Brevet FR2853353A1 — publié le 20041008

Moteur à combustion interne, à essence et à allumage commandé L'invention se rapporte à un moteur à combustion interne, à essence et à allumage commandé. L'invention concerne plus particulièrement un moteur à combustion interne, à essence et à allumage commandé comprenant au moins un cylindre, une culasse obturant le cylindre, un piston monté coulissant dans le cylindre, une 1o chambre de combustion définie dans le cylindre entre une face supérieure du piston et une face inférieure de la culasse, un moyen d'injection d'essence dans la chambre de combustion, un moyen d'allumage destiné à produire une inflammation du mélange air-essence dans la chambre de combustion, des 15 soupapes d'admission et d'échappement, obturant sélectivement la chambre de combustion, une pompe d'injection destinée à fournir au moyen d'injection de l'essence sous pression. Les mélanges carburés qui résultent de l'injection de 20 carburant dans le cylindre peuvent être des mélanges homogènes ou des mélanges stratifiés dans lesquels le rapport air/carburant n'est pas uniforme dans tout le cylindre. Dans ce dernier cas, la partie du mélange carburé qui a un rapport air/carburant inflammable est localisée près du point 25 d'allumage. Une solution pour réaliser une telle stratification est connue dans la technologie de l'injection directe essence. Dans cette technique, le moyen d'injection, tel qu'un injecteur et le moyen d'allumage, telle qu'une bougie, doivent être 30 disposés de façon relativement proche. De plus, l'injection d'essence doit être relativement tardive, c'est-à-dire près du Point Mort Haut Compression et, pour un bon fonctionnement du moteur, l'allumage doit être réalisé de façon relativement précoce, c'est-à-dire approximativement pendant l'injection. Ainsi l'injection est réalisée au plus près du moyen d'allumage, et la face supérieure du piston peut comporter une cavité prévue pour assurer le confinement du carburant autour de la bougie. Cependant, ce type de dispositif pose des problèmes de robustesse de type géométrique. En effet, cette technique présente l'inconvénient de nécessiter un réglage très fin des positions et des orientations de l'injecteur et de la bougie dans la culasse du moteur (et notamment de la profondeur io d'implantation de l'injecteur par rapport à la bougie.). D'autre part, du fait notamment du passage rapide du jet de carburant dans l'environnement du point d'étincelle, les instants d'injection (Avance à l'injection) et d'allumage (Avance à l'allumage) sont très dépendants et doivent être réglés avec 15 une grande précision, sous peine d'une instabilité dans la combustion et d'un dysfonctionnement du moteur. Une autre solution consiste à diriger le jet d'essence en direction d'une paroi, par exemple en direction de la face supérieure du piston, pour le dévier ensuite vers la bougie. 20 Cette solution peut présenter l'inconvénient de conduire à la formation, sur les parois, d'un film de carburant liquide qui brûle en produisant des suies. Un but de la présente invention est de pallier tout ou partie des inconvénients de l'art antérieur relevés ci-dessus. A cette fin, le moteur à combustion interne, à essence et à allumage commandé selon l'invention, par ailleurs conforme à la définition générique qu'en donne le préambule ci-dessus, est essentiellement caractérisé en ce que la pression fournie au moyen d'injection dépasse 250 bars, et en ce que le moyen 30 d'injection et le moyen d'allumage sont disposés dans la culasse selon deux axes respectifs formant un angle supérieur à 350. Par ailleurs, l'invention peut comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes: - les moyens d'allumage et d'injection et les soupapes sont disposés relativement de façon que dans un plan passant par l'axe du cylindre une soupape est située entre le moyen d'injection et le moyen d'allumage, - le moyen d'allumage déclenche l'inflammation du mélange air-essence dans un intervalle de temps compris entre le début de l'injection et 150 degrés vilebrequin après la fin de l'injection, - le moyen d'injection est situé à proximité de la paroi du io cylindre, - le moyen d'injection et le moyen d'allumage sont espacés d'une distance comprise entre 20 et 100 mm, et de préférence comprise entre 30 et 80 mm, - le moyen d'injection est conformé et orienté de façon à 15 projeter l'essence en direction du piston, de façon à faire rebondir le mélange air-essence dans une cavité creusée sur la face supérieure du piston pour amener l'essence autour du moyen d'allumage, - le moyen d'injection est conformé de façon à injecter 20 l'essence selon une direction principale inclinée par rapport à l'axe du moyen d'injection, de façon à projeter l'essence directement vers le moyen d'allumage, - la direction de propagation de l'essence injectée par le moyen d'injection forme sensiblement un angle droit avec l'axe 25 du moyen d'allumage, - le piston présente une cavité, creusée sur sa face supérieure pour assurer un confinement de l'essence injectée dans la chambre de combustion, - le moyen d'allumage est disposé sur ou à proximité de 30 l'axe du cylindre, le moteur comprend deux soupapes d'admission situées d'un premier côté d'un plan axial médian du cylindre et deux soupapes d'échappement situées d'un second côté de ce plan médian, et en ce que le moyen d'injection est disposé entre les deux soupapes d'admission, - le moteur comprend deux soupapes d'admission situées d'un premier côté d'un plan axial médian du cylindre et deux soupapes d'échappement situées d'un second côté de ce plan médian, et en ce que le moyen d'injection est disposé entre 10 une soupape d'admission et une soupape d'échappement, - le moteur comprend deux soupapes d'admission situées d'un premier côté d'un plan axial médian du cylindre et deux soupapes d'échappement situées d'un second côté de ce plan médian, et en ce que le moyen d'injection est disposé entre les 15 deux soupapes d'échappement, - l'angle, entre l'axe du moyen d'injection et l'axe du moyen d'allumage, est compris entre 450 et 90 , et est de préférence de l'ordre de 600 environ, - l'angle, entre l'axe du moyen d'injection et l'axe du 20 moyen d'allumage, est supérieur à 90 . D'autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description ci-après, faite en référence aux figures dans lesquelles: - la figure 1 représente une vue en coupe schématique et 25 partielle d'un moteur à combustion interne selon l'invention lors d'un premier instant d'un cycle de combustion, - la figure 2 représente une vue en coupe schématique et partielle du moteur à combustion interne de la figure 1, lors d'un deuxième instant du cycle de combustion, - la figure 3 représente une vue en coupe schématique et partielle d'un moteur à combustion interne selon un deuxième mode réalisation de l'invention, - la figure 4 représente une vue de dessous de la face inférieure de la culasse du moteur illustré aux figures 1 à 3, - les figures 5 et 6 représentent des vues analogues à celle de la figure 4, illustrant respectivement deux autres variantes de réalisation de l'invention. Le moteur selon l'invention représenté à la figure 1 comprend au moins un cylindre 1, une culasse 2 obturant le cylindre 1 et un piston 3 monté coulissant dans le cylindre 1. Une chambre de combustion 4 est définie dans le cylindre 1 io entre une face supérieure 30 du piston 3 et une face inférieure de la culasse 2. Le moteur comprend également un moyen d'injection 5 d'essence, tel qu'une buse ou un injecteur qui débouche dans la chambre de combustion 4. L'injecteur 5 est alimenté par une 15 pompe 9 d'injection destinée à fournir à l'injecteur 5 de l'essence sous pression. Un moyen d'allumage 6, tel qu'une bougie plonge également dans la chambre de combustion 4 pour produire une inflammation du mélange air-essence dans la chambre de combustion 4 à un instant déterminé. La bougie peut être disposée, par exemple, sur l'axe Z de symétrie du cylindre 1, telle que le montre la figure 1. Selon une caractéristique de l'invention, la pression de l'essence fournie à l'injecteur 5 dépasse 250 bars. Selon une autre caractéristique, l'injecteur 5 est disposé, dans la culasse 25 2, selon un axe X et la bougie 6 est disposée selon un axe Y. L'angle 0, entre l'axe X de l'injecteur 5, et l'axe Y de la bougie 6, est supérieur à 350, et de préférence égal à 600 environ, tel que le montre la figure 1. L'injecteur 5 peut être disposé à proximité de la paroi du 30 cylindre 1. Le moteur comporte également une ou plusieurs soupapes d'admission 7 et une ou plusieurs soupapes d'échappement 8 obturant sélectivement des passages entre la chambre de combustion 4 et, respectivement, un conduit d'admission 11 et un conduit d'échappement 12. Comme représenté à la figure 1, l'injecteur 5 et la bougie 6 peuvent être disposés relativement de telle façon que si l'on 5 considère un plan P passant par l'axe du cylindre 1, une soupape d'échappement 8 est située entre l'injecteur 5 et la bougie 6. L'injecteur 5 et la bougie 6 peuvent être espacés d'une distance comprise, par exemple, entre 20 et 100 mm, et de préférence entre 30 et 80 mm Cette distance pourra bien io entendu varier selon la cylindrée du moteur. De préférence, l'injection a lieu pendant la phase de compression. De plus, au moins dans une plage de fonctionnement du moteur dit " stratifié ", l'essence peut être injectée en 15 direction du piston 3 de façon à faire rebondir le mélange airessence sur la face supérieure 30 du piston 3 pour venir autour du moyen d'allumage 6. La bougie 6 peut déclencher l'inflammation du mélange air-essence dans un intervalle de temps compris entre le début 20 de l'injection d'essence et 150 degrés vilebrequin après la fin de l'injection, et de préférence entre 20 et 80 degrés vilebrequin après la fin de l'injection. Au cours de l'injection (figure 2), l'essence injectée se mélange, à très haute pression selon l'invention, et s'atomise 25 très rapidement avec l'air à sa sortie de l'injecteur 5. Le mélange air-essence rebondit sur la face supérieure 30 du piston 3 et est projeté au voisinage de la bougie 6. Ce rebond peut être amplifié et guidé par une cavité 31, formée sur la face supérieure 30 du piston 3. Cette orientation relative de la 30 bougie et de l'injecteur et la très haute pression d'injection favorisent le rebond du mélange air-essence au voisinage du moyen d'allumage 6. Grâce à ce rebond rapide du mélange air-essence sur le piston 3 et à la distance relativement élevée entre l'injecteur 5 et la bougie 6, la plage temporelle d'allumage se trouve allongée selon l'invention. Cette caractéristique permet un fonctionnement optimal du moteur durant une période plus longue. Le moteur selon l'invention présente l'avantage de permettre un mélange air-essence plus homogène que dans les systèmes classiques, ainsi un dépôt de film liquide sur la face supérieure 30 du piston 3 est évité du fait de la bonne atomisation de l'essence obtenue grâce à la haute pression du 10 carburant injecté et l'orientation de l'essence injectée et de la bougie. D'autre part, les orientations relatives de l'injecteur 5 et de la bougie 6 ainsi que l'écartement possible de l'injecteur 5 et la bougie 6 présentent l'avantage de simplifier la conception 15 du moteur. Cet arrangement procure une plus grande liberté pour l'implantation des différents composants du moteur montés sur la culasse 2. La disposition relative de l'injecteur 5 et de la bougie 6 permet aussi une bonne accessibilité. Cette disposition facilite 20 le montage de l'injecteur 5 et de la bougie 6, ainsi que celui des autres composants montés sur la culasse 2 par un opérateur. D'autre part, selon une autre variante non représentée, le conduit d'admission 11, amenant l'air à la soupape d'admission 25 7, peut être courbé pour que l'air admis soit orienté sensiblement à l'encontre du jet d'essence. Le jet d'essence est alors amené autour de la bougie 6 à une vitesse élevée. Ce mouvement peut être favorisé par une légère cavité formée dans le piston 3. Cet arrangement correspond la technologie 30 connue sous le nom de " air-guided ". Le mode de réalisation présenté à la figure 3 se différencie de celui représenté aux figures 1 et 2 uniquement par le fait que l'injecteur 5 émet un jet d'essence 10 directement au voisinage de la bougie 6. Par souci de concision, les éléments identiques à ceux décrits ci-dessus sont désignés par les mêmes références numériques et ne sont pas décrits une seconde fois. Comme précédemment, l'injecteur 5 est disposé, dans la culasse 2, selon un axe X et 5 la bougie 6 est disposée selon un axe Y, de façon à ce que l'angle 0, entre l'axe X de l'injecteur 5, et l'axe Y de la bougie 6, soit supérieur à 350. Selon ce deuxième mode de réalisation, l'injecteur 5 et la bougie 6 sont disposés et espacés de telle façon que le moyen 10 d'injection 5 fournit un jet d'essence 10 selon une direction principale inclinée par rapport à l'axe X de l'injecteur 5. L'essence est injectée directement en direction de la bougie 6. La direction de propagation de l'essence 10 forme sensiblement un angle droit avec l'axe Y du moyen d'allumage 15 6. Le piston 3 peut présenter une cavité 32 formée sur la face supérieure 30 du piston 3. La cavité 32 assure un confinement de l'essence injectée dans la chambre de combustion 4. Ce mode de réalisation présente des avantages supplémentaires, il permet un meilleur confinement de l'essence et limite encore davantage les dispersions spatiotemporelles de la charge injectée. Le mélange airessence atteignant la bougie 6 est plus homogène. D'autre part, selon une autre variante non représentée, la soupape d'admission 7 peut être située entre l'injecteur 5 et la bougie 6, la soupape d'échappement 8 se trouve alors éloignée de l'injecteur 5 mais à proximité de la bougie 6. Dans ce cas, le jet d'essence 10 injecté vers la bougie 6 arrive à 30 proximité de la soupape d'échappement 8. La soupape d'échappement 8 chauffée par les précédentes combustions favorise l'évaporation de l'essence. La bonne évaporation de l'essence permet l'obtention d'un mélange air-essence homogène au voisinage de la bougie 6. Comme représenté à la figure 4, le moteur peut comporter, pour chaque cylindre 1, deux soupapes d'admission 7 situées d'un premier côté d'un plan axial médian P du cylindre 1, et deux soupapes d'échappement 8 situées d'un second côté de ce plan médian P. La bougie 6 peut être disposée sur l'axe Z du cylindre 1 et l'injecteur entre deux soupapes 7 ou 8. Par exemple, l'injecteur 5 est disposé soit entre deux soupapes d'échappement 8 (figure 4), soit entre deux soupapes d'admission 5 (figure 5), 10 soit entre une soupape d'admission 7 et une soupape d'échappement 8 (figure 6). D'autres configurations peuvent être envisagées, notamment celles représentant l'angle 0, entre l'axe X de l'injecteur 5, et l'axe Y de la bougie 6 supérieur à 900, et 15 notamment de l'ordre de 1200. La pression de l'essence fournie à l'injecteur 5 est supérieure à 250 bars, de préférence, entre 300 et 2000 bars. Cette injection à haute pression permet une meilleure atomisation du mélange air-essence et une meilleure 20 homogénéisation de la charge, notamment lorsque la pression de l'essence injectée atteint ou excède 500 bars. REVENDICATIONS 1. Moteur à combustion interne, à essence et à allumage 5 commandé comprenant au moins un cylindre (1), une culasse (2) obturant le cylindre (1), un piston (3) monté coulissant dans le cylindre (1), une chambre de combustion (4) définie dans le cylindre (1) entre une face supérieure (30) du piston (3) et une face inférieure (20) de la culasse (2), un moyen 10 d'injection (5) d'essence dans la chambre de combustion (4), un moyen (6) d'allumage destiné à produire une inflammation du mélange air-essence dans la chambre de combustion (4), des soupapes d'admission (7) et d'échappement (8) obturant sélectivement la chambre de combustion (4), une pompe (9) 15 d'injection destinée à fournir au moyen d'injection (5) de l'essence sous pression, caractérisé en ce que la pression fournie au moyen d'injection (5) dépasse 250 bars, et en ce que le moyen d'injection (5) et le moyen d'allumage (6) sont disposés dans la culasse selon deux axes (X, Y) respectifs 20 formant un angle (O) supérieur à 35 . 2. Moteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens d'allumage (6) et d'injection (5) et les soupapes (7, 8) sont disposés relativement de façon que dans un plan (P) passant par l'axe du cylindre (1), une soupape (7,8) est située 25 entre le moyen d'injection (5) et le moyen d'allumage (6). 3. Moteur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le moyen d'allumage (6) déclenche l'inflammation du mélange air-essence dans un intervalle de temps compris entre le début de l'injection et 150 degrés vilebrequin après la fin de 30 l'injection. 4. Moteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le moyen d'injection (5) est situé à proximité de la paroi du cylindre (1). 5. Moteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le moyen d'injection (5) et le moyen d'allumage (6) sont espacés d'une distance comprise entre 20 et 100 mm, et de préférence comprise entre 30 et 80 mm. 6. Moteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le moyen d'injection (5) est conformé et orienté de façon à projeter l'essence en direction du piston (3), de façon à faire rebondir le mélange air-essence dans une cavité (31) creusée sur la face supérieure (30) du piston (3) 1o pour amener l'essence autour du moyen d'allumage (6). 7. Moteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un conduit d'admission (11) destiné à alimenter la chambre de combustion (4) en air, le conduit d'admission (11) étant conformé de façon 15 à orienter l'air admis sensiblement à l'encontre du jet d'essence, pour confiner le mélange air-essence autour du moyen d'allumage (6). 8. Moteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le moyen d'injection (5) est conformé de 20 façon à injecter l'essence selon une direction principale inclinée par rapport à l'axe (X) du moyen d'injection (5), de façon à projeter l'essence directement vers le moyen d'allumage (6). 9. Moteur selon la revendication 8, caractérisé en ce que la 25 direction de propagation de l'essence (10) injectée par le moyen d'injection (5) forme sensiblement un angle droit avec l'axe (Y) du moyen d'allumage (6). 10. Moteur selon la revendication 8 ou 9, caractérisé en ce que le piston (3) présente une cavité (32), creusée sur sa face 30 supérieure (30) pour assurer un confinement de l'essence injectée dans la chambre de combustion (4). 11. Moteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que le moyen d'allumage (6) est disposé sur ou à proximité de l'axe (Z) du cylindre (1). 12. Moteur selon la revendication 11, caractérisé en ce qu'il comprend deux soupapes d'admission (7) situées d'un premier côté d'un plan axial médian (P) du cylindre (1) et deux soupapes d'échappement (8) situées d'un second côté de ce 5 plan médian (P), et en ce que le moyen d'injection (5) est disposé entre les deux soupapes d'admission (7). 13. Moteur selon la revendication 11, caractérisé en ce qu'il comprend deux soupapes d'admission (7) situées d'un premier côté d'un plan axial médian (P) du cylindre (1) et deux 10 soupapes d'échappement (8) situées d'un second côté de ce plan médian (P), et én ce que le moyen d'injection (5) est disposé entre une soupape d'admission (7) et une soupape d'échappement (8). 14. Moteur selon la revendication 11, caractérisé en ce qu'il 15 comprend deux soupapes d'admission (7) situées d'un premier côté d'un plan axial médian (P) du cylindre (1) et deux soupapes d'échappement (8) situées d'un second côté de ce plan médian (P), et en ce que le moyen d'injection (5) est disposé entre les deux soupapes d'échappement (8). 15. Moteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 14, caractérisé en ce que l'angle (0), entre l'axe (X) du moyen d'injection (5) et l'axe (Y) du moyen d'allumage (6), est compris entre 450 et 900, et est de préférence de l'ordre de 600 environ. 16. Moteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que l'angle (0), entre l'axe (X) du moyen d'injection (5) et l'axe (Y) du moyen d'allumage (6), est supérieur à 90 .