Brevet FR2844012A1 — publié le 20040305

i "Moteur à combustion comportant des jets d'injection décalés suivant l'axe du cylindre" L'invention propose un moteur à combustion interne à injection directe. L'invention propose plus particulièrement un moteur à combustion interne à injection directe comportant une culasse qui porte un injecteur qui injecte le carburant directement à l'intérieur d'une cavité, réalisée dans la face supérieure d'un piston d'axe parallèle à l'axe du piston, et dans laquelle les gaz d'admission 10 forment un mouvement tourbillonnaire autour de l'axe de la cavité sous la forme de plusieurs jets sensiblement coniques dont le sommet de chaque jet est situé à proximité d'un point P de l'injecteur, et dans lequel l'axe principal de chaque jet définit un point d'intersection Mi avec la paroi de la cavité. On cherche généralement à réduire la consommation des moteurs et à réduire l'émission de polluants tels que les particules. De telles améliorations peuvent être obtenues en agissant sur la qualité du mélange entre les gaz admission et le carburant, 20 en particulier en réalisant un mélange sensiblement homogène. Dans le cas d'un moteur à injection directe, trois phénomènes principaux qui se combine, permet d'obtenir un mélange sensiblement homogène: -la pulvérisation du carburant en fines gouttelettes -le mouvement au milieu de l'air du type "swirl" de la charge des gaz admission autour d'un axe sensiblement confondu ou parallèle à l'axe du cylindre; -le mouvement d'air provoqué par l'injection de carburant. Le mouvement de "swirl" se forme dans une cavité, ou 30 "bol", réalisée dans la face supérieure du piston. On a représenté schématiquement à la figure 1 un cylindre d'axe A vertical d'un moteur à combustion interne à injection directe conventionnel qui comporte un piston 12 apte à coulisser axialement dans le cylindre 10 du moteur en décrivant un mouvement de va-et-vient et il comporte une tête 14 dans son tronçon supérieur et une jupe axiale 16 dans son tronçon inférieur. La paroi cylindrique externe 22 de la tête 14 comporte des 5 gorges annulaires périphériques 24 qui reçoivent des segments 26. Le piston 12 comporte dans sa face supérieure 28 une cavité 30 qui présente une symétrie de révolution autour d'un axe vertical, et qui comporte une gorge annulaire périphérique 34 et io un bossage central 36 ici globalement en forme de calotte conique. La cavité 30 délimite la partie inférieure d'une chambre de combustion 32, qui est délimitée dans sa partie supérieure par la culasse 18 du moteur. La culasse 18 comporte au moins un conduit d'admission d'air qui débouche par un orifice d'entrée obturé par une soupape d'admission (non représentés) dans la chambre de combustion 32, et au moins un conduit d'échappement des gaz brlés qui débouche par un orifice de sortie destiné à être obturé par une 20 soupape d'échappement (non représentée) dans la chambre de combustion 32. Puisqu'il s'agit d'un moteur à injection directe, la culasse 18 porte aussi un injecteur de carburant 38 dont le nez 40 débouche directement dans la chambre 32 Le nez 40 de l'injecteur 38 est formé de sorte à injecter le carburant dans la cavité 30 sous la forme de plusieurs jets coniques 42, dont le sommet de chaque jet est situé à proximité d'un point P globalement situé au centre du nez 40 de l'injecteur 38. Comme on peut le voir à la figure 2, le carburant est injecté sous la forme de cinq jets 42 dont l'axe B de chaque jet 42 définit un point d'intersection M1 à M5 avec la paroi 44 de la cavité 30. Conformément à l'art antérieur, et comme on l'a représenté à la figure 3, I'ensemble des points d'intersection M1 à M5 de l'axe principal B de chaque jet 42 avec la paroi 44 de la cavité 30 sont situés à la même cote axiale suivant l'axe principal A du cylindre 10. Selon cette configuration, lors de la rotation de la charge des gaz d'admission, chaque jet 42 est situé dans le sillage du jet 42 précédent. Ce sillage, représenté à la figure 3 par les flèches F1, est caractérisé par une vitesse des gaz d'admission plus 10 faible par rapport à la vitesse des gaz d'admission passant audessus et au-dessous de chaque jet 42, qui sont représentés par les flèches F2. Ainsi, chaque jet 42 entre en contact avec des gaz d'admission dont la vitesse est limitée, le mélange des gaz 15 d'admission avec le carburant injecté est ainsi mois efficace. Il en résulte que dans certaines zones de la cavité 30 situées en aval de chaque jet, représentées à la figure 2 par des zones grisées 46, le carburant est en excès par rapport aux gaz d'admission. La combustion du carburant est donc incomplète, ce qui se 20 traduit par la formation d'hydrocarbures imbrlés et des fumées moires en sortie d'échappement. L'invention propose un moteur à combustion interne pour lequel chaque jet 42 d'injection entre en contact avec des gaz d'admission dont la vitesse est supérieure à celle des gaz situés 25 dans le sillage du jet 42 précédent. Dans ce but, I'invention propose un moteur à combustion interne du type décrit précédemment, caractérisé en ce que deux points d'intersection Mi, Mi+1 consécutifs dans le sens du mouvement tourbillonnaire sont situés à des cotes axiales 30 différentes suivant l'axe du cylindre. Selon d'autres caractéristiques de l'invention - les angles formés par l'axe de chaque jet et l'axe du cylindre sont répartis autour d'un angle moyen, et la différence entre chaque angle et l'angle moyen est comprise entre 0 et 10 ; - I'axe principal de chaque jet est incliné par rapport à l'axe principal du cylindre d'un angle aigu compris entre 70 et ; I'angle aigu formé par l'axe principal du jet situé le plus 5 proche du demi-plan et l'axe principal du cylindre est inférieur ou égal à chacun des angles formés par l'axe des autres jets et l'axe principal du cylindre. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit pour la io compréhension de laquelle on se reportera aux figures annexées parmi lesquelles: - la figure 1 est une vue schématique en coupe axiale qui représente un cylindre conventionnel; - la figure 2 est une vue schématique de dessus de 15 I'intérieur du cylindre représenté à la figure 1, qui représente les jets d'injection et les zones de formation de suies; - la figure 3 est une développée de la paroi interne de la cavité représentant les zones d'impact et des points d'intersection de l'axe de chaque jet avec la paroi interne, leur répartition 20 verticale et leur succession dans le sens du mouvement tourbillonnaire, conformément à l'art antérieur; - la figure 4 est une développée similaire à celle de la figure 3 représentant la répartition verticale des jets et leur succession conformément à un mode de réalisation de 25 I'invention; - la figure 5 est une représentation schématique en coupe longitudinale du nez de l'injecteur conforme à l'invention. L'invention propose un moteur à combustion interne à injection directe dont la structure est celle d'un moteur 30 conventionnel tel que décrit précédemment et représenté à la figure 1, c'est-à-dire qu'il comporte un piston 12 qui coulisse axialement dans un cylindre 10 d'axe A vertical en décrivant un mouvement alternatif et dans la face supérieure 28 duquel est réalisée une cavité 30 d'axe parallèle à l'axe vertical A du piston. Le moteur comporte aussi un injecteur 38 qui injecte le carburant directement à l'intérieur de la cavité sous la forme de plusieurs jets 42 coniques, au nombre de cinq, dont l'axe principal B de chaque jet 42 définit un point M1 à M5 d'intersection avec la paroi 44 de la cavité 30. Conformément à l'invention, et comme on l'a représenté à la figure 4, deux points d'intersection M1 à M5 consécutifs dans le sens du mouvement tourbillonnaire de "swirl" sont situés à des cotes verticales différentes. De ce fait, chaque jet 42 n'est plus 10 situé dans le sillage du jet 42 précédent, il entre alors en contact avec des gaz d'admission dont la vitesse est plus importante que la vitesse des gaz situés dans le sillage du jet 42 précédent. Ceci permet d'avoir un meilleur mélange des gaz d'admission avec le carburant injecté, et donc une réduction de la 15 formation des hydrocarbures imbrlés et une augmentation des performances du moteur. Pour que chaque jet 42 entre en contact avec les gaz d'admission de vitesse importante, la cote verticale de chacun des points M1 à M5 peut prendre toutes les valeurs possibles sur 20 la paroi 44 de la cavité 30. Cependant, du fait du mouvement du piston 12 par rapport à la culasse 18, et donc par rapport à l'injecteur 38, lors de l'injection du carburant, la plage de valeurs que peuvent prendre les cotes verticales des points M1 à M5 est limitée à une 25 intervalle prédéfinie. Par ailleurs, les performances du moteur ne sont optimales que pour des cotes verticales des points M1 à M5 comprises dans une intervalle encore plus limitée. Puisque le piston 12 est mobile par rapport à l'injecteur 38, 30 pour déterminer la cote verticale de chaque point M1 à M5 suivant l'axe A vertical du cylindre 10, on définit un angle "o" d'inclinaison de chaque jet 42, comme étant l'angle aigu formé par l'axe B du jet 42 considéré et l'axe A vertical du cylindre 10. Selon un premier mode de réalisation de l'invention, I'angle moyen est de 75 , et la différence entre chaque angle "o' et l'angle moyen est comprise entre 0 et 10 . Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, la valeur de chaque angle "oc" est comprise entre 70 et 80 . On a représenté à la figure 4 un exemple de répartition des points M1 à M5 pour lesquels la valeur des angles "cc" respectifs est de 72,5 , 77,5 , 75 , 72,5 et 77,5 . Dans un moteur conventionnel, du fait de la présence des 10 soupapes d'admission et d'échappement, I'injecteur 38 est excentré par rapport à l'axe A du cylindre 10. Cependant, pour que l'injection de carburant soit effectuée le plus près possible de l'axe A du cylindre 10, le nez 40 de l'injecteur 38 est rapproché de l'axe A du cylindre 10 en inclinant l'axe principal C de l'injecteur 15 38 par rapport à l'axe A du cylindre 10. Comme on peut le voir à la figure 5, il résulte de cette inclinaison de l'axe C de l'injecteur 38 que l'axe B du trou d'injection 48a, situé dans le demi-plan Q radial délimité par un axe vertical D passant par le point P et contenant l'axe C de 20 I'injecteur 38,qui est le demi-plan gauche de la figure 5, ou l'axe B du trou d'injection qui est situé le plus près de ce demi-plan Q, forme un angle aigu "Pl" avec l'axe C de l'injecteur 38 qui est relativement important par rapport à l'angle "P32" formé par l'axe B des autres tous d'injection 48b. Ceci implique un brusque changement de direction de l'écoulement du carburant injecté et se traduit par la formation par cavitation de poches de vapeur 50 de carburant qui réduisent le débit du jet 42 de carburant en sortie du trou d'injection 48a. Pour réduire la formation de ces poches de vapeur 50, et 30 conformément à l'invention, la valeur de l'angle "cc" formé par l'axe B du trou d'injection 48a situé le plus proche du demi-plan Q, et donc du jet 42 formé en sortie de ce trou 48a, est la plus faible possible, elle est donc inférieure ou égale à la valeur de chacun des angles "c(2" formé par l'axe B des autres trous d'injection 48b et l'axe A vertical du cylindre 10. Il est ainsi possible de limiter le brusque changement de direction de l'écoulement du fluide. Il sera aussi compris que des inversions mécaniques simples peuvent constituer des variantes de réalisation de l'invention. Par exemple, I'axe C de l'injecteur 38 peut être confondu avec l'axe principal A du cylindre 10, ou bien l'injecteur 38 peut comporter une nombre supérieur ou inférieur de trous io d'injection 48. L'invention permet, en ne modifiant que les orientations des jets d'injection, d'optimiser l'échange entre le carburant injecté et les gaz d'admission dans un moteur à combustion interne, réduisant de ce fait la formation de suies et autres 15 hydrocarbures imbrlés. B1007 2844012 REVENDICATIONS 1. Moteur à combustion interne à injection directe comportant une culasse (18) qui porte un injecteur (38) qui injecte le carburant sous la forme de plusieurs jets (42) sensiblement coniques dont le sommet de chaque jet (42) est situé à proximité d'un point P de l'injecteur (38), directement à l'intérieur d'une cavité (30), réalisée dans la face supérieure (28) d'un piston (12), d'axe parallèle à l'axe A du piston (12), dans laquelle les gaz d'admission forment un mouvement tourbillonnaire autour de l'axe de la cavité (30), et dans laquelle l'axe principal B de chaque jet (42) définit un point d'intersection Mi avec la paroi (44) de la cavité (30), caractérisé en ce que deux points d'intersection Mi, Mi+1 consécutifs dans le sens du mouvement tourbillonnaire sont situés à des cotes axiales différentes suivant l'axe A du piston (12). 2. Moteur selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les angles (a) formés par l'axe B de chaque jet (42) et l'axe A du piston (12) sont répartis autour d'un angle moyen, et en ce que la différence entre chaque angle (a) et l'angle moyen est comprise entre 0 et 10 . 3. Moteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'axe principal B de chaque jet (42) est incliné par rapport à l'axe A principal du piston (12) d'un angle (a) aigu compris entre 70 et 80 . 4. Moteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, du type dans lequel l'injecteur (38) est incliné par rapport à l'axe A principal du piston (12), et est situé dans un demi-plan Q radial délimité par l'axe principal A du piston (12), caractérisé en ce que l'angle (ai) aigu formé par l'axe B principal du jet (42a) situé le plus proche du demi-plan Q et l'axe A principal du piston (12) est inférieur ou égal à chacun des angles (Oc2) formés par l'axe des autres jets (42) et l'axe A principal du piston (12).