Brevet FR2839114A1 — publié le 20031031

Chambre de combustion de moteur multicylindre a allumage par compression, notamment de type Diesel a injection directe, et moteur associe L'invention concerne une chambre de combustion de moteur s multicylindre a allumage par compression, et en particulier de rnoteur fonctionnant selon le cycle Diesel, comme utilise dans l'industrie automobile. On conna^t, par exemple par les documents US 5 150 677 ou US 868 112, un moteur multicylindre a injection directe de carburant o comprenant pour chaque cylindre une culasse sensiblement plate formant couvercle au- dessus du cylindre, au moins une (de preference deux) soupape d'admission de l'air frais montee dans la culasse, sensiblement parallele a l'axe du cylindre, au moins (de preference deux) une soupape d'echappement montee dans la culasse sensiblement parallele a l'axe du s cylindre, un injecteur de carburant sensiblement parallele a l'axe du cylindre et debouchant dans la culasse approximativement au centre du cylindre, un piston presentant un fond de bol profle entoure d'une zone de chasse annulaire. De tres nombreuses formes de profil du bol ont ete proposees o tent dans le but d'ameliorer les performances du piston que dans celui de limiter les emissions de fumees liees a une mauvaise elimination des suies. D'une maniere generale, les chambres de combustion Diesel a injection directe sous haute pression utilisees actuellement, presentent les traits suivants: 2s -le bol du piston est axysymetrique et d'axe vertical: il comporte une partie centrale ou teton surelevee se raccordant a une paroi laterale ou exteneure qui peut etre verticale ou comporter une concavite. La partie centrale peut eke en forme de cone d'angle oc, comme montre dans les brevets mentionnes ci-dessus. Exceptionnellement, la partie laterale peut etre o evasee, comme montre dans les brevets US 4 662319, 4161165 ou 4242948, mais Ia preference va generalement a une forme concave donnant au profil la forme d'un "chapeau mexicain". -l'injecteur envoie plusieurs jets (plus de quatre) de carburant sous haute pression (une pression superieure a 600 bars) disposes sur un cone d'angle ss 0, appele angle de nappe, et d'axe coincident avec l'axe du bolt 2 283911 4 -['injection principale se fait pres du point mort haut (PMH), c'est-adire pres du plan de la culasse. -les axes de carburant intersectent la paroi exterieure du bol lorsque le piston est au point mort haut, comme on le volt par exemple sur les fgures s du document US 4635597, et il en resulte un mouvement tourbillonnaire d'axe horizontal destine a devier le melange d'abord vers le teas puis le centre du bolt On pensait generalement que cette technique anterieure etait globalement satisfaisante. Cependant, des etudes plus approfondies du to deroulement de la combustion ont permis a la Demanderesse de constater une utilisation incomplete du volume de la cavite par la combustion a haut regime: de l'oxygene reste non utilise, ce qui degrade la combustion et les emissions polluantes ou encore degrade les performances pour un meme niveau d'emissions de polluants. Par ailleurs, meme a faible regime, il existe s un risque de confnement de la combustion dans la cavite et de mauvaise utilisation de la zone du cylindre lorsque le piston descend. L'invention a pour but d'ameliorer le fonctionnement et les performances d'un moteur, par une utilisation optimale du volume de la cavite a tous les regimes et une extraction facilitee de la combustion hors de o la cavite pendant la detente. L'invention atteint son but grace a une chambre de combustion de moteur multicylindre a injection directe de carburant, comprenant un cylindre, une culasse sensiblement plate formant couvercle au-dessus du cylindre, au moins une soupape d'admission de l'air frais montee dans la s culasse, sensiblement parallele a l'axe du cylindre, au moins une soupape d'echappement montee dans la culasse sensiblement parallele a l'axe du cylindre, un injecteur central de carburant debouchant dans la culasse et susceptible d'emettre n jets de carburants en une nappe tronconique d'angle et de depart situe a une distance D2 du plan de la culasse, un piston o coulissant dans le cylindre entre un point mort haut et un point mort teas et presentant un bol profle comportant un teton central sensiblement conique d'angle a eloigne d'une distance D du plan de la culasse quand il est au point mort haut et raccorde par une course section concave a une paroi exterieure evasee d'angle par rapport a la verticale, le bol etant entoure d'une zone de chasse annulaire, caracterise en ce que ['angle a du teton est 3 283911 4 superieur a 100 , et en ce que le depart et ['angle de la nappe vent choisis en relation l'un a l'autre de maniere qu'au point mort haut, le point d'impact de la nappe sur le b ol soit situe sur le fond du bo l, c' est-a- dire e s sentiellement a l'interieur, en partie basse et en dessous de la paroi exterieure evasee du bolt s En effet, la Demanderesse a montre qu'en choisissant une geometric ainsi caracterisee pour le bol et le depart de la nappe d'injection, on assure une utilisation optimale de l'oxygene se trouvant dans le fond du bol, meme a haut regime. Cette geometric caracteristique peut revetir plusieurs formes. o Selon un premier mode de realisation, ['angle de nappe est compris entre 100 et 170 et le point de depart des jets est proche du teton au point mort haut, autrement dit D2 > D /2. Selon un second mode de realisation, ['angle de nappe est plus ferme, par exemple compris entre 40 et 100 , et le point de depart des jets est porcine s de la culasse au point mort haut (D2 la lecture de la description qui va suivre, en reference aux dessins annexes sur lesquels: -la figure 1 est une coupe au travers d'une chambre de combustion o conforme a ['invention, -la figure 2 est une coupe simplifiee montrant ['impact de ['injection conformement a ['invention, - la figure 3 montre deux demi-coupes simplifiees illustrant le principe de ['injection selon deux modes de realisation de ['invention, lorsque le piston :5 est au point mort haut, -la figure 4 montre deux demi-coupes simplifiees illustrant le principe des courants gazeux dans le bol du piston selon les deux modes de realisation de ['invention, lorsque le piston est au point mort haut, -la figure 5 montre deux demi-coupes simplifiees illustrant le principe des courants gazeux dans le bol du piston selon les deux modes de realisation de ['invention, lorsque le piston est en partie descendu, -la figure 6 est une demi-coupe simplifiee montrant un premier exernple de profil de bol de ltetat de la technique, -la figure 7 est une demi-coupe simplifiee montrant un second exenple de s5 profil de bol de l'etat de la technique, 4 283911 4 -les figures 8, 9 et 10 illustrent le fonctionnement du piston connu de la fgure 6 a trots etape de son cycle. Le piston 1 comporte une cavite ou bol profle 2 approximativement centre par rapport a l'axe 3' du cylindre 3 dans lequel le piston est monte coulissant de maniere etanche. Le bol est entoure d'une zone de chasse 4 frontale annulaire sensiblement parallele a la culasse 5. Le fond du bol 2 forme une elevation cenkale ou teton 6 en forme de cone, relic a la zone de chasse 4 par une paroi de transition 7 et une paroi laterale 8. o La culasse 5 loge l'injecteur central de carburant 9 a n jets de carburant (par exemple au moins 4 jets) et abrite des soupapes 10 d'admission et d'echappement (par exemple deux soupapes d'admission et deux soupapes d'echappement) disposees autour de l'injecteur 9. Un moteur regroupe plusieurs chambres de combustion analogues. Ces dispositions vent classiques, decrites dans les documents deja cites et ntont pas besoin d'etre plus amplement expliquees. Avant d'examiner en detail ce qui fait l'originalite de ['invention, il est bon de rappeler l'etat de la technique en la matiere, represente sur les o figures 6 a 10. Selon un premier exemple de bol connu de l'art anterieur, rnontre sur la fgure 6, le teton 6 est relativement prononce, ctest-a-dire que ['angle a est relativement petit (par exemple inferieur a 100 ), et la paroi laterale 8 comporte un rentrant concave, forme dans le prolongement de la zone de À 25 transition 7. Le jet dtinjection 20, partant sensiblement du plan de la culasse , atteint la paroi laterale 8 vers sa moitie superieure, de maniere que, comme represente sur la fgure 8, lorsque le. piston est encore proche du point mort haut, la combustion, entra^nee par le jet de carburant a haute pression 20, ait le temps de s'enrouler (fleche 21) dans le tore 22 forme o entre les parties 7 et 8, puis de remonter sur le teton central 6. A faible regime, le piston reste suffsamment longtemps proche du point mort haut pour que ce fonctionnement theorique soit effectivement le fonctionnement pratique et le volume de la cavite est done correctement utilise. 283911 4 En debut de detente (figure 9), la combustion est principalement localisee dans la zone 23 de la cavite, dans la partie grisee 25. La paroi externe 8 de la cavite limite l'entranement de la combustion par le mouvement aerodynamique centrifuge, dit de chasse inverse, represente par les fleches 26 et se situant dans la zone de cylindre 24: en effet, la separation 27 entre la zone de cavite et la zone ou s'effectue le mouvement de chasse est assez marquee. L'extraction de la combustion hors de la cavite n'est done pas favorisee. Il y a done un risque pour la combustion de rester confinee dans la cavite et de mal utiliser la zone de cylindre 24. o A haut regime, le mouvement decrit precedemment pour la combustion a faible regime n'a pas le temps de s'etablir. La combustion suit la longueur libre de jet 20, atteint ensuite le fond de la cavite (fleche 21'), mais ne remonte pas sur le teton 6, le piston descendant trop vise. L'oxygene dans la zone grisee 27 se trouvant autour du teton 6 n'est pas s utilise par la combustion et se trouve piege dans la cavite lorsque le piston redescend. Le volume de la cavite reste done partiellement inutilise par la combustion a haut regime, ce qui degrade la combustion et les emissions polluantes ou encore degrade les performances pour un meme niveau d'emissions de polluants. o Ce phenomene est evite par la geometric particuliere conforme a ['invention (fgures l a 5). D'une part, le teton 6 est peu marque et proche d'un cone d'un angle au sommet a superieur a lOO et de preference a 120 . D'autre part, la paroi laterale 8 ne comporte pas de rentrant et est s evasee a la peripherie de la cavite 24, par exemple sous forme d'une surface tronconique dtinclinaison avec la verticale comprise entre 5 et 20 . Comme le monke la fgure 2, representant tres schematiquement le piston au point mort haut, ctest-a-dire au plus pres de la culasse 5, on appelle D la distance entre le plan 30 de la culasse 5 et le sommet 31 du so teton 6 et on appelle D2 la distance entre ce meme plan 30 et le depart 32 des jets de carburant delivres par l'injecteur central 9, selon une nappe d'angle p. Selon ['invention, la geometric est telle que le point d'impact des jets de carburant se situe au fond de la cavite au point mort, et non plus sur la partie superieure des parois laterales; la zone dtimpact est sensiblement s la zone 6, 7 recouverte en pointilles epais et delimitee par les deux 283911 4 segments 33, au niveau qui separe la course transition 7 de la paroi tronconique 8. L'injection principale doit par ailleurs etre proche du point mort haut, comme dans la technique anterieure. Le debut de ['injection principale s doit etre compris dans l'intervalle 20 degree de vilebrequin avant le point mort haut et 10 degree apres. La fin de cette injection doit intervenir au plus tot 10 degree avant le point mort haut. Pour obtenir ['impact des jets en fond de bol au point mort haut, plusieurs modes de realisation vent possibles et vent schematises o respectivement de part et d'autre de la figure 3. Sur la partie gauche de la figure, on a represente un angle de nappe,B conventionnel (entre 100 et ) mais un point de depart 32 du jet 20 situe a une distance D2 superieure a D /2. Sur la partie droite de la figure, on a represente un angle de nappe ferme (entre 40 et 100 ) et un point de depart des jets plus s proche de la culasse au point mort haut, a une distance D2 superieure a D /2. Le deroulement de la combustion est illustre pour les deux variantes sur les figures 4 et 5. Au debut du cycle, quand le piston 1 est proche du point mort o haut (figure 4), queue que soit la variante consideree, la vitesse induite par les jets de carburant a haute pression 20 entra^ne la combustion le long du fond 6 puis 7 de la cavite (fleches 34, 35), fond vers lequel les jets 20 vent en effet diriges. Le volume de la cavite est en grande partie balaye par la combustion et done bien utilise par celle-ci. Puis le melange remonte le :5 long de la paroi evasee 8 (fleches 36). Lors de la detente (figure 5), la combustion a d'une part conserve une partie de la quantite de mouvement induite par les jets 20 et est entranee d'autre part par le mouvement de chasse inverse et peut done s'echapper (fleches 37). Ce mouvement n'est pas freine grace a la forme so evasee de la cavite a sa peripherie. L'extraction de la combustion hors cavite est done facilitee et la zone de cylindre 24 est mieux utilisee. 7 283911 4 REVENDICATIONS 1. Chambre de combustion de moteur multicylindre a injection directe de carburant, formee par un cylindre (1), par une culasse (5) sensiblement s plate formant couvercle au-dessus du cylindre (1), au moins une soupape (10) d'admission de l'air frais etant montee dans la culasse (5), sensiblement parallele a l'axe du cylindre (3'), au moins une soupape d'echappement etant montee dans la culasse sensiblement parallele a l'axe du cylindre, un injecteur central (9) de carburant debouchant dans to la culasse (5) et susceptible d'emettre des jets (20) de carburant en une nappe tronconique d'angle,6 et de depart (32) situe a une distance D2 du plan de la culasse (5), et par un piston (1) coulissant dans le cylindre (1) entre un point mort haut et un point mort teas et presentant a sa face superieure un bol profile comportant un teton central (6) sensiblement s conique d'angle a eloigne d'une distance D du plan de la culasse (5) quand il est au point mort haut et raccorde par une course section concave (7) a une paroi exterieure evasee (8) d'angle par rapport a la verticale, le bol (2) etant entoure d'une zone de chasse annulaire (4), caracterisee en ce que ['angle a du teton (6) est superieur a 100 , et en o ce que le depart (32) et ['angle de la nappe vent choisis en relation l'un a l'autre de maniere qu'au point mort haut, le point d'impact de la nappe sur le bol (2) soit situe sur le fond (6,7) du bol (2). 2. Chambre de combustion selon la revendication 1, caracterisee en ce que s ['angle de nappe est compris enke 100 et 170 et le point de depart des jets (32) est tel que D2 > D /2. 3. Chambre de combustion selon la revendication 1, caracterisee en ce que ['angle de nappe est compris entre 40 et 100 , et le depart (32) des jets est tel que D2 4. Chambre de combustion selon l'une quelconque des revendications 1 a 3, caracterisee en ce que la paroi exterieure evasee a une inclinaison comprise entre 5 et 20 . 8 283911 4 5. Chambre de combustion selon l'une quelconque des revendications 1 a 4, caracterisee en ce que Tangle a du teton (6) est superieur a lOO , et de preference superieur a 120 . 6. Moteur a combustion interne caracterise en ce qu'il comprend plusieurs chambres de combustion selon l'une quelconque des revendications 1 a