Brevet FR2819019A1 — publié le 20020705

"Bougie de préchauffage du mélange air/carburant dans une chambre de combustion" L'invention propose une bougie de préchauffage du mélange air/carburant. L'invention propose plus particulièrement une bougie de préchauffage du mélange air/carburant dans une chambre de combustion d'un cylindre d'un moteur à combustion, notamment d'un moteur diesel. La combustion du carburant dans certains moteurs, tels que les moteurs diesel, est obtenue par auto-inflammation du mélange air/carburant présent dans les chambres de combustion des cylindres du moteur. La combustion dépend notamment de la pression et de la température du mélange. Ainsi à chaque pression du mélange correspond une température d'inflammation. Les valeurs de la pression et de la température qui provoquent l'auto-inflammation du carburant évoluent de façon opposée. Ainsi par exemple, lorsque la pression augmente, la température qui permet la combustion du carburant diminue. De façon similaire, lorsque la température du mélange air/carburant augmente, la pression qui permet la combustion du carburant diminue. La mise sous pression du mélange air/carburant est provoquée par la compression du mélange à l'intérieur des chambres de combustion des cylindres par les pistons. Lorsque le moteur est froid, notamment lors de son démarrage, la température du mélange air/carburant injecté dans les chambres de combustion des cylindres est faible. La pression du mélange air/carburant qui est nécessaire à la combustion du carburant doit être élevée. Cependant, la pression que peuvent fournir les pistons est limitée. Elle dépend principalement de leur course et du taux de remplissage de la chambre de combustion. Plus la pression à fournir par les pistons est élevée plus la consommation d'énergie est importante. L'énergie consommée est fournie par une batterie d'accumulateurs lors du démarrage du moteur, ou par la combustion du mélange air/carburant dans les autres cylindres du moteur. Dans les deux cas, plus l'énergie consommée est importante, plus le rendement du moteur diminue. Lorsque le moteur est froid, les pistons ne peuvent pas toujours fournir une pression suffisamment élevée et la combustion n'est alors pas réalisée. Cela est préjudiciable au rendement du moteur. De plus, la charge de carburant non brûlée est enflammée lors d'un cycle suivant ce qui provoque une variation importante du couple du moteur pouvant endommager certains organes. De façon à favoriser l'auto-inflammation du mélange air/carburant et à diminuer l'énergie consommée pour comprimer le mélange, il est connu d'utiliser une bougie de préchauffage. Chaque cylindre comporte une bougie de préchauffage dont une zone de chauffage s'étend à l'intérieur de chaque chambre de combustion du moteur. Les zones de chauffage permettent d'augmenter la température du mélange air/carburant dans les chambres de combustion, ce qui diminue la pression nécessaire à la combustion du mélange air/carburant. La zone de chauffage est activée, c'est-à-dire chauffée, pendant quelques dizaines de secondes lors du démarrage à froid du moteur. Ensuite, elle est désactivée. La durée d'activation est déterminée de façon connue. Pour optimiser le rendement de la combustion, le mélange air/carburant est animé de mouvements tourbillonnaires, tels que du swirl, qui permettent notamment d'homogénéiser le mélange. Or, la zone de chauffage de la bougie, qui présente une section transversale cylindrique et qui s'étend dans la chambre de combustion, perturbe les mouvements tourbillonnaires, ce qui diminue notamment la vitesse des mouvements tourbillonnaires, et le rendement de la combustion. Un sillage ou perturbation se forme en aval dans le sens du swirl. Le sillage est principalement dû au décollement de la couche limite du mélange de la surface externe de la zone de chauffage de la bougie. L'existence de la couche limite est due aux frottements du mélange avec la surface externe des parois de la bougie. On la définit comme étant constituée par la partie du mélange qui est située à proximité de la surface externe et dont la vitesse d'écoulement est différente de la vitesse globale du mélange dans la chambre de combustion. Son épaisseur correspond à la distance à laquelle la vitesse du mélange atteint 99 % de la vitesse du flux non perturbé par les frottements avec la surface externe. De plus, lorsque les zones de chauffage sont désactivées, elles provoquent une augmentation du transfert thermique entre le mélange et les parois des chambres de combustion. En effet, elles augmentent localement la vitesse de l'écoulement de part et d'autre de la bougie, ce qui favorise l'évacuation de la chaleur du mélange. Ceci diminue la température du mélange, et par conséquent le rendement du moteur. De façon à optimiser le rendement de la combustion du mélange carburant ainsi que le rendement du moteur, l'invention propose une bougie de préchauffage du mélange air/carburant dans une chambre de combustion d'un cylindre d'un moteur à combustion, notamment d'un moteur diesel, du type qui comporte un corps longitudinal effilé constitué notamment d'une zone supérieure de fixation dans la culasse du moteur et d'une zone inférieure de chauffage, globalement cylindrique, qui s'étend au moins partiellement à l'intérieur de la chambre de combustion et dont les parois sont au moins partiellement en contact avec un flux du mélange air/carburant injecté dans la chambre de combustion, et du type qui comporte des moyens de chauffage tels qu'une résistance électrique, caractérisée en ce que la section transversale de la partie arrière, par rapport à la direction de l'écoulement du flux du mélange, de la zone de chauffage qui s'étend dans la chambre de combustion est profilée de façon à minimiser les turbulences du flux du mélange/air carburant à proximité de la partie arrière de la bougie, de manière à optimiser le rendement du moteur à combustion. Selon d'autres caractéristiques de l'invention : - la section transversale de la partie arrière de la zone de chauffage est globalement en V ; - la section de l'une au moins des faces latérales externes globalement en V est concave ; - la section transversale des faces latérales externes de la partie arrière de la zone de chauffage est symétrique par rapport à un plan axial médian de la bougie qui est sensiblement parallèle à la direction générale de l'écoulement du flux du mélange ; - la section transversale des faces latérales externes de la partie arrière de la zone de chauffage est dissymétrique par rapport à un plan axial médian de la bougie qui est sensiblement parallèle à la direction générale de l'écoulement du flux du mélange ; - la partie arrière de la zone de chauffage qui s'étend dans la chambre de combustion s'inscrit dans un demi-cylindre, et l'aire des faces latérales externes de la partie arrière est inférieure ou égale à l'aire théorique extérieure dudit demi-cylindre ; - la bougie de préchauffe est excentrée par rapport à l'axe du cylindre de la chambre de combustion du cylindre ; - la bougie de préchauffe est agencée à proximité de la paroi cylindrique de la chambre de combustion du cylindre. D'autres caractéristiques et avantages l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit pour la compréhension de laquelle on se reportera aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 représente une vue schématique en coupe axiale illustrant un cylindre d'un moteur muni d'une bougie de préchauffage selon l'état la technique ; - la figure 2 représente une section, selon un plan sensiblement horizontal 2-2 de la figure 1, du cylindre du moteur muni d'une bougie de préchauffage selon l'état la technique ; - la figure 3 est une vue similaire à celle représentée à la figure précédente, le cylindre du moteur étant muni d'une bougie de préchauffage selon un premier mode de réalisation l'invention ; - la figure 4 représente une section transversale d'une bougie de préchauffage selon un deuxième mode de réalisation de l'invention. Le cylindre 10 est réalisé sous la forme d'un alésage 12 cylindrique d'axe vertical A1 aménagé dans un bloc-moteur 14. Un piston 16 est animé d'un mouvement alternatif axial dans l'alésage 12 et il délimite, vers le bas, le volume du cylindre. Le bloc-moteur 14 est recouvert d'une culasse 18 dont une face inférieure 20 délimite vers le haut le cylindre 10. L'espace situé entre le piston 16, la culasse 18 et le cylindre 10 est appelé chambre de combustion 22. La culasse du moteur comporte un conduit d'admission 24 des gaz, notamment d'air, dans le cylindre 10. Le conduit d'admission 24, débouche dans la chambre de combustion 22 par un premier orifice d'entrée 32 obturé par une première soupape d'admission 36. Le premier orifice 32 est excentré par rapport à l'axe A1 du cylindre 10. Par ailleurs, la culasse 18 comporte aussi au moins un conduit d'échappement 42 des gaz brûlés qui s'ouvre par un orifice de sortie 44 dans la face inférieure 20 de la culasse. Chacun des orifices de sortie 44 du conduit d'échappement 42 est destiné à être obturé par une soupape d'échappement 46 qui présente par exemple un diamètre inférieur au diamètre de la soupape d'admission 36. S'agissant d'un moteur à injection directe, le cylindre 10 comporte aussi un injecteur de carburant dont l'extrémité inférieure ou nez 48 débouche directement dans la chambre 22. Le nez 48 permet ici de pulvériser du carburant dans la chambre de combustion 22 selon plusieurs jets dont les orientations permettent de favoriser les mouvements tourbillonnaires du mélange air/carburant. Comme on peut le voir sur la figure 1, le piston 16 comporte, dans sa face supérieure 50, un évidement concave 52 (aussi appelé bol). L'évidement 52 permet aussi de favoriser les mouvements tourbillonnaires du mélange air/carburant. De façon à favoriser l'augmentation la température du mélange air/carburant lorsque le moteur est froid, chaque chambre de combustion 22 est munie d'une bougie de préchauffage. De façon connue, la bougie de préchauffage comporte un corps longitudinal effilé qui est constitué d'une zone supérieure de fixation, non représentée, qui est fixée dans la culasse 18 du moteur et d'une zone inférieure de chauffage 54 qui est représentée à la figure 1. La zone de chauffage 54 est globalement cylindrique et s'étend à l'intérieur de la chambre de combustion 22 à partir de la paroi supérieure de la chambre 22 de façon que ses parois soient en contact avec le flux du mélange air/carburant injecté dans la chambre de combustion 22. La zone de chauffage 54 comporte dispositif de chauffage, tel qu'une résistance électrique 55 qui permet, lorsqu'il est alimenté électriquement, de chauffer la zone 54. La figure 2 représente une section transversale de la chambre de combustion 22. Le flux du mélange qui subit ici un mouvement tourbillonnaire de swirl est représenté par les lignes 56. La zone de chauffage 54 qui s'étend selon une direction sensiblement perpendiculaire aux mouvements tourbillonnaires provoque une perturbation 58. Tel que décrit précédemment, la présence de la zone de chauffage 54 à l'intérieur de la chambre de combustion 22, qui provoque la perturbation 58 diminue le rendement du moteur. L'invention propose que la section transversale de la partie arrière 60, par rapport à la direction de l'écoulement du flux 56 du mélange, de la zone de chauffage 54 soit profilée. Le profilage de la partie arrière 60 permet de minimiser les turbulences du flux 56 à proximité de la partie arrière 60 de la zone de chauffage 54. La figure 3 représente notamment la section transversale de la zone de chauffage 54 d'une bougie de préchauffage selon l'invention et fait apparaître la suppression de la perturbation 58. Ainsi, la diminution de la vitesse du flux 56 du mélange est minimisée ce qui permet d'optimiser le rendement du moteur et de diminuer la production de suies en améliorant la vaporisation locale du mélange. La section transversale de la partie arrière 60 de la zone de chauffage 54 est ici en V. Ainsi, la zone de chauffage 54 présente deux faces latérales externes 62 et 64. Selon une variante, les faces latérales externes 62,64 de la partie arrière 60 sont concaves conformément à la section de la zone de chauffage 54 représentée à la figure 4. Les faces latérales externes 62,64 de la partie arrière 60 de la zone de chauffage 54 peuvent être symétrique ou non par rapport à un plan axial médian P de la bougie de préchauffage qui est sensiblement parallèle à la direction générale de l'écoulement du flux 54 du mélange. La symétrie ou la dissymétrie de la partie arrière 60 est déterminée notamment en fonction de l'éloignement de la zone de chauffage 54 est de la paroi latérale de la chambre de combustion 22. En effet, si l'éloignement est faible, il peut être avantageux que la partie arrière 60 soit dissymétrique par rapport au plan axial médian P de façon à prendre en compte les mouvements aérodynamiques du flux 56 du mélange existant à proximité de la paroi latérale de la chambre de combustion 22. Avantageusement, faire des faces latérales externes 62, 64 de la partie arrière 60 de la zone de chauffage 54 de la bougie de préchauffage selon l'invention est inférieure ou égale à l'aire de la face latérale externe de la partie arrière 60 de la zone de chauffage 54 de la bougie de préchauffage selon l'état la technique. La face latérale externe de la partie arrière 60 de la zone de chauffage 54 de la bougie de préchauffage selon l'état la technique consiste en un demi-cylindre 66 représenté en section et en trait fin sur les figures 4 et 5. La diminution de l'aire de la partie arrière diminue la surface de contact entre le mélange air/carburant et les parois délimitant la chambre de combustion 22 diminue les échanges thermiques, et par conséquent limite l'évacuation de la chaleur et la diminution de la température du mélange. Ceci optimise encore le rendement du moteur. Conformément à la figure 5, la partie arrière 60 de la zone de chauffage 54 qui s'étend dans la chambre de combustion 22 peut s'inscrire dans le demi-cylindre 66 de la partie arrière de la zone de chauffage d'une bougie réalisée selon l'état de la technique, faire de ses faces latérales externes 62 et 64 étant inférieure ou égale à l'aire théorique du demi-cylindre 66. L'excentration de la zone de chauffage 54 par rapport à l'axe de la chambre 22 du cylindre a aussi une influence sur la formation de la perturbation 58. En effet, plus la zone de chauffage 54 est excentrée, plus la vitesse du flux 56 du mélange est élevée ce qui favorise la formation de la perturbation 58. Cependant, la vitesse élevée du flux 56 permet aussi de favoriser l'augmentation de la température du mélange lorsque le chauffage de la zone 54 est activé. Ainsi, l'invention permet d'agencer la zone de chauffage 54 de la bougie de préchauffage à proximité de la paroi cylindrique de la chambre de combustion 22 du cylindre tout en minimisant la formation de la perturbation 58 de façon à optimiser le rendement du moteur et de réduire la production de suies. L'utilisation d'une bougie de préchauffage constituée d'une zone de chauffage 54 selon l'invention permet, à mélange air/carburant identique, d'augmenter le couple du moteur et réduire les fumées. De façon similaire, pour un couple du moteur constant, l'utilisation d'une bougie de préchauffage comportant une zone de chauffage 54 selon l'invention permet de réduire la consommation de carburant ainsi que la pollution émise dans les gaz d'échappement du moteur. REVENDICATIONS 1. Bougie de préchauffage du mélange air/carburant dans une chambre de combustion (22) d'un cylindre (10) d'un moteur à combustion, notamment d'un moteur diesel, du type qui comporte un corps longitudinal effilé constitué notamment d'une zone supérieure de fixation dans la culasse du moteur et d'une zone inférieure de chauffage (54), globalement cylindrique, qui s'étend au moins partiellement à l'intérieur de la chambre de combustion (22) et dont les parois sont au moins partiellement en contact avec un flux (56) du mélange air/carburant injecté dans la chambre de combustion (22), et du type qui comporte des moyens de chauffage tels qu'une résistance électrique (55), caractérisée en ce que la section transversale de la partie arrière (60), par rapport à la direction de l'écoulement du flux (56) du mélange, de la zone de chauffage (54) qui s'étend dans la chambre de combustion (22) est profilée de façon à minimiser les turbulences (58) du flux du mélange/air carburant à proximité de la partie arrière (60) de la bougie, de manière à optimiser le rendement du moteur à combustion. 2. Bougie de préchauffage selon la revendication précédente, caractérisée en ce que la section transversale de la partie arrière (60) de la zone de chauffage (54) est globalement en V. 3. Bougie de préchauffage selon la revendication précédente, caractérisée en ce que la section de l'une au moins des faces latérales externes (62,64) globalement en V est concave. 4. Bougie de préchauffage selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la section transversale des faces latérales externes (62,64) de la partie arrière (60) de la zone de chauffage (54) est symétrique par rapport à un plan axial (P) médian de la bougie qui est sensiblement parallèle à la direction générale de l'écoulement du flux (56) du mélange. 5. Bougie de préchauffage selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que la section transversale des faces latérales (62,64) externes de la partie arrière (60) de la zone de chauffage (54) est dissymétrique par rapport à un plan axial (P) médian de la bougie qui est sensiblement parallèle à la direction générale de l'écoulement du flux (56) du mélange. 6. Bougie de préchauffage selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la partie arrière (60) de la zone de chauffage (54) qui s'étend dans la chambre de combustion (22) s'inscrit dans un demi-cylindre (66), et en ce que l'aire des faces latérales (62,64) externes de la partie arrière (60) est inférieure ou égale à l'aire théorique extérieure dudit demi-cylindre (66). 7. Bougie de préchauffage selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle est excentrée par rapport à l'axe (A1) du cylindre (10). 8. Bougie de préchauffage selon la revendication précédente, caractérisée en ce qu'elle est agencée à proximité de la paroi cylindrique de la chambre de combustion (22) du cylindre (10).