jets est dirigé selon la flèche A de la figure 2 c'est-à-dire dans le fond d'une cavité 10. Ceci permet de limiter la quantité de carburant qui est projetée vers la paroi du bol 9. On laisse ainsi au carburant plus de temps pour se vaporiser et l'on diminue son impact sur la paroi. Conformément à un autre mode de réalisation de l'invention, chaque jet de carburant est dirigé vers une arête 11, selon la flèche B sur la figure 2. On utilise alors la turbulence localement plus élevée au niveau des arêtes pour améliorer le mélange air-carburant. Cette disposition relative des jets et des arêtes, ainsi que celle obtenue par le premier mode de réalisation de l'invention, permet de transformer le mouvement global de swirl selon la flèche C, en turbulence. Dans le cas où les jets sont dirigés vers les arêtes 11, on utilise les fortes vitesses du fluide au niveau desdites arêtes, qui induisent son décollement de la paroi, pour accélérer la vaporisation du carburant. Vis-à-vis d'un bol cylindrique connu, sans cavité, tel que limité par exemple par le cercle en pointillés sur la coupe de la figure 2, la présente invention permet de conserver le même volume, donc le même taux de compression en utilisant avantageusement la possibilité d'éloigner les jets de carburant des parois des cavités; ou bien en tirant partie de la turbulence, localement plus élevée, aux bords des arêtes 11 des cavités 10. La forme des cavités formant le bol peut être différente d'une cavité à l'autre. Par exemple, certaines peuvent être plus profondes que d'autres ou disposer d'arêtes moins vives. Conformément au mode de réalisation de l'invention illustré par les figures I et 2, où toutes les cavités 10 sont identiques, celles-ci comprennent une partie au moins de leur paroi parallèle à la paroi du piston. De même les arêtes 11 peuvent présenter une portion parallèle à l'axe XX' du cylindre. Par ailleurs, le fond du bol 9 peut présenter, de façon connue en soi et additionnellement à l'invention, une protubérance 12 de forme globalement conique ou en tronc de cône. Cette protubérance est destinée à stabiliser le swirl en fin de compression. REVENDICATIONS 1) Moteur à combustion interne à allumage par compression et à injection directe, ayant au moins un cylindre (3) d'axe (XX) délimitant avec le piston (2) et la culasse (4) une chambre de combustion (1), ledit piston présentant un bol (ou évidement) (9) ouvert vers la culasse (4), caractérisé en ce que ledit bol (9) présente un axe propre XX' et est constitué d'une pluralité de cavités (10) reliées entre elles par des arêtes (11) destinées à casser l'écoulement tourbillonnaire principal autour de l'axe (XX') dudit bol, afin de générer de la turbulence dans ladite chambre de combustion (1). 2) Moteur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un injecteur de carburant (8) placé sur l'axe (XX') du bol (9). 3) Moteur selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que ledit bol (9) présente autant de cavités qu'il y a de jets d'injecteurs. 4) Moteur selon l'une des revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que l'injecteur (8) est orienté de façon à ce que les jets qu'il crée soient orientés vers au moins une arête vive (1 1). 5) Moteur selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que l'injecteur (8) est orienté de façon à ce que les jets qu'il crée soient orientés vers le fond desdites cavités (10). 6) Moteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que lesdites arêtes (11) sont vives. 7) Moteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'une au moins desdites cavités (10) comprend une partie au moins de sa paroi parallèle à la paroi du piston. 8) Moteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que lesdites cavités (10) ont toutes la même forme. 9) Moteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que certaines au moins desdites arrêtes (11) présentent une portion parallèle à l'axe (XX) du cylindre. 10) Moteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que certaines au moins desdites arrêtes (11) présentent une concavité tournée vers l'axe de symétrie (XX) du cylindre. 11) Moteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'axe propre (XX') du bol (9) et l'axe (XX) du cylindre (3) sont confondus.