Brevet FR2770873A1 — publié le 19990514

L'invention se rapporte à un moteur à combustion interne à allumage par étincelle et à injection directe, comprenant au moins un cylindre dans lequel une chambre de combustion est délimitée par un piston mobile longitudinalement et par un toit de cette chambre formé par le côté intérieur d'une culasse, ainsi qu'un injecteur par cylindre, qui est destiné à l'injection d'un jet conique de carburant dans la chambre de combustion, un mélange air/carburant étant formé avec de l'air comburant arrivant séparément, mélange qui doit être allumé par une étincelle jaillissant entre les électrodes d'une bougie d'allumage, les électrodes étant situées à l'extérieur de l'enveloppe du cône du jet de carburant. La formation interne du mélange du carburant injecté dans la chambre de combustion et d'air comburant arrivant séparément permet un régime à charge stratifiée qui réduit notablement la consommation de carburant dans de larges plages de charge partielle du moteur par rapport à d'autres procédés connus de formation du mélange. La charge stratifiée de la chambre de combustion s'obtient par une injection de carburant pendant la course de compression du piston de manière qu'il se forme un mélange stratifié non homogène à forte concentration en carburant à l'intérieur du jet pendant le court intervalle de temps de formation du mélange qui est compris entre l'injection du carburant et l'allumage de ce mélange. Il y a donc par zones dans la chambre de combustion un mélange inflammable de carburant et d'air sous forme d'un nuage autour duquel les rapports du mélange deviennent progressivement plus maigres, de sorte que globalement il est possible d'exploiter le moteur avec un excès d'air. Une stratification stable de la charge qui permet une atténuation notable de la35 réduction de puissance sous charge partielle et même un 2 2770873 fonctionnement sans réduction de puissance en marche à vide s'obtient par injection d'un jet conique de carburant, l'injecteur étant équipé d'un gicleur correspondant.5 Le nuage de mélange doit être allumé par une étincelle jaillissant entre les électrodes d'une bougie d'allumage. L'allumage de la charge stratifiée stable avec excès d'air s'effectue fréquemment à l'aide d'une bougie d'allumage qui est placée au voisinage immédiat10 de l'injecteur de manière qu'il soit garanti que le mélange inflammable, c'est à dire riche en carburant soit saisi par l'étincelle. Un tel moteur à combustion interne à allumage par étincelle ("cycle Otto") a déjà été décrit dans DE 43 24 642 Ai. L'allumage et l'inflammation du mélange s'effectuent en régime à charge stratifiée rapidement à la fin de l'injection du carburant avant que ne se produise une homogénéisation croissante du mélange stratifié et que le nuage inflammable de ce dernier s'éloigne, dans le sens du jet de carburant, des électrodes proches de l'injecteur. Les électrodes de la bougie d'allumage de la disposition connue pénètrent profondément dans la chambre de combustion et à l'intérieur du jet conique de carburant généré par l'injection. Pendant l'injection, les électrodes s'humidifient de carburant qui ne peut pas s'évaporer totalement jusqu'à l'instant de l'allumage et qui provoque des dépôts sur les électrodes pendant la combustion. Le calaminage croissant des électrodes provoque des décharges superficielles et donc des ratés d'allumage et la bougie d'allumage devient rapidement incapable de fonctionner. Avec un tel concept d'injection directe "à guidage du jet", suivant lequel le mouvement d'écoulement à l'intérieur du jet de carburant amène ce dernier sur les électrodes proches de 3 2770873 l'injecteur, il n'y a qu'un faible intervalle de temps qui soit disponible jusqu'à l'instant de l'allumage pour la formation du mélange, de sorte qu'une formation de suie s'observe fréquemment en raison de la combustion incomplète du carburant avec formation insuffisante du mélange. DE 195 46 945 Al décrit un moteur à combustion interne à allumage par étincelle ("cycle Otto") et à injection directe, dans lequel les électrodes de la bougie sont disposées à l'extérieur de l'enveloppe du cône du jet du carburant et donc ne sont pas humidifiées par ce dernier lors de l'injection, de sorte que le calaminage est évité. Le toit de la chambre de combustion est à peu près conique et il est sensiblement parallèle à l'enveloppe du cône dont il est distant. Un flux d'air qui a été précédemment entraîné par le jet d'injection doit refluer dans l'intervalle formé entre le cône de carburant et le toit de la chambre de combustion dans le sens inverse à celui du jet, pour des raisons de continuité, et déclencher une circulation tourbillonnaire qui entraîne des gouttelettes de carburant ou du mélange hors de l'enveloppe du cône et les transporte sur les électrodes. La formation, due à la mécanique des fluides, du tourbillon du mélange dans lequel les électrodes doivent pénétrer est toutefois incontrôlable. Lorsque l'intensité du tourbillonnement est faible à proximité de la bougie d'allumage, il n'y a pas suffisamment de carburant qui soit libéré de l'enveloppe du cône pour amener un mélange inflammable entre les électrodes. Il en résulte inévitablement des ratés d'allumage. La présente invention a pour objet de réaliser le moteur à combustion interne tel que spécifié en préambule de manière à garantir durablement en régime à charge stratifiée une formation suffisante ainsi qu'une 4 2770873 inflammation et une combustion stables du mélange de carburant et d'air. Ce but est atteint au moyen d'un moteur à combustion interne, à allumage par étincelle ("cycle Otto") et à injection directe du type indiqué en préambule, caracgérisé en ce que le toit de la chambre de combustion est conformé de manière que l'enveloppe du cône soit formée, lors de l'injection, immédiatement au voisinage de la paroi du toit de la chambre de combustion dans un secteur situé entre l'injecteur et la bougie d'allumage. La conformation selon l'invention du toit de la chambre de combustion lui permet de rapprocher de l'étincelle un mélange inflammable, riche en carburant, malgré la disposition des électrodes à l'écart de l'enveloppe du cône. Le positionnement de l'enveloppe du cône à proximité de la paroi du toit de la chambre de combustion provoque une déviation, dirigée vers l'extérieur, des gouttelettes de carburant guidées dans l'enveloppe du cône. La divergence du jet de carburant subit de plus l'influence de la paroi, latéralement proche, de la chambre de combustion, car une dépression qui est créée sur cette paroi génère une attraction des couches en écoulement de l'enveloppe du cône. Ce phénomène de déviation d'un écoulement produit au voisinage d'un corps solide est désigné effet Coanda, qui permet par des moyens simples le transport du mélange inflammable vers la bougie d'allumage. La longueur de l'enveloppe du cône dans la direction de la génératrice et la largeur de la partie du jet qui est guidée à proximité de la paroi du toit de la chambre de combustion permettent de faire varier l'importance de la déviation vers les électrodes de la bougie d'allumage. Il est possible, grâce à l'effet Coanda, d'augmenter la distance séparant l'injecteur et les électrodes de 2770873 manière qu'une formation suffisante de mélange ait lieu jusqu'à l'allumage et qu'une formation de suie soit fiablement évitée. Avantageusement, une nervure de guidage, qui est sensiblement parallèle à la génératrice de l'enveloppe conique, forme un bossage entre l'injecteur et la bougie, nervure qui provoque la déviation radiale de l'enveloppe du cône vers la bougie et diminue à peine le volume de la chambre de combustion. La nervure de guidage peut parvenir jusqu'à l'embouchure d'un trou de logement de la bougie d'allumage qui est réalisé dans la culasse et situé à l'intérieur du toit de la chambre de combustion, ce qui amplifie la déviation par effet Coanda. Si les électrodes sont disposées à l'embouchure du trou de logement de la bougie d'allumage, elles sont fiablement protégées contre l'humidification par du carburant par l'intrados de la nervure de guidage. L'invention va être décrite plus en détail à titre d'exemple en regard des dessins annexés sur lesquels: la figure 1 est une coupe longitudinale de la chambre de combustion d'un moteur à combustion interne à allumage par étincelle ("cycle Otto") et à injection directe, la figure 2 est une coupe selon la ligne II-II de la figure 1 et illustre la nervure de guidage réalisée sur le toit de la chambre de combustion, et la figure 3 est une vue en plan de la culasse de la figure 1 observée à partir de la chambre de combustion. La figure 1 représente un cylindre 2 d'un moteur 1 à combustion interne à allumage par étincelle ("cycle Otto"), à injection directe, dans lequel un piston 3 est monté mobile longitudinalement. Le piston 3 6 2770873 délimite avec un toit 7 formé par le côté intérieur d'une culasse 4 une chambre de combustion 5 à l'intérieur du cylindre 2. Ce toit 7 est en forme de trémie dont le sommet est situé au centre du cylindre 2. Un injecteur 6 disposé au sommet du toit 7 injecte dans la chambre de combustion 5 un jet conique 9 de carburant pour la formation interne d'un mélange avec de l'air comburant arrivant séparément. Le jet 9 de carburant s'élargit, en direction du piston 3, symétriquement par rapport à un axe 12 du cylindre en régime à charge stratifiée du moteur 1, le carburant étant injecté pendant la course de compression du piston 3. Il se forme dans la chambre de combustion 5 un nuage central d'un mélange inflammable d'air et de carburant, qui est riche en ce dernier, d'une manière qui correspond au contour conique du jet d'injection 9. Le rapport du mélange du nuage devient progressivement plus maigre en direction radiale. Le toit 7 en forme de trémie de la chambre de combustion est très éloigné de l'enveloppe 10 du cône du jet de carburant 9 et il permet une propagation libre de ce jet, ce qui favorise la stratification stable lors de la formation du mélange. Le mélange doit être allumé par une étincelle qui jaillit entre les électrodes lia, llb d'une bougie d'allumage 8. Les électrodes lia, llb sont situées, à cet égard, à l'extérieur de l'enveloppe 10 du cône. Pour transporter un mélange inflammable de carburant et d'air vers les électrodes lia, llb, le toit de la chambre de combustion est conformé de manière que, lors de l'injection, l'enveloppe 10 du cône soit immédiatement voisine de la paroi du toit 7 de la chambre de combustion dans un secteur situé entre l'injecteur 6 et les électrodes de la bougie d'allumage 8. 7 2770873 La formation de l'enveloppe du cône à proximité de la paroi dans le secteur du toit de la chambre de combustion qui est situé entre l'injecteur 6 et la bougie 8 s'obtient par le fait qu'une nervure de guidage 13 qui est sensiblement parallèle à la génératrice de l'enveloppe 10 du cône forme un bossage sur la partie correspondante du toit 7. La dépression créée à proximité de la nervure de guidage 13 par suite de l'effet Coanda aspire l'écoulement du mélange riche en carburant qui est guidé à l'intérieur de l'enveloppe conique. La déviation du carburant s'écoulant dans la direction d'une génératrice du jet conique 10, qui est due à la nervure de guidage, amène du mélange inflammable entre les électrodes lia, l1b de la bougie d'allumage 8. Bien que les électrodes lia, llb soient situées géométriquement à l'extérieur de l'enveloppe 10 du cône et donc qu'elles ne soient pas balayées par le jet 9 ni humidifiées par du carburant, l'étincelle atteint le mélange inflammable en mode d'exploitation du moteur 1 à charge stratifiée en provoquant une inflammation fiable du nuage du mélange dans la chambre de combustion 5. La nervure de guidage 13 parvient jusqu'à un trou 15 de logement de la bougie d'allumage 8 dans le toit 7 de la chambre de combustion, de sorte que l'effet Coanda fait passer l'écoulement dévié du mélange dans la zone de l'embouchure de ce trou 15. L'intrados de la nervure 13 forme à proximité de l'embouchure du trou 15 une chambre d'allumage dans laquelle le mélange dévié est allumé et la charge de la chambre de combustion s'enflamme sur un front large. Les électrodes lia, llb sont situées, à cet égard, à peu près au niveau de la surface de la nervure de guidage 13 et elles sont protégées par l'intrados contre un balayage par du carburant liquide. La bougie d'allumage 8 peut 8 2770873 avantageusement être disposée de manière que son orientation axiale, qui détermine le trajet de l'étincelle entre les électrodes lla, 11b, soit sensiblement perpendiculaire à l'enveloppe 10 du cône du jet 9 de carburant. La figure 2 représente en coupe selon la ligne II-II de la figure 1 le contour de la nervure de guidage 13 qui favorise la déviation selon l'invention des courants de carburant situés dans l'enveloppe conique vers les électrodes. La nervure de guidage 13, qui forme un bossage sur la paroi 7 de la chambre de combustion, comporte une gorge 14 qui s'étend sur pratiquement toute la larguer de la nervure de guidage 13. La gorge 14 forme la surface de déviation de la nervure 13, qui agit sur le cône d'injection du carburant. Elle a une forme en secteur de cercle et elle entoure donc l'enveloppe du cône du jet de carburant dans le secteur de l'enveloppe qui est situé entre l'injecteur et l'électrode d'allumage et qui agit à l'aide de l'effet Coanda. Le rayon R de la gorge 14 est de plus réalisé concentriquement au jet de carburant. La nervure de guidage 13 est donc située sur une largeur suffisante à proximité du cône de carburant lors de l'injection de ce dernier. L'importance de l'aspiration et de la déviation produites sur le jet conique par l'effet Coanda peut être modifiée par variation de la longueur ainsi que de la largeur de la nervure de guidage 13, c'est à dire de l'angle de l'arc qui est formé par la gorge 14 et qui entoure le jet conique. Un choix convenable de la longueur de la nervure 13 ainsi que de sa largeur (de l'angle inscrit par la gorge 14) permet d'obtenir par sa conformation de nombreuses possibilités d'agir sur le jet conique 9 à l'aide de l'effet Coanda. Les possibilités de positionnement des électrodes de la 9 2770873 bougie d'allumage sont considérablement élargies. Le libre choix de la position de l'étincelle dans la chambre de combustion crée les conditions optimales de service en ce qui concerne la formation du mélange, d'une part, et l'inflammation ainsi que la combustion de celui- ci, d'autre part, dont les critères particuliers en ce qui concerne la disposition, dans l'espace de l'injecteur, et de la bougie d'allumage l'un par rapport à l'autre sont partiellement contradictoires. Une position de l'étincelle aussi bien proche qu'éloignée de l'injecteur est possible pour les électrodes de la bougie d'allumage qui sont par principe à l'extérieur de l'enveloppe du cône et donc qui sont protégées contre un calaminage. La figure 3 est une vue en plan du toit 7 de la chambre de combustion, qui est réalisé en forme de trémie dans la culasse et sur lequel la nervure de guidage 13 forme un bossage en direction radiale. La nervure 13 se prolonge à partir de l'injecteur 6 jusqu'au-delà du trou 15 réalisé dans la culasse pour le logement de la bougie 8 et jusqu'à proximité de la paroi du cylindre 2. La partie de la nervure 13 qui est comprise entre l'injecteur 6 et la bougie 8 d'allumage et qui agit sur le cône de carburant forme un bossage qui est plus haut que la partie située radialement derrière le trou de logement 15, comme le montre clairement la figure 1 sous forme d'une coupe le long de la ligne I-I de la figure 3. La position radiale de la bougie d'allumage 8 dans le toit 7 de la chambre de combustion ainsi que la position des électrodes lia, llb agissent considérablement sur le processus de combustion dans la chambre de combustion. Ces positions peuvent être adoptées librement en raison de la conformation, selon l'invention, de la nervure de guidage 13 et du mode d'action qui en résulte, de sorte que les 2770873 possibilités d'abaissement de la consommation qu'offre en principe l'injection directe en mode d'exploitation à charge stratifiée peuvent être mieux utilisées. Le trou 15 de logement de la bougie 8 est situé, en référence à la direction du toit 7 de la chambre de combustion, à peu près au milieu à l'intérieur de la nervure de guidage 13. Les électrodes lia, llb sont disposées dans la zone 16 de l'embouchure du trou de logement de la bougie d'allumage 8 lorsque celle-ci occupe la position de montage et elles sont situées de plus à peu près au niveau du fond de la gorge 14 réalisée dans la nervure 13. Il résulte de la conformation de la gorge 14 en arc de cercle et de l'obliquité de la bougie d'allumage par rapport à l'axe du cylindre que le bord du trou de logement 15 formé dans la zone 16 de l'embouchure est allongé dans le sens allant vers l'injecteur 6. L'arrivée du mélange de carburant et d'air dévié par l'effet Coanda dans la chambre d'allumage située dans la zone 16 de l'embouchure et le transport entre les électrodes lia, llb sont ainsi facilités. La conformation, selon l'invention du toit 7 de la chambre de combustion, qui est destinée à agir sur le jet conique de l'injecteur 6 et à assurer le transport du mélange inflammable vers la bougie d'allumage 8, est utilisable dans un moteur à combustion interne à allumage par étincelle ("cycle Otto") indépendamment de la position des soupapes 17 de passage des gaz dans le toit 7 de la chambre de combustion. La vitesse d'écoulement dans le cône du mélange ainsi que dans le nuage de ce dernier qui est formé centralement en mode d'exploitation à mélange stratifié est déterminée essentiellement par le jet de carburant injecté sous haute pression. L'influence exercée par l'effet Coanda sur le jet conique est indépendante du il 2770873 concept adopté de formation du mélange et des directions d'écoulement de l'air comburant à l'entrée dans la chambre de combustion. REVENDICATIONS 1. Moteur à combustion interne à allumage par -étincelle et à injection directe, comprenant au moins un cylindre (2) dans lequel une chambre de combustion (5) est délimitée par un piston mobile longitudinalement (3) et par un toit (7) de cette chambre qui est formé par le côté intérieur d'une culasse (4), ainsi qu'un injecteur (6) par cylindre, qui est destiné à injecter un jet conique de carburant (9) dans la chambre de combustion (5), un mélange air/carburant étant formé avec de l'air comburant arrivant séparément, mélange qui doit être allumé par une étincelle jaillissant entre les électrodes (lia, llb) d'une bougie d'allumage (8), les électrodes (lia, lib) étant situées à l'extérieur de l'enveloppe (10) du cône (9) du jet de carburant, caractérisé en ce que le toit (7) de la chambre de combustion est conformé de manière que, lors de l'injection, l'enveloppe du cône (10) soit formée au voisinage immédiat de la paroi du toit (7) de la chambre de combustion dans un secteur situé entre l'injecteur (6) et la bougie d'allumage (8). 2. Moteur à combustion interne selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'une nervure de guidage (13), qui est sensiblement parallèle à la génératrice de l'enveloppe (10) du cône, forme un bossage sur le toit (7) de la chambre de combustion entre l'injecteur (6) et la bougie d'allumage (8). 3. Moteur à combustion interne selon la revendication 2, caractérisé en ce que la nervure de guidage (13) parvient jusqu'à une embouchure (16) d'un trou (15) réalisé dans la culasse (5) pour le logement de la bougie d'allumage (8). 4. Moteur à combustion interne selon la revendication 3, caractérisé en ce que les électrodes (lia, llb) de la bougie d'allumage (8) sont disposées à l'embouchure (16) du trou de logement (15). 5. Moteur à combustion interne selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que la nervure de guidage (13) comporte une gorge (14) de préférence ronde. 6. Moteur à combustion interne selon la revendication 5, caractérisé en ce que le rayon (R) de la gorge (14) est réalisé concentriquement au jet de carburant. 7. Moteur à combustion interne selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le toit (7) de la chambre de combustion est en forme de trémie et l'injecteur (6) est disposé au sommet de ce toit (7). 8. Moteur à combustion interne selon la revendication 7, caractérisé en ce que le sommet du toit (7) de la chambre de combustion est situé centralement.