Brevet FR2770256A1 — publié le 19990430

MOTEUR A INJECTION DIRECTE ET ALLUMAGE COMMANDE La présente invention concerne un moteur à combustion interne à allumage commandé et injection directe de carburant comportant quatre soupapes par cylindre. L'invention concerne plus particulièrement la forme de la chambre de combustion d'un tel moteur. I1 est connu par le document FR-A-2.650.630 de réaliser un moteur multicylindre à injection directe du type comportant quatre soupapes par cylindre. Selon cet art antérieur, le moteur qui comprend des moyens d'admission et d'échappement, des moyens d'injection du carburant, des moyens d'allumage pour provoquer la combustion du mélange air/carburant, à l'intérieur du moteur, est caractérisé en ce qu'il comprend pour chaque cylindre - une cavité "en toit" ménagée dans la culasse, constituée de deux parois planes inclinées se rejoignant au sommet par une arête sensiblement cylindrique - deux soupapes d'admission et deux soupapes d'échappement débouchant dans les parois inclinées, les soupapes d'admission et d'échappement étant disposées, respectivement, diamétralement opposées l'une de l'autre - deux bougies débouchant dans la paroi cylindrique au sommet de la chambre de combustion et orientées de façon inclinée par rapport à l'axe vertical du cylindre; - un injecteur de carburant débouchant au sommet de la cavité "en toit" sensiblement au centre de l'arête. Chacune des chambres de combustion du moteur selon cet art antérieur est donc formée par une cavité s'étendant dans la culasse, cavité dans laquelle débouchent de façon diamétralement opposée, les soupapes d'échappement et les soupapes d'admission, et ou débouchent en partie supérieure un injecteur et deux bougies. Cette disposition, bien que favorable à un fonctionnement en charge stratifiée grâce à un mouvement aérodynamique important de type "Swirl" (rotation autour de l'axe du cylindre), a pour inconvénient d'augmenter sensiblement la hauteur de la culasse et donc l'encombrement du moteur. La présente invention a donc pour objet de réaliser un moteur à combustion interne à allumage commandé et injection directe de carburant de conception nouvelle qui remédie aux inconvénients précités. Selon l'invention, le moteur à combustion interne est caractérisé en ce qu'il comprend pour chaque cylindre - une chambre de combustion délimitée par la face supérieure d'un piston monté dans ledit cylindre et la face inférieure d'une culasse présentant une cavité en forme de toit constituée de deux parois planes inclinées se rejoignant au sommet par une arête sensiblement arrondie s'étendant parallèlement à l'axe longitudinal du moteur - deux conduits d'admission formés à travers la culasse et débouchant dans la chambre de combustion à travers l'une des parois planes par deux orifices distincts d'admission obturés par des soupapes - deux conduits d'échappement formés à travers la culasse et débouchant dans la chambre de combustion du côté opposé aux orifices d'admission par deux orifices distincts d'échappement obturés par des soupapes - un injecteur de carburant et une bougie d'allumage débouchant dans la chambre de combustion sensiblement au centre de la cavité en toit - la face supérieure du piston étant de forme générale en toit complémentaire à la cavité en toit ménagée dans la culasse et présentant une cavité centrale. Selon une autre caractéristique du moteur à combustion interne objet de l'invention, les électrodes de la bougie d'allumage sont positionnées en périphérie du cône d'injection du carburant. On comprendra mieux les buts, aspects et avantages de la présente invention, d'après la description donnée ci-après de deux modes de réalisation de l'invention, présentés à titre d'exemples non limitatifs, en se référant aux dessins annexés, dans lesquels la figure 1 est une vue en perspective schématique, illustrant un premier mode de réalisation d'une chambre de combustion pour moteur à combustion interne selon l'invention la figure 2 est une vue en coupe transversale de la chambre de combustion représentée à la figure 1 la figure 3 est une vue similaire à la figure 1, illustrant un second mode de réalisation d'une chambre de combustion pour moteur à combustion interne selon l'invention. Conformément aux figures, seules les parties caractéristiques des moteurs nécessaires à la compréhension de l'invention ont été figurées, ainsi sur les figures n'est représenté qu'une seule chambre de combustion, les autres chambres de combustion étant identiques à celle illustrée. Pour simplifier la lecture des dessins, les mêmes éléments portent les mêmes références d'une figure à l'autre. Par ailleurs, les éléments du second mode de réalisation ont pour numéros de référence le numéro 2 suivi du numéro (sur deux chiffres) de l'élément correspondant du premier mode de réalisation de façon à ne former qu'un seul nombre, par exemple l'un des conduits d'admission du second mode de réalisation est référencé 205 alors que le conduit d'admission correspondant du premier mode de réalisation est référencé 5. Le premier mode de réalisation de l'invention décrit conformément aux figures 1 et 2, concerne un moteur à combustion interne du type multicylindre à allumage commandé et à injection directe de carburant. Le moteur à combustion interne selon l'invention est principalement formé par une culasse 4 surmontant un bloc carter-cylindres 10. Une pluralité d'alésages cylindriques ou cylindres, identiques au cylindre 2 représenté, sont agencés dans le carter-cylindres 10. Chaque cylindre 2 loge un piston 3 dont le mouvement de va-et-vient est destiné à être converti en un mouvement rotatif par un système bielle-vilebrequin non représenté. Dans la partie supérieure du cylindre 2 s'étend une chambre de combustion 1 qui est délimitée par la face supérieure du piston 3, la face inférieure de la culasse 4 et les parois intérieures du cylindre 2. La face inférieure de la culasse 4 s'étendant au-dessus du piston 3 présente une cavité 13 en forme de toit à deux pentes constituée par deux parois planes inclinées se rejoignant au sommet par une arête arrondie s'étendant dans le plan médian axial défini par les axes du vilebrequin et du cylindre 2. L'angle formé par les deux pentes du toit 13 est par exemple compris entre 15 et 600. La culasse 4 est traversée transversalement pour chaque chambre de combustion 1 par deux conduits d'admission 5, 6 en air frais comburant et par deux conduits d'échappement 7 et 8 des gaz brûlés, s'étendant respectivement de part et d'autre du plan vertical de symétries des cylindres, entre une face latérale de la culasse 4 et la chambre de combustion 1. Ces conduits 5, 6, 7 et 8 qui sont de type jumelés, comme figurés, ou bien encore de type séparés, s'étendent parallèlement au plan médian transversal défini par l'axe du cylindre 2 débouchent respectivement dans la chambre de combustion 1 par des orifices d'admission et d'échappement non figurés qui sont munis classiquement de soupapes à tige permettant d'en contrôler l'ouverture. Les deux orifices d'admission débouchent donc dans la chambre de combustion 1, d'un même côté par rapport à l'arête 12, tandis que les deux orifices d'échappement 11 débouchent dans la chambre de combustion 1 du côté opposé aux orifices d'admission. L'angle formé entre les soupapes d'admission et d'échappement correspond à l'angle du toit 13 et est donc compris entre et et 600. Par ailleurs, le calibrage des orifices d'admission est adapté pour occuper au maximum le plan incliné correspondante du toit 13, en limite d'effet de paroi. Les deux conduits d'admission 5 et 6 sont conformés pour générer dans la chambre de combustion 1 un mouvement ordonné de l'air, tel qu'un tourbillon de type Tumble, c'est-à-dire d'axe perpendiculaire à l'axe du cylindre 2, orienté de l'admission vers l'échappement ou bien encore de type Swirl, c'est-à-dire d'axe parallèle à l'axe du cylindre 2. Cette conformation est obtenue soit directement par la forme des conduits 5 et 6, qui sont alors rectilignes et inclinés par rapport à l'axe du cylindre 2 ou bien hélicoïdaux, soit encore par des moyens pilotés non figurés qui s'étendent dans les conduits d'admission 5 et 6 et qui génèrent un Tumble ou un Swirl d'intensité variable. Un injecteur de carburant 9 et une bougie 11 sont implantés dans la culasse débouche 4 de façon à déboucher directement dans la chambre de combustion 1 en position centrale, sensiblement au sommet de la cavité 13. L'injecteur 9 comme la bougie 11 s'étendent parallèlement à l'axe du cylindre 2 ou bien légèrement inclinés par rapport à ce dernier. La bougie est positionnée à proximité immédiate de l'injecteur de façon que les électrodes de celle-ci s'étendent en périphérie du jet de carburant. Lorsque la bougie est inclinée par rapport au plan médian axial, elle l'est de préférence en direction des conduits d'échappement tandis que l'injecteur lorsqu'il est incliné, l'est en direction des conduits d'admission. L'angle du cône d'injection du carburant de l'injecteur 9 est choisi de préférence entre 30 et 600 environ, tandis que la pression d'injection du carburant comprise entre 10 et 100 bars est de préférence choisie entre 10 et 50 bars. La face supérieure du piston 3 présente une forme générale en toit complémentaire à la surface en toit 13 de la culasse 4 de façon à générer un effet de chasse adapté. L'intensité et la direction de cette chasse, qui sont notamment déterminées par l'épaisseur de la lame d'air entre le piston et la culasse au Point Mort Haut, sont ajustées pour prolonger, en fin de compression, le mouvement aérodynamique engendré lors de l'admission de l'air frais dans la chambre de combustion 1. La hauteur de la chasse est de préférence comprise entre 0.7 et 1.2 mm pour un rapport volumétrique compris entre 10 et 12. La face supérieure du piston 3 présente par ailleurs, au droit de l'impact du jet de carburant provenant de l'injecteur 9, une cavité 15. Cette cavité 15 améliore la compacité de la chambre de combustion 1 et limite les échanges thermiques avec les parois, elle permet par ailleurs de confiner la zone de carburant au centre de la chambre de combustion en mode stratifiée. La forme des parois de cette cavité ainsi que de celle de son ouverture sont adaptées aux positionnements particuliers retenus pour l'injecteur et la bougie. Les dimensions de la cavité peuvent ainsi évoluer entre une géométrie lenticulaire, c'est-à-dire en forme de disque de faible profondeur (quelques millimètres) plutôt adaptée pour une aérodynamique de type Tumble, et une géométrie en bol, c'est-à-dire en forme de sphère de forte profondeur (plusieurs dizaines de millimètres) plutôt adaptée pour une aérodynamique de type Swirl combinée à un effet de chasse. Selon le premier mode de réalisation des figures 1 et 2, l'injecteur 9 et la bougie 11 sont positionnés dans le plan médian transversal de part et d'autre de l'arête 12, inclinés respectivement en direction des conduits d'admission et des conduits d'échappement. Selon le second mode de réalisation de la figure 3, l'injecteur 209 et la bougie 211 sont positionnés dans le plan médian axial séparant les conduits d'admission 205 et 206 d'une part des conduits d'échappement 207 et 208 d'autre part. L'injecteur 209 et la bougie 211 débouchent donc au droit de l'arête 212 au voisinage de l'axe du cylindre. Si selon le mode de réalisation représenté à la figure 3, l'injecteur 209 et la bougie 211 sont implantés sensiblement de part et d'autre de l'axe du cylindre, il est possible, en variante de réalisation, de positionner l'injecteur 209 ou la bougie 211 exactement dans l'axe du cylindre. L'injecteur 209 et la bougie 211 s'étendent parallèlement à l'axe du cylindre ou bien encore sont légèrement inclinés par rapport à ce dernier tout en demeurant dans le plan médian axial. Conformément à la description donnée ci-dessus de deux modes de réalisation du moteur objet de l'invention, le fonctionnement d'un tel moteur est le suivant. L'air frais introduit dans la chambre 1 lors de l'ouverture des soupapes d'admission commandant l'ouverture des orifices d'admission forme un tourbillon de type Tumble ou Swirl. Ce mouvement se poursuit dans la chambre 1 au fur et à mesure de la remontée du piston dans la cavité 15 et est alimenté notamment par les effets de chasse enfin de compression. A un instant prédéterminé du cycle moteur (repérer par une position angulaire donnée du vilebrequin Oc avant le Point Mort Haut) et pendant une durée adaptée, est opérée l'injection du carburant. Le jet de carburant provenant de l'injecteur 9 vient alors se mélanger à l'air. Le carburant est ainsi entraîné vers la bougie 11 après avoir balayé le fond de la cavité 15 du piston dont la température favorise la vaporisation. L'allumage se produit au voisinage du Point Mort Haut avec une avance prédéterminée et déclenche la combustion qui initiée aux électrodes de la bougie 11 se propage dans toute la chambre de combustion 1 au fur et à mesure de la descente du piston 3. Suivant le point de fonctionnement du moteur, le phasage de l'injection, la quantité de carburant ainsi que l'avance à l'allumage sont adaptés pour obtenir tantôt un fonctionnement de type stratifié (notamment à faible charge), tantôt un fonctionnement de type homogène (notamment à pleine charge). Bien évidemment, tous les paramètres du moteur, et notamment les dimensions de la cavité 15, les positionnements de la bougie et de l'injecteur ainsi que la direction et l'intensité du Tumble ou du Swirl ainsi que celles de la chasse sont adaptés par des essais appropriés en fonction de la cylindrée et des caractéristiques couple/puissance souhaitées. Selon ce moteur objet de la présente invention, la création d'un mouvement aérodynamique ordonné dans la chambre de combustion 1, est importante pour favoriser notablement la combustion en permettant de contrôler la stabilité de la distribution en carburant. De plus, la mise en rotation du mélange combustible permet d'améliorer la stabilité du moteur notamment pour des points de fonctionnement en mélange pauvre homogène. Les chambres de combustion Squi ont été décrites conviennent donc aussi bien à un fonctionnement en charge homogène, à la stoechiométrie ou en mélange pauvre, qu'à un fonctionnement en charge stratifiée. De même, elles conviennent aussi bien à un fonctionnement avec EGR qu'à un fonctionnement sans EGR. Par ailleurs, elles sont adaptées pour générer et entretenir l'aérodynamique interne pendant les phases d'admission et de compression que se soit une aérodynamique de type Swirl (mouvement ordonné autour de l'axe du cylindre) ou Tumble (mouvement ordonné autour d'un axe perpendiculaire à l'axe du cylindre). Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et illustrés qui n'ont été donnés qu'à titre d'exemples non limitatifs. Au contraire, l'invention comprend tous les équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons si celles-ci sont effectuées suivant son esprit. REVENDICATION8 [1] Moteur à combustion interne caractérisé en ce qu'il comprend pour chaque cylindre - une chambre de combustion (1) délimitée par la face supérieure d'un piston (3) monté dans ledit cylindre (2) et la face inférieure d'une culasse (4) présentant une cavité en forme de toit (13) constituée de deux parois planes inclinées se rejoignant au sommet par une arête sensiblement arrondie (12;212) s'étendant parallèlement à l'axe longitudinal du moteur - deux conduits d'admission (5,6;205,206) formés à travers la culasse (4) et débouchant dans la chambre de combustion (1) à travers l'une des parois planes par deux orifices distincts d'admission obturés par des soupapes ; - deux conduits d'échappement (7,8;207,208) formés à travers la culasse (4) et débouchant dans la chambre de combustion (1) du côté opposé aux orifices d'admission par deux orifices distincts d'échappement obturés par des soupapes - un injecteur de carburant (9;209) et une bougie d'allumage (11,211) débouchant dans la chambre de combustion (1) sensiblement au centre de la cavité en toit (13) - la face supérieure du piston (3) étant de forme générale en toit complémentaire à la cavité en toit (13) ménagée dans la culasse (4) et présentant une cavité centrale (15). 2) Moteur à combustion interne selon la revendication 1, caractérisé en ce que les électrodes de la bougie (li;211) sont positionnées en périphérie du cône d'injection du carburant. [3] Moteur à combustion interne selon l'une quelconques des revendications 1 à 2, caractérisé en ce que l'angle d'ouverture du cône d'injection est compris entre 30O et 60 . [4] Moteur à combustion interne selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'injecteur (9;209) est incliné par rapport à l'axe du cylindre (2). [5] Moteur à combustion interne selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'injecteur (9) est incliné du côté des conduits d'admission (5,6). [6] Moteur à combustion interne selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la bougie (11;211) est inclinée par rapport à l'axe du cylindre (2). [7] Moteur à combustion interne selon la revendication 6, caractérisé en ce que la bougie (11) est inclinée du côté des conduits d'échappement (7,8). [8] Moteur à combustion interne selon l'une quelconques des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la bougie (11) et l'injecteur (9) s'étendent sensiblement dans le plan médian transversal et débouchent respectivement de part et d'autre de l'arête centrale (12) délimitant les deux plans inclinés de la cavité en toit (13). [9] Moteur à combustion interne selon l'une quelconques des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la bougie (211) et l'injecteur (209) s'étendent sensiblement dans le plan médian axial et débouchent au droit de l'arête (212) respectivement de part et d'autre de l'axe du cylindre. [10] Moteur à combustion interne selon l'une quelconques des revendications 1 à 7, caractérise en ce que la bougie (211) et l'injecteur (209) s'étendent sensiblement dans le plan médian axial et en ce que l'injecteur (209) ou la bougie (211) débouche dans l'axe du cylindre.