Brevet FR2790035A1 — publié le 20000825

Moteur à Combustion Interne et à allumage commandé et à injection directe. L'invention concerne un moteur à combustion interne à allumage commandé et à injection directe par un procédé d'injection air/carburant. L'invention concerne plus particulièrement un moteur à combustion interne à allumage commandé et à injection directe comportant une chambre de combustion délimitée vers le haut par une partie de la face inférieure d'une culasse, et, vers le bas, par la face supérieure d'un piston, d'axe A1; des conduits d'admission et d'échappement qui débouchent dans la chambre io de combustion par la partie de la face inférieure de la culasse, un injecteur, d'axe A2, dont le nez débouche dans la chambre de combustion et qui projette un jet d'air/carburant, d'axe A3; et une bougie d'allumage. L'utilisation, de l'injection directe permet d'optimiser le fonctionnement du moteur dans des mélanges dits "pauvres", c'est-à-dire des mélanges carburés dans lesquels il existe un fort excès d'air par rapport à la quantité de carburant introduite dans le cylindre. L'utilisation des mélanges pauvres permet notamment de réduire de manière importante la consommation de carburant mais aussi de réduire le température maximale atteinte au cours de la combustion, ce qui permet de diminuer la production de substances polluantes telles que les oxydes d'azote. De même, l'excès d'air permet d'éviter qu'une partie du carburant reste imbrûlée après la combustion et soit évacuée avec les gaz d'échappement. L'utilisation d'un mélange "pauvre" est toutefois à la source d'un certain nombre de problèmes. Notamment, l'allumage de la combustion du 22- mélange air/carburant est rendu difficile du fait de la faible proportion de carburant par rapport à l'air. Dans le but de contourner ce problème, on cherche donc à faire fonctionner les moteurs à allumage commandé, lorsqu'ils sont alimentés en mélanges "pauvres", selon le principe des charges stratifiées dans lesquelles le mélange carburé n'a pas une composition homogène dans tout le cylindre. On cherche ainsi à provoquer une plus grande concentration du carburant à proximité de la bougie d'allumage de telle sorte que l'étincelle que celle-ci produit puisse provoquer facilement le démarrage de la combustion dans le cylindre. On connaît différentes solutions qui permettent de réaliser des charges stratifiées grâce à l'injection directe. Une première, consiste à positionner l'injecteur et la bougie de telle manière que le jet de carburant est projeté directement par l'injecteur en direction de la bougie. Cette méthode est a priori très performante mais elle est très sensible aux incertitudes de positionnement des différents éléments et, encore plus, à l'encrassement du nez d'injecteur qui peut modifier notablement les caractéristiques du jet de carburant. Au fil du temps, le moteur ainsi réalisé peut nécessiter de fréquents réglages sous peine de voir se produire de nombreux "ratés" d'allumage. Une seconde solution connue consiste à réaliser une stratification par effet de paroi en dirigeant le jet de carburant en direction d'une paroi, par exemple la face supérieure du piston, pour le défléchir ensuite en direction de la bougie. Toutefois, avec cette solution, il peut se produire une condensation importante du carburant sur les parois du à l'impact du jet sur la paroi, le carburant ainsi condensé étant alors très difficilement inflammable. -3 - Les moteurs à combustion interne et à allumage commandé ont un grand avantage à être mis en oeuvre avec un dispositif d'injection directe d'un mélange air/carburant dans la chambre de combustion. Un tel jet peut être, par rapport un simple jet d'essence, guidé de façon plus aisée étant donné qu'il se comporte davantage comme un fluide gazeux que liquide. De plus, l'ajout d'air dès l'injection permet une meilleure préparation du mélange en favorisant la vaporisation du carburant puisque celui-ci se trouve dès le début de l'injection sous forme de gouttelettes dispersées dans un écoulement d'air. L'invention a donc pour objet de proposer une solution globale quant à la géométrie et à l'implantation des éléments essentiels d'un moteur à combustion interne et à allumage commandé qui permette d'obtenir un fonctionnement optimal du moteur avec des charges "pauvres" stratifiées. Dans ce but, l'invention propose un moteur à combustion interne à allumage commandé et à injection directe, dont le piston porte, sur sa surface supérieure, des surfaces de guidage adaptées pour canaliser le jet d'air/carburant vers la bougie. Selon une autre caractéristique de l'invention, les surfaces de guidage se composent d'un canal convergeant, dont l'origine est située sur le bord du piston adjacent au nez de l'injecteur. Selon une autre caractéristique de l'invention, le canal comporte une première partie descendante, située sous les soupapes d'admission, et une seconde partie ascendante. Selon une autre caractéristique de l'invention, l'extrémité du canal se situe, par rapport à l'origine du canal, de l'autre côté d'un axe parallèle à l'axe du cylindre et passant par la bougie. -4 - Selon une autre caractéristique de l'invention, l'axe de l'injecteur forme un angle ai avec un plan perpendiculaire à l'axe du piston et la partie descendante du canal (1) a une inclinaison initiale dont la valeur est comprise entre ai moins 10 , et ai. Selon une autre caractéristique de l'invention, l'axe de l'injecteur forme un angle ai sensiblement compris entre 20 et 40 avec un plan perpendiculaire à l'axe du piston. Selon une autre caractéristique de l'invention, l'axe du jet d'air/carburant est distinct de l'axe de l'injecteur. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre d'un mode de réalisation, donné à titre d'exemple non limitatif, en référence aux dessins annexés dans lesquels la figure 1 présente une vue schématique et partielle en coupe axiale d'un moteur conforme aux enseignements de l'invention, - la figure 2 est une vue, de dessous selon l'axe du cylindre, de la face inférieure de la culasse du moteur de la figure 1, - la figure 3 est une vue partielle en coupe axiale du piston, - la figure 4 est une vue de dessus du piston, la figure 5 est une vue en coupe de la culasse du moteur selon une variante de l'invention. On a illustré sur la figure I une chambre de combustion 10 d'un moteur à combustion interne à allumage commandé et à injection directe. La chambre de combustion 10 est délimitée vers le haut par une partie de la face inférieure 16 d'une culasse 18 et, vers la bas, par la face supérieure 20 d'un piston 22, d'axe AI, et de diamètre D. Ce piston 22 est, de manière -5- connue, animé d'un mouvement alternatif de translation dans un cylindre 12, délimité par une paroi cylindrique 14. Le piston 22 et le cylindre 12 ont le même axe A1. Deux conduits d'admission 24 d'air sont aménagés dans la culasse 18 de manière à déboucher dans la face inférieure 16 de celle-ci. La communication entre les conduits d'admission 24 et la chambre de combustion 10 est autorisée ou interrompue par des soupapes d'admission commandées 26. De la même manière, des conduits d'échappement 28 débouchent i0 dans la chambre de combustion 10 par l'intermédiaire de soupapes d'échappement 30. Dans l'exemple de réalisation illustré sur les figures 1 et 4, la face inférieure 16 de la,culasse 18 est configurée en "toit" de sorte qu'elle présente deux pans 32,34 qui sont sensiblement plans et inclinés de part et d'autre d'une arête sommitale 36. Les conduits d'admission 24 débouchent dans l'un 34 des pans tandis que les conduits d'échappement 28 débouchent dans l'autre 32 des pans. On appelle plan P0 de référence, le plan contenant l'axe A1 du cylindre 12, qui est sensiblement le plan médian transversal de la chambre de combustion. Dans l'exemple de réalisation illustré sur les figures 1 et 4, ce plan est perpendiculaire à l'arête sommitale 36. Les conduits d'admission 24 débouchent de part et d'autre de ce plan, il en est de même pour les conduits d'échappement 28. S'agissant d'un moteur à allumage commandé, une bougie d'allumage 38 est vissée dans la culasse 16 de telle sorte que ses électrodes 40 débouchent dans la chambre de combustion 10, sensiblement sur l'axe Ai de celui-ci et donc au niveau de l'arête sommitale 36 de la face inférieure 16 de la culasse 18. -6- Par ailleurs, un injecteur 42, d'axe A2, est implanté dans la culasse 18 de manière qu'un nez 44 de l'injecteur débouche dans la chambre de combustion 10 pour pouvoir projeter directement à l'intérieur de celui-ci un jet d'air/carburant. On appelle P0, plan de référence du cylindre, le plan contenant l'axe Ai et le centre du nez 44 de l'injecteur 42. Dans ce premier mode de réalisation de l'invention, l'injecteur 42 projette un jet d'air/carburant, l'axe A3 du jet étant sensiblement confondu avec l'axe A2qui, comme on peut le voir sur la figure 3, forme un angle cti d'environ 20 à 40 avec un plan P perpendiculaire à l'axe Ai du cylindre. L'axe A2 de l'injecteur 42 est contenu dans le plan de référence P0. Afin de réaliser une injection air/carburant objet de l'invention, il est nécessaire, pour obtenir un guidage du jet adéquat, d'avoir une pression ou une vitesse d'air assez importantes en sortie de l'injecteur 42. Grâce au mouvement aérodynamique créé par l'injection, illustré notamment sur la figure 1, le jet d'air/carburant peut être dévié par l'interaction des courants de gaz et de la face supérieure 20 du piston 22 qui provoquent le guidage du carburant au voisinage des électrodes 40 de la bougie 34. Ainsi, selon l'invention, la stratification du mélange carburé est obtenue grâce au guidage du jet, par le piston 2, dans la chambre de combustion 10, l'invention ayant pour objet de limiter le contact du carburant avec les parois de la chambre, c'est-à-dire de limiter les contacts avec la face supérieure 20 du piston 22 et avec la face latérale 14 du cylindre 12. La face supérieure 22 du piston 20 possède un canal (noté 1 sur les figures 3 et 4) creusé sensiblement dans l'axe de l'injecteur. La figure 3 représente le profil de canal 1 dans le plan PO, qui est sensiblement un plan - 7- de symétrie pour le canal 1. Différents points A,B,C,D et E sont placés sur le profil afin de mieux distinguer les différentes parties du canal 1. Une première partie du profil du canal 1, représentée par le segment AB, est sensiblement rectiligne et descendante. Cette première partie est, à son origine, inclinée d'un angle cc rapport à l'horizontale. La valeur de l'angle ct peut varier de ai moins 10 à aci. Le rapport entre le diamètre D du piston 22 et la longueur du segment AB peut varier de 2.5 à 4. Sur une seconde partie, représentée par l'arc BC, l'inclinaison du canal I diminue, et sa profondeur passe par un maximum au point C. Par rapport au plan perpendiculaire à Ai et passant par A, la profondeur du point C reste inférieure au seizième du diamètre D. Sur une troisième partie, représentée par l'arc CD, le canal 1 s'élève pour atteindre, au point D, sa hauteur maximale et une pente sensiblement égale à celle que l'on souhaite donner au jet d'air/carburant de façon à ce qu'il atteigne la bougie 38. Le point D est placé à une distance, pouvant varier d'un seizième à un huitième du diamètre D, par rapport à l'axe Ai, qui est dans ce mode de réalisation de l'invention, confondu avec l'axe de la bougie Sur la figure 4, le canal 1 apparaît convergent sur toute sa longueur. Le rapport entre le diamètre D du piston 22 et la longueur finale L2 du canal 1 peut varier de 2.5 à 4. Le rapport entre la largeur initiale, L 1, et la largeur finale, L2, peut, lui, varier entre 2 et 2.5. Le canal 1 est prolongé par une partie située sensiblement sous la zone d'échappement de la culasse 18, correspondant sur la figure 3 au segment DE. Cette partie descendante suit sensiblement la géométrie de la surface de la culasse correspondante de façon à ce que, en fin de course du piston 22, les deux surfaces soient affleurantes de manière à créer un -8- écoulement, en fin de course du piston, dirigé vers l'intérieur de la chambre. Cet écoulement est appelé "chasse". Le canal 1 a pour fonction d'accélérer et de faire déflechir le jet d'air/essence. L'extrémité du canal 1 est positionnée entre la bougie 38 et les soupapes d'échappement 30. Sa position exacte devra être choisie pour que la convection vers la bougie se fasse le plus efficacement possible. La convergence du canal 1 sera choisie pour optimiser le compromis entre accélération de l'écoulement et minimisation des impacts piston avec le bord du jet. Les zones situées de part et d'autre du canal 1, ont pour fonction de régler le rapport volumétrique, en limitant le volume résiduel de la chambre de combustion 10 lorsque le piston 22 est au point mort haut, ceci afin d'obtenir un taux de compression adéquat des gaz. De plus, elles permettent aussi de contrôler l'étalement du jet lors de son arrivée à l'extrémité du canal 1. Il faut bien noter que le mélange est formé, non pas par impact des gouttes sur le piston 22, mais par l'accélération et la déflexion de l'air venant de l'injection, air qui a un rôle de vecteur pour les gouttes. Il est clair que le jet de carburant, projeté par l'injecteur 42 selon l'axe A3, doit être dirigé sensiblement en direction du canal 1 afin de pouvoir interagir, de façon optimale, avec le mouvement qui y est canalisé. Cela est d'autant plus important que, lorsque l'on souhaite réaliser une forte stratification du mélange air/carburant, l'injection du carburant est réalisée relativement tard dans le temps de compression, c'est-à- dire lorsque le piston 22 s'approche de sa position de point mort haut. Aussi, dans la partie de la chambre de combustion 10 qui se trouve entre les soupapes d'admission 26 et le piston 22, on prévoira une distance -9suffisamment faible entre la face supérieure 20 du piston 22 et la face inférieure 16 de la culasse 18. A la figure 4, on a représenté une variante de réalisation de l'invention dans laquelle est utilisé un injecteur 42 qui projette un jet d'air/ carburant dont l'axe A3 est décalé angulairement par rapport à celui A2 de l'injecteur 42. Ce décalage est réalisé, sur la figure 4, dans le plan P0. Dans les deux cas, il s'agit alors de pouvoir optimiser d'une part la direction du jet d'air/carburant et d'autre part l'implantation de l'injecteur 42 dans la culasse 18, ce qui permet notamment de répondre à des contraintes d'encombrement ou de refroidissement de l'injecteur 42. / Dans cette variante de l'invention, l'angle c( à prendre en compte lors du dimensionnement du canal 1, est celui que fait l'axe A3 avec un plan perpendiculaire à l'axe Al. En conclusion, la présente invention permet l'utilisation, dans un moteur à combustion interne à allumage commandé et à injection directe par un procédé d'injection air/carburant, d'un piston qui modifie la direction du jet provenant de l'injection d'air/essence. En outre, le fait de ne plus avoir à diriger directement le jet d'air/essence sur la bougie permet l'emploi d'une bougie conventionnelle sans forte projection. - 10 - REVENDICATIONS 1 Moteur à combustion interne à allumage commandé et à injection directe comportant une chambre de combustion (10) délimitée vers le haut par une partie de la face inférieure (16) d'une culasse (18), dans laquelle débouchent des conduits d'admission (24) et des conduits d'échappement (28); et, vers le bas, par la face supérieure (20) d'un piston (22), d'axe Ai; un injecteur (42), d'axe A2, dont le nez (44) débouche dans la chambre de combustion (10) et qui projette un jet d'air/carburant, d'axe A3; et une bougie d'allumage (38), caractérisé en ce que le piston (22) porte, sur sa surface supérieure (20), des surfaces de guidage adaptées pour canaliser le jet d'ai#/carburant vers la bougie (38). 2 Moteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les surfaces de guidage se composent d'un canal (1) convergeant, dont l'origine est située sur le bord du piston (22) adjacent au nez (44) de l'injecteur (42). 3 Moteur selon la revendications 2, caractérisé en ce que le canal (1) comporte une première partie descendante, située sensiblement sous la partie de la face inférieure (16) de la culasse (18) dans laquelle débouchent des conduits d'admission (24), et une seconde partie ascendante. 4 Moteur selon l'une quelconque des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que l'extrémité du canal (1) se situe, par rapport à l'origine du canal (1), de l'autre côté d'un axe parallèle à Ai et passant par la bougie (38). Moteur selon l'une quelconque des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce que l'axe A2 de l'injecteur (42) forme un angle cc, avec un plan perpendiculaire à l'axe Ai du piston (22) et en ce que la partie descendante du canal (1) a une inclinaison initiale dont la valeur est comprise entre cA moins 10 , et ai. -11- 6 Moteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'axe A2 de l'injecteur (42) forme un angle ca sensiblement compris entre 20 et 40 avec un plan perpendiculaire à l'axe Ai du piston (22). 7 Moteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'axe A3 du jet d'air/carburant est distinct de l'axe A2 de l'injecteur (42).