Brevet FR2818324A1 — publié le 20020621

La présente invention concerne un système de combustion pour un moteur à combustion interne à injection directe. Etat de la technique L'état de l'art dans le domaine peut être illustré par les brevets suivants: EP 849 448, EP 589 178 (US 5 363 820), JP10184362, JP10184363, US3 945 351, GB2 134 181, DD-147 386. Les développements des systèmes de combustion doivent répondre aux demandes de réduction des émissions de polluants, d'augmentation du couple et de la puissance spécifique et de réduction du bruit de combustion, tout en restant compatible avec les critères de tenue en endurance. L'ingénieur dispose actuellement d'une large palette de modifications possibles pour atteindre ces objectifs. Il peut changer par exemple des paramètres de conception ou de réglage, comme la forme de la chambre de combustion, appelée bol, aménagée dans la partie supérieure du piston, dans le but de faciliter le mélange air/carburant. Il peut également changer le taux de compression, certains paramètres du système d'injection: pression, loi de commande, etc., et des jets de carburants: nombre de trous, diamètre, etc., le réglage de la suralimentation, le taux d'EGR ou encore la température d'admission. Malheureusement, il est de plus en plus difficile d'améliorer un des points, sans en détériorer un autre. L'exemple le plus connu est l'amélioration du compromis: émissions de NOx/émissions de particules. Le problème devient encore plus difficile à résoudre quand il faut tenir compte des critères de tenue en endurance. C'est le cas par exemple, en ce qui concerne le carburant liquide ou les suies au voisinage de la chemise, dont la présence, néfaste à la tenue du lubrifiant, dépend de l'angle de nappe de l'injecteur retenu, de la forme du bol ou encore du phasage et de la pression d'injection. Un ajustement de ces paramètres a malheureusement un effet néfaste sur la combustion entraînant une augmentation des émissions de polluant et/ou une réduction des performances à pleine charge et/ou une augmentation du bruit. Les brevets EP-A 849 448 ou EP-A 589 178 notamment, concernent des chambres de combustion pour moteur à combustion interne. Ces chambres de combustion sont délimitées sur un côté par la paroi du piston qui comprend une partie conique pointant vers la tête du cylindre et de même axe que lui, au centre d'une cuvette circulaire ou bol. Le carburant est injecté par un injecteur multi-jets placé dans l'axe de chaque cylindre avec un angle de nappe très large de l'ordre de à 160 . L'angle au sommet de la partie conique est adapté à l'angle de nappe de l'injecteur, de façon que les jets de carburant soient émis sensiblement suivant les pentes du cône et déviés par elles et l'arrondi de la cuvette, vers le haut du cylindre et se vaporisent sans jamais toucher les parois du cylindre et donc sans affecter leur lubrification. Pour que cet effet se produise, il faut bien entendu que les pistons soient assez proches de leur point mort haut (PMH). On ne dispose de ce fait que d'une faible latitude dans le choix des instants d'injection du carburant. C'est un inconvénient car il est connu aussi que des injections de carburant précoce et tardive offrent de nombreux avantages. Ainsi, une injection pilote avant le point mort haut et l'injection principale, permet de réduire le bruit de combustion. La régénération des filtres à particules déclenchée, suivant la technique connue, par augmentation de la température à l'échappement, nécessite une injection de carburant peu de temps avant l'ouverture des soupapes d'échappement. Une injection de carburant lors de la détente ou encore au cours de la phase échappement peut être utile également pour obtenir les conditions favorables à l'échappement pour régénérer les pièges à NOx. Comme les systèmes de combustion utilisent généralement des injecteurs à angle de nappe compris entre 140 et 165 , la plage de réglage de ces injections est réduite pour limiter les problèmes de dilution du lubrifiant par du carburant ou des suies. Pour s'affranchir de cette limitation, il est utile de développer un système de combustion s'accommodant de conditions d'injection très variées. Le système de combustion selon l'invention Le moteur à combustion interne à injection directe selon l'invention comporte au moins un cylindre, un piston coulissant dans ce cylindre, de diamètre CD, des moyens d'admission et d'échappement de gaz, une chambre de combustion délimitée sur un côté par une paroi du piston comprenant un téton pointant vers la tête du cylindre, au centre d'une cuvette ou bol concave de profondeur L et de diamètre BD. Il est caractérisé en ce qu'il comporte au moins un injecteur pour injecter du carburant avec un angle de nappe (A) relativement faible choisi de façon que les jets de carburant ne touchent pas les parois du cylindre, pour toute position du piston (5) comprise entre + 50 et +180 ou entre -50 et -180 par rapport au point mort haut (PMH). L'utilisation d'un injecteur à angle de nappe relativement étroit, permet une grande latitude dans le choix des instants d'injection de carburant tout en évitant les inconvénients liés à la dispersion large du carburant injecté. Ce type d'injecteur se prête bien au mode de combustion dit homogène. Suivant un mode de réalisation, on choisit de préférence un angle au sommet du téton sensiblement en accord avec l'angle de nappe de l'injecteur et le bol est conformé pour que le carburant injecté soit dévié vers la tête du cylindre en suivant sa concavité vers l'extérieur du bol pour toute position du piston jusqu'à + 30 par rapport au point mort haut (PMH). L'utilisation conjointe de l'injecteur à angle de nappe relativement étroit et d'un bol de forme particulière autorise un mode de fonctionnement traditionnel pour une injection de carburant près du point mort haut mais dans une fourchette angulaire plus grande que celle permise habituellement. Suivant un mode de réalisation, on choisit par exemple un injecteur avec un angle de nappe compris par exemple dans la fourchette angulaire 0 à 120 que l'on peut avantageusement restreindre à la fourchette angulaire 50 à 100 . L'angle au sommet du téton est choisi supérieur à l'angle de nappe (A1) de préférence dans une fourchette angulaire comprise entre 0 et 30 . Suivant un mode de réalisation, on choisit par exemple un piston avec un bol dont la coupe transversale suivant un diamètre du piston, est curviligne de demi- i longueur b et obtenue par le raccordement, depuis le centre vers la périphérie du piston, d'au moins deux parties, la première partie ayant un rayon de courbure R1, la deuxième partie ayant un rayon de courbure R2, les dimensions du bol satisfaisant à au moins l'une des conditions suivantes: - le rapport BD/L est inférieur à 6 et de préférence inférieur à 4; - le rapport BD/R1 est supérieur à 4; - le rapport R2/R1 est compris entre 0.4 et 1; - le rapport FD/BD est inférieur à 0.8; et - le rapport Cb/BD est inférieur à 2, FD désignant le diamètre du bol au fond de celui-ci. Le procédé selon l'invention permet d'améliorer la latitude de fonctionnement d'un moteur à combustion interne à injection directe comprenant au moins un cylindre, un piston coulissant dans ce cylindre, des moyens d'admission et d'échappement de gaz, une chambre de combustion délimitée sur un côté par une paroi du piston comprenant un téton pointant vers la tête du cylindre, au centre d'une cuvette ou bol. Il comporte l'injection de carburant dans chaque cylindre par un injecteur à angle de nappe relativement faible choisi pour que les jets de carburant ne touchent pas les parois du cylindre, pour toute position du piston (5) comprise entre + 50 et +180 ou entre -50 et -180 par rapport au point mort haut (PMH) Suivant un mode de mise en oeuvre, on utilise un piston tel que l'angle au sommet du téton soit sensiblement en accord avec l'angle de nappe de l'injecteur, et on donne à la paroi du bol une forme telle que le carburant injecté soit dévié vers la tête du cylindre en suivant sa concavité vers l'extérieur du bol et vaporisé sans mouiller les parois du cylindre, pour toute position du piston jusqu'à + 30 par I0 rapport au point mort haut (PMH). Le système de combustion selon l'invention avec son injecteur à faible angle de nappe et sa chambre de combustion adaptée, permet d'éviter la présence de carburant liquide sur les parois du cylindre tout en offrant de larges possibilités de contrôle de la pollution et des performances des moteurs. A pleine charge et aux charges élevées, la forme du bol permet un bon entraîinement du carburant vapeur favorisant ainsi son mélange avec l'air afin d'obtenir une bonne vitesse de combustion et des richesses de fonctionnement élevées, traduisant une bonne utilisation de l'air admis. Aux charges partielles, un angle de nappe réduit permet une grande latitude dans les réglages du système d'injection en s'affranchissant du mouillage des parois. Présentation des figures D'autres caractéristiques et avantages du système selon l'invention, apparaîtront à la lecture de la description ci-après d'un exemple non limitatif de réalisation, en se référant aux dessins annexés o: - la Fig. 1 montre schématiquement un système de combustion avec injecteur de carburant à nappe étroite et surface de piston à profil étudié pour offrir une plus grande latitude dans le choix des instants possibles d'injection; et - les Fig.2a à 2e modélisent différents stades de la combustion de carburant (entre -15 V et +40 V) effectuée en utilisant le système selon l'invention et pour un fonctionnement pleine charge. Sur ces figures, ce qui est en noir représente le carburant injecté, ce qui est en grisé plus clair représente l'air, et ce qui est en grisé sombre représente un mélange d'air et de carburant vaporisé. Description détaillée Le système de combustion selon l'invention est adapté à un moteur à combustion interne à injecteur de carburant, de type diesel, comprenant au moins un cylindre 1 avec une tête 2, comprenant une ou plusieurs soupapes d'admission 3, une ou plusieurs soupapes d'échappement 4, un piston 5 coulissant dans le cylindre 1 et un injecteur de carburant 6 disposé dans l'axe du cylindre. L'injecteur de carburant est de type à faible angle de nappe A1. On choisit un angle de nappe AI au plus de 120 . L'angle de nappe est choisi pour que les parois du cylindre ne soient jamais mouillées par le carburant pour toute position du piston comprise entre + 50 et +a ou entre -50 et -a, ou a représente l'angle maximal du vilebrequin pour la phase d'injection choisie par rapport au point mort haut (PMH) (a AI CD que Arctg -- C-. La distance F est par conséquent au plus celle entre le point 2 2.F d'origine des jets de l'injecteur 6 et le point mort bas PMB. Une fourchette angulaire typique pour l'angle de nappe AI est par exemple comprise entre 50 et 100 . La chambre de combustion est délimitée d'un côté par la tête de cylindre 2 et du côté opposé, par la face supérieure du piston 5. Cette face est conformée de la manière suivante. Elle comporte un téton 7 s'élevant au centre d'une cuvette ou bol 8 dont la concavité est tournée vers la tête de cylindre 2. L'angle au sommet A2 du téton 7 est adapté sensiblement à l'angle de nappe AI de l'injecteur 6, de façon que le piston se trouvant au voisinage du point mort haut (PMH), le carburant soit injecté sensiblement le long des flancs du téton. La section diamétrale du bol 8 est curviligne et comprend, depuis le haut du téton 7 en s'écartant symétriquement vers l'extérieur du piston 5, de part et d'autre de son axe, une première partie de rayon de courbure R1, une deuxième partie de rayon de courbure R2. La profondeur du bol 8 est de préférence supérieure à la hauteur du téton. Le sommet du téton 7 peut être de forme conique ou être aplati ou arrondi. On désigne par L la profondeur du bol 8, par BD, le diamètre du bol, par CD, le diamètre du cylindre, par -, la longueur de la demi- coupe diamétrale du bol 8 depuis le sommet du téton 7 jusqu'à son raccordement avec la face supérieure du piston 5 (la longueur développée de la coupe diamétrale du bol est par conséquent Cb) et par A3, l'angle par rapport à la face supérieure du piston, que fait la paroi extérieure du bol. FD désigne le diamètre du bol 8 au fond de celui-ci. La forme du bol 8 est compatible avec l'angle de nappe A1 que l'on choisit. Elle est adaptée pour que, dans le mode de fonctionnement de type traditionnel (pour toute position du piston 5 jusqu'à + 30 par rapport au point mort haut (PMH) par exemple), on obtienne l'effet recherché de déviation du carburant injecté vers la tête du cylindre (en suivant sa concavité vers l'extérieur du bol) et sa vaporisation sans qu'il puisse aller mouiller les parois du cylindre. Cette forme est obtenue de préférence en respectant les conditions suivantes: - le rapport BD/L est inférieur à 6 et de préférence inférieur à 4; - le rapport BD/R1 est supérieur à 4; - le rapport R2/R1 est compris entre 0.4 et 1; - le rapport FD/BD est inférieur à 0.8; et - le rapport Cb/BD est inférieur à 2. Pour A3, on choisit de préférence un angle de moins de 45 . On vérifie sur les Fig.2a à 2e qui modélisent différents stades de la combustion à pleine charge, que le carburant injecté est bien guidé le long des concavités du bol. REVENDICATIONS 1) Moteur à combustion interne à injection directe comprenant au moins un cylindre (1), un piston (5) coulissant dans ce cylindre de diamètre CD, des moyens (3, 4) d'admission et d'échappement de gaz, une chambre de combustion délimitée sur un côté par une paroi du piston (5) comprenant un téton (7) pointant vers la tête (2) du cylindre, au centre d'une cuvette ou bol concave (8) de profondeur L et de diamètre BD, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un injecteur (6) pour injecter du carburant avec un angle de nappe (A1) relativement faible choisi de façon que les jets de carburant ne touchent pas les parois du cylindre (1), pour toute position du piston (5) comprise entre + 50 et +180 ou entre -50 et - 180 par rapport au point mort haut (PMH). 2) Moteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'angle au sommet (A2) du téton (7) est choisi sensiblement en accord avec l'angle de nappe (AI) de l'injecteur (6) et le bol (8) est conformé pour que le carburant injecté soit dévié vers la tête du cylindre en suivant sa concavité vers l'extérieur du bol et vaporisé sans atteindre les parois du cylindre, pour toute position du piston (5) jusqu'à + 30 par rapport au point mort haut (PMH). 3) Moteur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'angle de nappe (AI) de l'injecteur (6) est choisi entre 0 et 120 . 4) Moteur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'angle de nappe (A1) de l'injecteur (6) est choisi entre 50 et 100 . ) Moteur selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que l'angle au sommet (A2) du téton (7) est choisi supérieur à l'angle de nappe (A1) dans une fourchette comprise entre 0 et 30 . 6) Moteur selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que chaque piston (5) comporte un bol (8) dont la coupe transversale suivant un diamètre du piston, est curviligne de demi-longueur b et obtenue symétriquement par rapport à l'axe du piston, par le raccordement, depuis le centre vers la périphérie du piston, d'au moins deux parties, la première partie ayant un rayon de courbure R1, la deuxième partie ayant un rayon de courbure R2, caractérisé en ce que les dimensions du bol satisfont à au moins l'une des conditions suivantes: - le rapport BD/L est inférieur à 6 et de préférence inférieur à 4; - le rapport BD/R1 est supérieur à 4; - le rapport R2/R1 est compris entre 0.4 et 1; - le rapport FD/BD est inférieur à 0.8; - le rapport Cb/BD est inférieur à 2; et l'angle A3, par rapport à la face supérieure du piston, que fait la paroi extérieure du bol, est inférieur à 45 , FD désignant le diamètre du bol au fond de celui-ci. 7) Procédé pour améliorer la latitude de fonctionnement d'un moteur à combustion interne à injection directe comprenant au moins un cylindre (1) , un piston (5) coulissant dans ce cylindre, des moyens (3, 4) d'admission et d'échappement de gaz, une chambre de combustion délimitée sur un côté par une paroi du piston (5) comprenant un téton (7) pointant vers la tête (2) du cylindre, au centre d'une cuvette ou bol (8), caractérisé en ce qu'il comporte l'injection de carburant dans chaque cylindre par un injecteur à angle de nappe (Ai) relativement faible choisi de façon que les jets de carburant ne touchent pas les parois du cylindre (1), pour toute position du piston (5) comprise entre + 50 et + 180 ou entre -50 et -180 par rapport au point mort haut (PMH). 8) Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'on utilise un piston (5) tel que l'angle au sommet (A2) du téton (7) soit sensiblement en accord avec l'angle de nappe (AI) de l'injecteur (6), et un bol (8) dont la paroi est conformée pour que le carburant injecté soit guidé vers l'extérieur de celle-ci et vaporisé sans il atteindre les parois du cylindre (1), pour toute position du piston (5) jusqu'à + 30 par rapport au point mort haut (PMH).