Brevet FR2834002A1 — publié le 20030627

Moteur à combustion interne à allumage par compression La présente invention concerne un moteur à combustion interne à allumage par compression, par exemple diesel, à injection directe de carburant destiné notamment à équiper un véhicule automobile ou routier. La présente invention concerne plus particulièrement la forme de la chambre de combustion d'un moteur et notamment la face supérieure du piston. La demande de brevet français NOOl-12306 (usinage d'une chambre cônique) décrit un moteur de type multi-cylindre diesel et injection directe, dans les injecteurs de carburant sont disposés sensiblement dans l'axe des cylindres, la chambre conique étant ménagé dans la culasse. Cette position centrale de l'injecteur de carburant dans une culasse en toit ou conique présente l'avantage de limiter les phénomènes de mouillage de paroi (dans le cas ou le carburant est injecté soit très tôt dans le cycle, dans la phase de compression soit très tard dans la phase de détente), c'est à dire la déposition de particules de carburant sur les parois du cylindre, et donc de limiter les émissions importantes de substances polluantes telles que les HC et simultanément des Nox et des particules. Conformément au document précité, il est également connu de faire déboucher une bougie de pré chauffage (débouchant soit latéralement dans l'évidement au plus près de l'injecteur soit directement dans le cylindre entre 2 soupapes). Les formes des pistons connus, plats présentant une cavité (du type d'un bol fermé à lèvre), associes à une culasse plate présentent l'inconvénient de ne pas satisfaire de façon optimale les deux principaux modes de fonctionnement rencontrés par les moteurs injection directe diesel, à savoir les fonctionnements stratifiés et les fonctionnements homogènes. En effet, jusqu'ici, lorsque la géomètre des pistons est adaptée à la préparation de la charge stratifiée et la concentration locale de la combustion alors c'est le fonctionnement en charge homogène qui est dégradé et vis et versa, lorsque la géométrie des pistons et de la culasse est adaptée au fonctionnement en charge homogène alors c'est le fonctionnement en mode stratifié qui se trouve pénalisé. La présente invention a donc pour objet de réaliser un moteur à combustion interne diesel et injection directe de carburant de conception nouvelle qui remédie aux inconvénients précité, notamment grâce à un piston de forme adapte associé à une culasse en toit ou conique permettant tout à la fois des fonctionnements stratifiés et homogènes. Ce but est atteint par un moteur à combustion interne diesel comprenant une chambre de combustion délimitée d'une part par la paroi supérieure d'un piston monté dans un bloc-cylindres et d'autre part par la paroi inférieure d'une culasse en toit comprenant, d'un côté de la surface en toit, deux orifices distincts d'admission et du coté opposé aux orifices d'admission, par deux orifices distincts d'échappement, et caractérisé en ce que la culasse comprend en outre un évidement débouchant dans la paroi inférieure de la culasse, un injecteur de carburant disposé parallèlement à l'axe du cylindre et débouchant au sommet de l'évidement, une bougie de pré chauffage débouchant latéralement dans l'évidement et en ce que le piston est pourvu sur sa paroi supérieure d'une cavité s'étendant sensiblement sous ledit évidement, ladite cavité étant entourée par deux bossages en saillie qui s'étendent symétriquement par rapport au plan transversal du cylindre. Selon une autre caractéristique du moteur à combustion interne diesel objet de l'invention, l'évidement est formé par une cavité principale délimité par un fond qui débouche vers le nez de l'injecteur et une paroi latérale, et une pluralité de cavité secondaires débouchant dans la partie inférieure de la cavité principale. Selon une autre caractéristique de moteur à combustion interne diesel objet de l'invention, ladite cavité principale s'étend sensiblement dans l'axe du cylindre. Selon une autre caractéristique du moteur à combustion interne objet de l'invention, la cavité principale est de section sensiblement circulaire ou elliptique. Selon une autre caractéristique du moteur à combustion interne diesel objet de l'invention, les cavités secondaires s'étendent de part et d'autre de la cavité principale entre les orifices d'admission et/ou d'échappement. Selon une autre caractéristique du moteur à combustion interne diesel objet de l'invention, les bossages ménagés sur la face supérieure du piston autour de part et d'autre de la cavité s'étendent selon un secteur angulaire compris entre 900 et 1300. Selon une autre caractéristique du moteur à combustion interne objet de l'invention, les bossages ménagés sur la face supérieure du piston de part et d'autre de la cavité présentent des extrémités s'étendant sous les orifices d'admission et d'échappement qui sont Conformées pour générer des zones de chasse conséquente orientées vers le centre de la cavité. Selon une autre caractéristique du moteur à combustion interne diesel objet de l'invention, la face supérieure du piston présente des surfaces en forme de plan incliné qui s'étendent de part et d'auLre de la cavité entre les bossages, ces surfaces étant adaptées pour canaliser la chasse générée par les extrémités des bossages vers le centre de la cavité. Selon une autre caractéristique du moteur combustion interne diesel objet de l'invention, la bougie de pre-chauffage est disposée au-dessus des conduits d'admission ou des conduits d'échappement, avec une inclinaison déterminée par rapport à l'axe du cylindre. On comprendra mieux les buts, aspects et avantages de la présente invention, d'après la description donné ci-après d'un mode de réalisation de l'invention, présenté à titre d'exemple non limitatif, en se référant aux dessins annexe, dans lesquels. - la figure 1 est une vue de dessus schématique, présentant la chambre de combustion d'un moteur à combustion interne diesel selon l'invention la figure 2 est une vue en coupe selon la ligne ll-ll de la figure 1 ; - la figure 3 est une vue de dessus du piston représenté à la figure 2. L'exemple de réalisation de l'invention décrit conformément aux figures, concerne un moteur à combustion interne diesel à quatre temps de type multicylindre, diesel, à injection directe de carburant et à quatre soupapes par cylindre. Le corps principal de ce moteur à combustion interne est formé par une culasse surmontant un carter cylindres 24. Une pluralité alésages cylindriques ou cylindres, identiques au cylindre 2 représenté à la figure 2, sont agencé dans le carter cylindres 24. Chaque cylindre 2 loge un piston 3 dont le mouvement alternatif est destiné à être converti en un mouvement rotatif par un système bielle/vilebrequin non figuré. Dans la partie supérieure du cylindre 2 s'étend une chambre de combustion 1 qui est délimité par la face supérieure du piston 3, la face inférieure 13 en regard de la culasse 4 et les parois du cylindre 2. La paroi inférieure 11 de la culasse est principalement en forme de toit à deux pentes dot-il l'arêle surnrnilcle 14 s'étend sensiblement parallèlement à l'axe longitudinal de la culasse 4. En se reportant à la figure 1, on voit que la culasse 4 est traversé transversalement pour chaque chambre de combustion 1, par deux conduits d'admission des gaz comburant 5,6 et par deux conduits d'échappement des gaz brûlés 9,10. Ces conduits d'admission et d'échappement s'étendent respectivement de part et d'autre de la chambre de combustion par rapport au plan médian longitudinal de la culasse, et ils débouchent dans ladite chambre de combustion par des orifices d'admission 7/8 et d'échappement 11, 12 qui sont munis de soupapes à tige permettant d'en commander l'ouverture. Les deux orifices d'admission 7,8 sont agencé à travers la paroi inférieure 13 de la culasse 4 d'un même coté par rapport à l'arrête sommitale 14, tandis que les orifices d'échappement 11 et 12 sont agencés à travers la paroi inférieure de la culasse 4 du coté opposé aux orifices d'admission. L'angle formé entre les soupapes d'admission et d'échappement correspond sensiblement à l'angle du toit 13. Par ailleurs, le calibrage des orifices d'admission est adapté pour occuper au maximum la face admission du toit 13 en limite d'effets de parois, les deux conduits l'admission 5 et 6 qui s'étendent sensiblement parallèlement l'un à l'autre à travers la culasse 4 étant de plus conformés pour favoriser le remplissage de la chambre de combustion 1 en air comburant. Selon la présente invention, la paroi inférieure 13 de la culasse 4 comporte par ailleurs un évidement 18 s'étendant sensiblement parallèlement à l'axe du cylindre 2. Dans cet évidement 18 débouchent un injecteur de carburant 16 et une bougie de pré-chauffage 17. L'injecteur 16 est connecté classiquement à un circuit d'alimentation en carburant sous pression non figuré. La quantité de carburant injecté soit très tôt dans le cycle, dans la phase de compression soit très tard dans la phase de détente est déterminé par un système électronique de contrôle moteur, également non figuré, qui détermine le phasage et la durée d'ouverture de l'injecteur 16 suivant les conditions de fonctionnement du moteur et notamment la charge et le régime. L'évidement 18 est formé par une cavité principale 22 s'étendant de préférence sensiblement dans l'axe du cylindre 2. Pour des besoins d'implantation l'axe de l'évidement 18 peut toutefois s'écarter de l'axe du cylindre 2 de quelques millimètres. Cette cavité est délimitée dans sa partie supérieure par une paroi de fond 20 ou débouche le nez de l'injecteur 16 et une paroi latérale 19 de forme sensiblement ogivale tronqué ou débouche la bougie de pré-chauffage 17. L'ouverture inférieure de cette cavité peut être prolongé en direction des quatre pontets inter-soupapes par des cavités secondaires 21. Ces cavités secondaires 21 ont pour principale fonction d'augmenter le volume de l'évidement 18, sans augmenter la profondeur de la cavité principale 22. Ainsi, il est possible de disposer d'un volume de confinement de dimension approprié sans affecter la compacité de la culasse et sans réduire la surface de chasse. Bien évidement, le nombre de ces cavité secondaires n'est pas limitatif, il est ainsi possible de n'avoir que trois cavités secondaires : une s'étendant en direction du pontet admission et les deux autres s'étendant de part et d'autre de la cavité principale 22, parallèlement à l'arrête 14. De même, la forme et les dimensions de ces cavités sont adaptées en fonction de la place disponible et du volume de confinement souhaité. Par ailleurs, les formes des différentes cavités secondaires 21 entourant la cavité principale 22 sont également liées à la forme de cette dernière. La cavité principale 22 peut être de section circulaire (dans le cas ou les orifices d'injection sont disposés et orientés suivant un cône appelé nappe) ou bien encore elliptique comme cela est figure, le grand axe de l'ellipse pouvant être parallèle à l'arête 14 ou bien encore perpendiculaire à celle-ci, dans ce cas l'arrangement des jets peut être aménagé et l'angle des jets adapté localement pour exploiter le volume ainsi libéré. De même, l'évasement donné à la paroi latérale 19 peut être réduit au minimum permis par les techniques de moulage/d'usinage, de façon à atteindre une forme sensiblement cylindrique. L'injecteur de carburant est monté à travers la culasse 4 parallèlement à l'axe du cylindre de façon à ce que son nez d'injection débouche sensiblement au droit de la paroi de fond 20 de l'évidement 18. Suivant des variantes de réalisation de l'invention, le nez de l'injecteur peut déboucher en saillie ou bien latéralement en retrait de la paroi de fond 20. Les dimensions de l'évidement 18 et celles de la nappe formée par les jets d'injection du carburant sont adaptés les unes aux autres pour éviter tout mouillage de la paroi latérale 19 directement par les jets de carburant, quelles que soient les conditions de fonctionnement du moteur. La bougie de pré chauffage 17 qui débouche latéralement à travers la paroi 19, s'étend dans la culasse 4 par exemple dans le plan axial de la culasse, soit au-dessus des conduits d'admission 5,6 comme cela est figuré soit encore au-dessus des conduits d'échappement 9,10. Le positionnement de la bougie de pré chauffage 17 est par ailleurs adapté pour que le démarrage à froid soit optimum. Elle se trouve à une distance h déterminée de l'injecteur 16 afin qu'elle soit atteint par un des jets de l'injecteur. La profondeur H de l'évidement 18 est choisie afin que la distance h précitée soit sensiblement inférieure au deux tiers de H (h 2/3) *H). En particulier, la bougie de pré chauffage 17 s'étend au-dessus des cavités secondaires 21. Cette implantation de la bougie de pré chauffage 17 dans la partie supérieure de l'évidement 18 à proximité immédiate du nez de l'injecteur 16, permet alors de mieux contrôler le démarrage à froid et la stabilité de combustion dans les phases de préchauffage après démarrage. En effet, à !'intêrieur du voiume de confinement qu'ê cônstiTue l'évidement 18, les mouvements aérodynamiques demeurent limités en particulier dans la partie supérieure de l'évidement 18. Il est donc possible de contrôler précisément la stratification du mélange carburé. De plus, pour les fonctionnements à fortes charges, il est possible d'obtenir une première phase de combustion limitée à l'évidement 18, de déroulement très rapide proche d'une transformation isochore puis, lorsque le front de flamme quitte l'évidement 18 pour atteindre le cylindre, une seconde phase de type transformation isobare. Un tel déroulement permet d'améliorer le rendement thermodynamique de la combustion pour une même température maximum de cycle, et de réduire simultanément les émissions d'oxyde d'azote et de particules. Il est à noter que les cavités secondaires réparties à la périphérie de la cavité principale 22 présentent l'avantage supplémentaire de canaliser les gaz balayés par effet de chasse. Ces gaz sont ainsi dirigés à la sortie de la cavité principale 22 et permettent donc de favoriser la propagation rapide du front de flamme à l'ensemble de la chambre de combustion 1. Conformément à l'invention, le piston 3 et plus particulièrement sa face supérieure sont optimisés par rapport au reste de la chambre de combustion et plus particulièrement à l'évidement 18 pour permettre le fonctionnement du moteur aussi bien en mode homogène qu'en mode stratifié. Pour ce faire la face supérieure du piston 3 présente un évidement concave 30 en forme d'empreinte sphérique. Cette cavité 30, venant de fonderie et/ou obtenue après usinage, s'étend sensiblement au centre du piston sous l'évidement 18. L'ouverture circulaire de cette cavité 30 présente un diamètre inférieur à la moitié du diamètre du piston et de préférence égal à celui-ci. La cavité 30 est entourée par deux bossages en saillie 33. Les deux bossages 33 sont agencés de part et d'autre de la cavité 30 selon l'axe longitudinal de la culasse 4 et s'étendent symétriquement par rapport au plan vertical transversal du cylindre. Ces bossages sont disposes à la périphérie de la cavité 30 selon un secteur angulaire compris de préférence entre 90 et 130 . Leur forme est complémentaire de celle de la face inférieure 13 de la culasse 4, ce qui permet notamment de limiter le volume résiduel de la chambre de combustion 1 lorsque le piston 3 se trouve au Point Mort Haut, ceci afin d'obtenir un taux de compression des gaz adéquat. Les parois latérales des bossages 33 en regard de la cavité 30 sont conformées pour prolonger l'empreinte sphérique ; quant aux extrémités 32 des bossages 33 s'étendant sous les orifices d'admission 7,8 et d'échappement 11, 12, elles sont conformées pour générer des zones de chasse conséquente orientées vers le centre de la cavité. La face supérieure du piston 3 présente par ailleurs des surfaces 31 en forme de plan incliné s'étendant de part et d'autre de la cavité 30 entre les bossages 33. La pente de ces surfaces 31 sensiblement inférieure à celle des extrémités 32 est adaptée pour canaliser la chasse générée par ces extrémités 32 vers la cavité 30. Par ailleurs ces surfaces 31 dont les bords supérieurs délimitent l'ouverture de la cavité 30, contribuent à augmenter le volume de cette dernière sans augmenter les dimensions du piston et en particulier l'épaisseur de sa tête. La face supérieure du piston 13 permet ainsi d'obtenir lorsque ce dernier est au Point Mort Haut, un volume résiduel pour la chambre de combustion 1 formé de l'évidement 18 et de la cavité 30 qui tend vers un volume de forme sphérique avec un début de la combustion relativement centré. La forme retenue pour le piston 3 associée à l'évidement 18 ménagé dans la culasse 4 est particulièrement adaptée pour permettre des modes de fonctionnement stratifiés et homogènes performants, tant en termes de rendement que d'émission de polluant notamment des oxydes d'azote et des particules. Cet arrangement influe donc favorablement tant sur l'aérodynamique interne que sur la formation et la propagation de la ~Y'' lill lU'-/l 1 1 1 Lil-l 9 LI u combustion. Pour ce qui est de l'aérodynamique interne, l'organisation du mouvement des gaz admis dans la chambre de combustion 1 est centrée dans la cavité 30 ce qui assure le maintien de leur énergie lors de la phase de compression pris du Point Mort Haut combustion, énergie qui se trouve augmentée en fin de compression par les effets de chasse orientés vers le centre de la cavité résiduelle pseudo sphérique que forme alors la chambre de combustion. Cette aérodynamique interne intense permet d'obtenir des vitesses de combustion élevées, donc un rendement thermodynamique optimal. Pour ce qui est de l'initiation de la combustion et de sa propagation. En charge stratifiée, le carburant injecté tardivement se trouve concentré dans l'évidement 18 et pour partie dans la cavité 30 ce qui limite sa dispersion dans le reste du cylindre. En charge homogène, le carburant est injecté précocement et le mélange carburé occupe un volume résiduel qui tend vers une forme sphérique bénéficiant d'une initialisation de la combustion sensiblement homogène. La combustion tend donc à se propager de façon uniforme dans la chambre en rencontrant tardivement dans le cycle et à peu près au même moment les parois, il s'ensuit des pertes thermiques restreintes et le maintien d'une vitesse de combustion élevée très longtemps dans le cycle. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et illustrés qui n'ont été donnés qu'à titre d'exemples non limitatifs. Au contraire, l'invention comprend tous les équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons si celles-ci sont effectuées suivant son esprit. REVENDICATIONS 1. Moteur à combustion interne à allumage par compression comprenant une chambre de combustion (1) délimitée d'une part par la paroi supérieure d'un piston (3) monté dans un bloc-cylindres et d'autre part par la paroi inférieure d'une culasse (4) en toit comprenant, d'un côté de la surface en toit (13), deux orifices distincts d'admission (7, 8) et du coté opposé aux orifices d'admission, par deux orifices distincts d'échappement (11, 12), caractérisé en ce que la culasse comprend en outre un évidement (18) débouchant dans la paroi inférieure de la culasse (4), un injecteur de carburant (16) disposé parallèlement à l'axe du cylindre (2) et débouchant au sommet de l'évidement (18), une bougie de pré chauffage (17) débouchant latéralement dans l'évidement (18) et en ce que le piston (3) est pourvu sur sa paroi supérieure d'une cavité (30) s'étendant sensiblement sous ledit évidement (18), ladite cavité (30) étant entourée par deux bossages en saillie (33) qui s'étendent symétriquement par rapport au plan transversal du cylindre. 2. Moteur à combustion interne selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'évidement (18) est formé par une cavité principale (22) délimitée par un fond (20) où débouche le nez de l'injecteur (16) et une paroi latérale (19), et au moins une cavité secondaire (21) débouchant dans la partie inférieure de la cavité principale (22). 3. Moteur à combustion interne selon la revendication 2, caractérisé en ce que ladite cavité principale (22) s'étend sensiblement dans l'axe du cylindre (2). 4. Moteur à combustion interne selon l'une quelconque des revendications 2 ou 3, caractérisée en ce que ladite cavité principale (22) est de section sensiblement circulaire ou elliptique. 5. Moteur à combustion interne selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que les cavités secondaires (21) s'étendent de part et d'autre de la cavité principale (22) entre les orifices d'admission (7, 18) et/ou d'échappement. 6. Moteur à combustion interne selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que lesdits bossages (33) ménagés sur la face supérieure du piston (3) autour de part et d'autre de la cavité (30) s'étendent selon un secteur angulaire compris entre 900 et 1300 7. Moteur à combustion interne selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que lesdits bossages (33) ménagés sur la face supérieure du piston (3) de part et d'autre de la cavité (30) présentent des extrémités s'étendant sous les orifices d'admission et d'échappement qui sont conformés pour générer des zones de chasse conséquente orientées vers le centre de la cavité (30) 8. Moteur à combustion interne selon la revendication 7, caractérisé en ce que la face supérieure du piston (3) présente des surfaces (31) en forme de plan incliné qui s'étendent de part et d'autre de la cavité (30) entre les bossages (33), lesdites surfaces étant adaptées pour canaliser la chasse générée par les extrémités (32) des bossages (33) vers le centre de la cavité (30). 9. Moteur à combustion interne selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la bougie de préchauffage (17) s'étend au voisinage d'un jet de l'injecteur. 10. Moteur à combustion interne selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la bougie de pré chauffage (17) est disposée au-dessus des conduits d'admission (5, 6) ou des conduits d'échappement (9, 10), avec une inclinaison adaptée par rapport à l'axe du cylindre (2).