Brevet FR2771138A1 — publié le 19990521

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 destiné à équiper un véhicule automobile. L'invention concerne plus particulièrement la forme de la chambre de combustion d'un tel moteur. Il est connu par le document EP-A-558072 de réaliser un moteur multicylindre à injection directe de carburant du type comprenant - une chambre de combustion formée entre une paroi supérieure d'un piston monté dans un cylindre et une paroi inférieure d'une culasse - deux tubulures d'admission formées à travers la culasse d'un côté d'un plan de référence défini par l'axe du cylindre et l'axe du vilebrequin, chacune des tubulures d'admission communiquant avec la chambre de combustion par un orifice d'admission commandé par une soupape inclinée par rapport à l'axe du cylindre - chaque tubulure d'admission étant formée de sorte à s'étendre de l'orifice d'admission vers un côté amont de la tubulure d'admission le long de l'axe du cylindre afin de générer un mouvement aérodynamique de type "tumble" de l'air pénétrant dans la chambre de combustion - deux tubulures d'échappement formées à travers la culasse sur un côté opposé du plan de référence, chacune des tubulures d'échappement communiquant avec la chambre de combustion par un orifice d'échappement commandé par une soupape inclinée par rapport à l'axe du cylindre - un moyen d'allumage par étincelle sur la paroi inférieure de la culasse, ce moyen d'allumage étant disposé de façon centrale dans la partie supérieure de la chambre de combustion un piston pourvu sur la paroi supérieure de celui-ci d'une partie évidée, ladite partie évidée étant formée à un endroit décalé vers les orifices d'admission - un moyen d'injection du carburant disposé du côté des tubulures d'admission à travers la paroi latérale de la culasse, ledit moyen d'injection étant incliné par rapport à l'axe du cylindre pour injecter le carburant vers la partie évidée formée dans la paroi supérieure du piston. Selon cet art antérieur, la cavité formée dans la paroi supérieure du piston est conformée pour diriger le jet de carburant vers les moyens d'allumage. Ainsi, selon un tel moteur, la stratification du mélange carburé est obtenue par effets de parois et par l'aérodynamique de la masse d'air frais admise dans la chambre de combustion. Bien qu'un tel moteur offre un bon compromis pour les fonctionnements en mode mélange pauvre stratifiée ou homogène, sa mise au point s'avère délicate, car il nécessite la maîtrise de l'aérodynamique interne et donc le recours à des conduits d'admission de type "swirl" ou "tumble" équipés de moyens mécaniques pour en maîtriser l'intensité. Cette architecture s'avère coûteuse à réaliser industriellement et peut par ailleurs pénaliser les performances du moteur aux fortes charges. La forme du piston est également complexe (bol, bosses) et donc également coûteuse à fabriquer, de plus elle affecte le rendement de la combustion en augmentant le rapport surface du piston/volume de la chambre de combustion. 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 en ce qu'elle permet une stratification de la charge carburé de type indirect par effet de parois mais qui ne nécessite pas obligatoirement une aérodynamique contrôlée de la masse d'air admise dans les chambres de combustion. Le moteur à combustion interne selon l'invention, est donc du type comprenant - une chambre de combustion délimitée par la face supérieure d'un piston monté dans un cylindre et une paroi portée par la face inférieure d'une culasse - au moins un conduit d'admission formé à travers la culasse et débouchant dans la chambre de combustion par un orifice d'admission obturé par une soupape - au moins un conduit d'échappement formé à travers la culasse et débouchant dans la chambre de combustion par un orifice d'échappement obturé par une soupape ; - un moyen d'allumage par étincelle débouchant dans la chambre de combustion à travers la paroi sensiblement dans l'axe du cylindre - un injecteur de carburant débouchant latéralement dans la chambre de combustion, cet injecteur étant incliné par rapport à l'axe du cylindre et dirigeant son jet de carburant directement vers la face supérieure du piston caractérisé en ce que - le piston présente sur sa face supérieure une cavité s'étendant dans la partie de la chambre de combustion située entre la bougie et l'injecteur, cette cavité comportant des moyens déflecteurs conformés pour diriger le jet de carburant vers la bougie. Selon une autre caractéristique du moteur à combustion interne objet de l'invention, les moyens déflecteurs sont constitués par une pluralité de parois s'étendant à travers la cavité. Selon une autre caractéristique du moteur à combustion interne objet de l'invention, les parois déflectrices s'étendent à travers la cavité sensiblement perpendiculairement à la direction d'injection du carburant. Selon une autre caractéristique du moteur à combustion interne objet de l'invention, l'injecteur s'étend latéralement à l'un des conduits débouchant dans la chambre de combustion. Selon une autre caractéristique du moteur à combustion interne objet de l'invention, deux conduits d'admission s'étendent parallèlement l'un à l'autre à travers la culasse pour alimenter la chambre de combustion en air comburant et l'injecteur est disposé entre ces deux conduits. Selon une autre caractéristique du moteur à combustion interne objet de l'invention, le piston comporte une zone de chasse de forme complémentaire à la zone en vis-à-vis de la cavité ménagée dans la paroi inférieure d'une culasse. On comprendra mieux les buts, aspects et avantages de la présente invention, d'après la description donnée ci-après d'un mode de réalisation de l'invention, présenté à titre d'exemple non limitatif, en se référant aux dessins annexés, dans lesquels la figure 1 est une vue en coupe transversale d'une chambre de combustion du moteur à combustion interne selon l'invention la figure 2 est une vue de dessus du piston représenté à la figure 1. Sur les figures, n' ont été représentés que les parties caractéristiques du moteur, nécessaires à la compréhension de l'invention. Ainsi, une seule chambre de combustion n'est montrée, les autres chambres de combustion du moteur étant identiques à celle illustrée. De plus, pour faciliter la lecture des dessins, les mêmes éléments portent les mêmes références d'une figure à 1 'autre. Le mode de réalisation de l'invention décrit conformément à la figure 1, concerne un moteur à combustion interne du type multicylindre à allumage commandé et à injection directe de carburant. Ce moteur à combustion interne est principalement formé par une culasse 4 surmontant un bloc cartercylindres 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. Ce piston est représenté dans deux positions différentes du cycle moteur : au Point Mort Haut et dans une position intermédiaire. Dans la partie supérieure du cylindre 2 s'étend une chambre de combustion 1. Cette chambre de combustion 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 par exemple 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 35 et 55 . La forme en toit de la cavité 13 n'est toutefois pas limitative de l'invention et tout autre forme de chambre est envisageable. La culasse 4 est traversée classiquement pour chaque chambre de combustion 1 par au moins un conduit d'admission 5 en air frais comburant (et de préférence par deux conduits) et par au moins un conduit d'échappement 7 des gaz brûlés (et de préférence par deux conduits), 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 d'admission 5 et d'échappement 7 débouchent respectivement dans la chambre de combustion 1 par des orifices d'admission et d'échappement qui sont munis classiquement de soupapes à tige permettant d'en contrôler l'ouverture. Le (ou les) conduit d'admission 5 est plus particulièrement conformé pour favoriser le remplissage en air comburant de la chambre de combustion 1. En variante de réalisation on pourra toutefois utiliser un (ou des) conduit d'admission conformés pour générer un mouvement aérodynamique ordonné de type "tumble" (tourbillon d'axe perpendiculaire à l'axe du cylindre 2) ou "swirl" (tourbillon d'axe parallèle à l'axe du cylindre 2) ; cette conformation pour produire un mouvement ordonné est obtenue, soit directement par la forme et la localisation du conduit 5, soit encore par des moyens pilotés non figurés qui s'étendent dans le conduit d'admission 5 et qui génèrent un "tumble" ou un "swirl" d'intensité variable. Une bougie d'allumage 9 est logée dans la culasse 4 parallèlement à l'axe du cylindre et débouche sensiblement au sommet de la cavité 13 dans l'axe du cylindre 2. Cette bougie 9 est connectée classiquement à une bobine par un circuit d'alimentation électrique non figurée. L'instant d'allumage est déterminée par le système électronique de commande du moteur, également non figuré, qui détermine cet instant dans le déroulement du cycle moteur suivant les conditions de fonctionnement du moteur et notamment la charge et le régime. Le carburant est directement introduit dans la chambre de combustion 1 au moyen d'un électro-injecteur de carburant 11. Cet injecteur est monté, dans l'exemple figuré, latéralement au conduit d'admission 5 et débouche à la périphérie du toit 13 de la chambre de combustion 1. Lorsque deux conduits d'admission sont prévus l'injecteur est de préférence disposé entre les conduits. Selon une variante de réalisation du moteur objet de la présente invention, on peut prévoir de disposer l'injecteur latéralement au conduit d'échappement 7. Quelle que soit la localisation de l'injecteur de carburant 11, ce dernier est incliné en direction du piston 3 d'un angle CL par rapport au plan de joint de la culasse 4 ; de préférence, mais sans que cela soit limitatif de l'invention, cet angle CL est compris entre 300 et 600. L'injecteur 11 est connecté classiquement à un circuit d'alimentation en carburant sous pression non figurée et la quantité de carburant injectée est déterminée par le système électronique de commande du moteur, qui détermine le phasage et la durée d'ouverture de l'injecteur suivant les conditions de fonctionnement du moteur et notamment la charge et le régime. Conformément à l'invention, la face supérieure du piston 3 présente une forme complexe détaillée à la figure 2. Dans la partie du piston 3 s'étendant à l'opposé de l'injecteur 11 est prévue une zone en relief 12 de forme complémentaire à celle de la cavité 13 en regard 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 générer en fin de compression une turbulence favorable à l'initiation et à la propagation de la flamme. La face supérieure du piston 3 présente par ailleurs, au droit de l'impact du jet de carburant provenant de l'injecteur 11, une cavité 14. Cette cavité 14 est excentrée latéralement dans la partie de la chambre de combustion 1 s'étendant entre l'injecteur 11 et la bougie 9. La cavité 14 comporte une succession de parois déflectrices 15 s'étendant sensiblement parallèlement au plan médian axial. Ces parois déflectrices 15 en forme de vagues sont façonnées, tant pour ce qui de leur hauteur et que de leur courbure, pour diriger le carburant vers la bougie 9 en tenant compte de l'angle de réception d'impact du jet de carburant. Cette solution permet une stratification de la charge de type indirecte par effet de paroi qui ne nécessite pas obligatoirement une aérodynamique contrôlée de la masse d'air admise dans la chambre de combustion 1. En effet, en mode de fonctionnement stratifié, l'injection du carburant se fait en fin de période de compression, la pression d'injection est élevée (par exemple 100 bars), le cône d'injection est donc fermé et le tir tendu et pénétrant. L'impact du carburant injecté dans la cavité 14 se déplace donc transversalement de la zone VI vers la zone I au fur et à mesure de la remontée du piston 3 vers le Point Mort Haut. Toutefois, grâce aux parois déflectrices 15, quelle que soit la zone d'impact VI, III, II ou I, le carburant injecté est toujours dirigé vers le point d'allumage, c'est-à-dire vers les électrodes. Ainsi conformément à l'invention, la maîtrise de la stratification est réalisée par le calage du temps d'injection mais également par les déflecteurs 15 du piston 3. Il est également possible en variante de réalisation d'orienter de façon particulière les déflecteurs pour, par exemple, dans un premier temps diriger le jet au voisinage de la bougie 9 puis en phase finale sur les électrodes de la bougie 9, ou inversement, afin de tenir compte de l'aérodynamique de la masse d'air admise dans la chambre de combustion (mouvements ordonnés de type "tumble" ou "swirl" et effet de chasse). 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. REVENDICATIONS [1] Moteur à combustion interne comprenant - une chambre de combustion (1) délimitée par la face supérieure d'un piston (3) monté dans un cylindre (2) et une paroi (13) portée par la face inférieure d'une culasse (4) - au moins un conduit d'admission (5) formé à travers la culasse (4) et débouchant dans la chambre de combustion (1) par un orifice d'admission obturé par une soupape - au moins un conduit d'échappement (7) formé à travers la culasse (4) et débouchant dans la chambre de combustion (1) par un orifice d'échappement obturé par une soupape ; - un moyen d'allumage par étincelle (9) débouchant dans la chambre de combustion (1) à travers la paroi (13) sensiblement dans l'axe du cylindre (2) - un injecteur de carburant (11) débouchant latéralement dans la chambre de combustion (1) , ledit injecteur (11) étant incliné par rapport à l'axe du cylindre (2) et dirigeant son jet de carburant directement vers la face supérieure du piston (3) caractérisé en ce que - le piston (3) présente sur sa face supérieure une cavité (14) s'étendant dans la partie de la chambre de combustion (1) située entre la bougie (9) et l'injecteur (11), ladite cavité (14) comportant des moyens déflecteurs (15) conformés pour diriger le jet de carburant vers la bougie (9). [2 Moteur à combustion interne selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens déflecteurs sont constitués par une pluralité de parois (15) s'étendant à travers la cavité (14). [3] Moteur à combustion interne selon la revendication 2, caractérisé en ce que lesdites de parois (15) s'étendant à travers la cavité (14) sensiblement perpendiculairement à la direction d'injection du carburant. [4] Moteur à combustion interne selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'injecteur (11) s'étend latéralement à l'un des conduits (5,7). [5] Moteur à combustion interne selon la revendication 4, caractérisé en ce que deux conduits d'admission (5) s'étendent parallèlement l'un à l'autre à travers la culasse (4) et en ce que l'injecteur est disposé entre ces deux conduits (5). [6] Moteur à combustion interne selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le piston (3) comporte une zone de chasse (12) de forme complémentaire à la zone en vis-à-vis de la cavité (13) ménagée dans la paroi inférieure d'une culasse (4).