Brevet FR2853357A1 — publié le 20041008

Moteur à combustion interne à injection d'essence à très haute pression et 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 10 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 au moment de l'allumage. Une solution pour réaliser une telle stratification est connue dans la technologie de l'injection directe essence. Dans cette technique, l'injecteur et le moyen d'allumage (par exemple bougie) doivent être disposés de façon relativement 30 proche. De plus, l'injection de carburant 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 de la bougie, et la face supérieure du piston peut comporter une cavité prévue pour assurer le confinement du carburant autour de la bougie. Cependant, cette technique présente l'inconvénient de 5 nécessiter un réglage très fin des positions et de l'orientation de l'injecteur et de la bougie dans la culasse du moteur (et notamment de la profondeur d'implantation de l'injecteur relativement à la bougie). De plus, dans cette technique, il y a une forte dépendance 10 entre la façon dont l'essence est injectée et les réglages d'Avance à l'injection et d'Avance à l'Allumage, qui influent sur le bon fonctionnement du moteur. C'est-à-dire que la robustesse du réglage de l'Avance à l'injection-Avance à l'Allumage est faible. Une autre technique connue de stratification consiste à injecter le carburant en direction du piston qui est conformé pour guider ce dernier vers la bougie. Cependant, cette technique présente également plusieurs inconvénients. En effet, pour permettre au carburant de 20 transiter de l'injecteur à la bougie via le piston, l'injecteur et la bougie doivent être relativement éloignés l'un de l'autre. De plus, l'allumage doit être déclenché relativement tard, c'est-àdire au moment ou le carburant dévié arrive au niveau de la bougie. Ces deux contraintes posent le problème de la 25 dispersion spatiale et temporelle du mélange carburé au niveau de la bougie. 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 30 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 de l'essence fournie au moyen d'injection dépasse 250 bars, et en ce qu'au moins dans une plage de fonctionnement du moteur dit "stratifié", l'essence est injectée en direction du piston, de façon à faire rebondir le mélange air-essence sur une face supérieure du piston pour venir autour d'au moins un point d'allumage créé par le moyen d'allumage, le moyen d'allumage 5 déclenchant l'inflammation du mélange air-essence pendant la phase d'injection d'essence et/ou après la fin de cette injection. Par ailleurs, l'invention peut comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes - la face supérieure du piston comporte une cavité conformée pour accentuer le rebond de l'essence injectée et la guider vers le moyen d'allumage, - la cavité est asymétrique et forme une rampe de guidage pour le carburant, l'extrémité supérieure de la rampe formant 15 une crête sur la face supérieure du piston, - l'extrémité supérieure de la rampe formant une crête est plus proche du moyen d'injection que du moyen d'allumage, - l'extrémité supérieure de la rampe formant une crête est plus proche du moyen d'allumage que du moyen d'injection, - le moyen d'allumage déclenche l'inflammation du mélange air-essence dans un intervalle de temps compris entre le début de l'injection et cent degrés vilebrequin après la fin de l'injection, et de préférence entre le début de l'injection et cinquante degrés vilebrequin après la fin de l'injection, - 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, le moyen d'allumage étant disposé entre les deux soupapes d'échappement ou entre une soupape 30 d'échappement et une soupape d'admission - le moyen d'allumage est disposé sensiblement sur l'axe du cylindre, le moteur comprenant 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, le moyen d'injection étant disposé entre les deux soupapes d'admission ou entre une soupape d'échappement et une soupape d'admission, ou entre deux soupapes d'échappement. - le moyen d'injection et le moyen d'allumage sont relativement proches, c'est-à-dire espacés d'une distance comprise entre cinq et cinquante millimètres environ, - le moyen d'injection est disposé sur ou à proximité de 10 l'axe du cylindre, - le moyen d'injection est disposé incliné par rapport à l'axe du cylindre, de façon à orienter l'essence injectée sur le piston du côté du moyen d'allumage. D'autres particularités et avantages apparaîtront à la 15 lecture de la description ci-après, faite en référence aux figures dans lesquelles: - la figure 1 représente une vue en coupe schématique et partielle d'un moteur à combustion interne selon l'invention, - les figures 2 à 4 représentent des vues en coupe 20 schématiques et partielles d'un moteur à combustion interne selon, respectivement trois autres modes de réalisation de l'invention, - la figures 5 représente une vue de dessous de la face inférieure de la culasse du moteur illustré à la figure 1, - les figures 6 à 9 représentent des vues analogues à celles de la figure 5, illustrant respectivement quatre 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 30 cylindre 1, un piston 3 monté coulissant dans le cylindre 1. Une chambre de combustion 4 est définie dans le cylindre 1 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 5 la chambre de combustion 4. L'injecteur 5 est alimenté par une pompe 18 d'injection destinée à fournir à l'injecteur 5 de l'essence sous pression. Un moyen 6 d'allumage tel qu'une bougie plonge également dans la chambre de combustion 4 pour produire une inflammation du mélange air-essence dans 10 la chambre de combustion 4 à un instant déterminé. 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 9 et un conduit 15 d'échappement 10. Le moyen d'injection 5 est disposé par exemple sur l'axe Z de symétrie du cylindre 1. Selon une caractéristique avantageuse de l'invention la pression de l'essence fournie à l'injecteur 5 dépasse 250 bars. 20 De plus, au moins dans une plage de fonctionnement du moteur dit "stratifié", l'essence est injectée en direction du piston 3 de façon à faire rebondir le mélange air-essence sur une face supérieure 30 du piston 3 pour venir autour du moyen 6 d'allumage, la bougie 6 d'allumage déclenchant 25 l'inflammation du mélange air-essence. De préférence, l'injection a lieu pendant la phase de compression. C'est-à-dire que le moteur à essence à allumage commandé est à injection dite "pseudo-directe". L'essence injectée selon l'invention se mélange et s'atomise très rapidement avec l'air à sa sortie de l'injecteur 5 mais conserve une quantité de mouvement suffisamment importante pour créer un impact important sur le piston 3 permettant un rebond rapide et satisfaisant autour du point d'allumage de la bougie 6. Le moteur selon l'invention présente une robustesse de réglage de l'Avance à l'injection et de l'Avance à l'Allumage 5 améliorée par rapport à l'art antérieur. En effet, grâce au rebond rapide du mélange air/essence sur le piston 3, l'invention permet d'élargir la plage temporelle d'allumage, plus tard après la fin de l'injection par rapport à un moteur à injection directe essence et à jet direct, tout en conservant de 1o bonnes conditions de combustion. Le moteur selon l'invention présente une sensibilité plus faible aux dispersions géométriques des positions relatives de l'injecteur 5 et de la bougie 6 du fait de l'utilisation du rebond sur le piston de l'essence injectée à très haute pression, ce qui 15 améliore la distribution de la charge par rapport à la bougie 6. De préférence, le moyen 6 d'allumage déclenche l'inflammation du mélange air-essence dans un intervalle de temps compris entre le début de l'injection et 100 degrés vilebrequin après la fin de l'injection, et de préférence entre le 20 début de l'injection et 50 degrés vilebrequin après la fin de l'injection. Comme représenté, la face supérieure 30 du piston 3 peut comporter une cavité 31 conformée pour accentuer le rebond de l'essence injectée et la guider vers la bougie 6. De préférence également, l'injecteur 5 et le moyen 6 d'allumage sont relativement proches, c'est-à-dire espacés d'une distance comprise entre 5 et 50 mm environ, et de préférence entre 5 et 30 mm. Il est entendu que cette proximité est relative en fonction de la cylindrée du moteur. Cette proximité entre injecteur 5 et bougie 6 limite les dispersions spatio-temporelles de la charge injectée. Ceci se manifeste par une plus grande régularité (et robustesse) lors de la succession des cycles du moteur. C'est-à-dire qu'il n'y a pas de dispersion dans les conditions de combustion, mais au contraire une bonne reproductibilité de celles-ci. Par soucis de concision, les même éléments constitutifs des modes de réalisation des figures 2 à 4 sont désignés par 5 les même références numériques et ne sont pas décrits à nouveau en détail. Le mode de réalisation représenté à la figure 2 se distingue de celui illustré à la figure 1 uniquement par le fait que l'injecteur 5 est disposé de façon inclinée par rapport à 10 l'axe Z du cylindre 3, de façon à orienter l'essence injectée sur le piston 3 du côté de la bougie 6. L'angle d'inclinaison peut, par exemple, être supérieur à O degré et inférieur à 30 degrés environ. Le mode de réalisation représenté à la figure 3 se 15 distingue quant à lui de celui illustré à la figure 1 par le fait que la cavité 31 du piston présente un profil en forme de vague. Plus précisément, la cavité 31 est asymétrique et forme une rampe de guidage pour le carburant, l'extrémité supérieure 32 de la rampe formant une crête sur la face supérieure 30 du 20 piston 3, la crête 32 étant plus proche de l'injecteur 5 que de la bougie 6. La variante de réalisation de la figure 4 se distingue de celle de la figure 3 par le fait que l'injecteur 5 est disposé de façon inclinée par rapport à l'axe Z du cylindre 3, de façon à 25 orienter l'essence injectée sur le piston 3 du côté de la bougie 6. L'angle d'inclinaison peut, par exemple, être supérieur à O degré et inférieur à 30 degrés environ. En outre, la crête 32 formée par la cavité est plus proche de la bougie 6 que de l'injecteur 5. Bien entendu, d'autres combinaisons des caractéristiques d'architecture décrites ci-dessus entrent dans le cadre de l'invention. Comme représenté à la figure 6, 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 5 ce plan médian P. La bougie 6 peut être disposée quant à elle soit entre une soupape d'échappement 8 et une soupape d'admission 7 (figure 5), soit entre les deux soupapes d'échappement 8 (figure 6). Alternativement, la bougie 6 peut être disposée sur l'axe Z 10 du cylindre 1 et l'injecteur 5 entre deux soupapes. Par exemple, l'injecteur 5 est disposé soit entre les deux soupapes d'admission 7 (figure 7), soit entre une soupape d'échappement 8 et une soupape d'admission 7 (figure 8), soit entre les deux soupapes d'échappement 8 (figure 9). La pression de l'essence fournie à l'injecteur 5 est comprise entre 250 et 2500 bars et, de préférence, entre 300 et 2000 bars. Cette injection à haute pression permet une meilleure atomisation du mélange air-essence et une meilleure homogénéisation de la charge, notamment lorsque la pression 20 de l'essence injectée atteint ou excède 500 bars. R E V E N D I C A T IO N S 1. Moteur à combustion interne, à essence et à allumage commandé comprenant au moins un cylindre (1), une culasse (2) obturant le cylindre (1), un piston (3) monté coulissant 5 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 d'injection (5) d'essence dans la chambre de combustion (4), un moyen (6) d'allumage destiné à produire une inflammation 10 du mélange air-essence dans la chambre de combustion, des soupapes d'admission (7) et d'échappement (8), obturant sélectivement la chambre de combustion (4), une pompe (18) d'injection destinée à fournir au moyen d'injection (5) de l'essence sous pression, caractérisé en ce que la pression de 15 l'essence fournie au moyen d'injection (5) dépasse 250 bars, et en ce qu'au moins dans une plage de fonctionnement du moteur dit "stratifié", l'essence est injectée en direction du piston (3), de façon à faire rebondir le mélange air-essence sur une face supérieure (30) du piston (3) pour venir autour 20 d'au moins un point d'allumage créé par le moyen (6) d'allumage, le moyen (6) d'allumage déclenchant l'inflammation du mélange air-essence pendant la phase d'injection d'essence et/ou après la fin de cette injection. 2. Moteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la 25 face supérieure (30) du piston (3) comporte une cavité (31) conformée pour accentuer le rebond de l'essence injectée et la guider vers le moyen (6) d'allumage. 3. Moteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que la cavité (31) est asymétrique et forme une rampe de guidage 30 pour le carburant, l'extrémité supérieure (32) de la rampe formant une crête sur la face supérieure (30) du piston (3). 4. Moteur selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'extrémité supérieure (32) de la rampe formant une crête est plus proche du moyen d'injection (5) que du moyen (6) d'allumage. 5. Moteur selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'extrémité supérieure (32) de la rampe formant une crête est plus proche du moyen (6) d'allumage que du moyen d'injection (5). 6. Moteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, 10 caractérisé en ce que le moyen (6) d'allumage déclenche l'inflammation du mélange airessence dans un intervalle de temps compris entre le début de l'injection et cent degrés vilebrequin après la fin de l'injection, et de préférence entre le début de l'injection et cinquante degrés vilebrequin après la fin iS de l'injection. 7. Moteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, 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 20 second côté de ce plan médian (P), et en ce que le moyen d'allumage (6) est disposé entre les deux soupapes d'échappement (8) . 8. Moteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comprend deux soupapes d'admission 25 (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'allumage (6) est disposé entre une soupape d'échappement (8) et une soupape d'admission (7). 9. Moteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le moyen d'allumage (6) est disposé sensiblement sur l'axe (Z) du cylindre (1) et 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 il soupapes d'échappement (8) situées d'un second côté de ce plan médian (P), et en ce que le moyen d'injection (8) est disposé entre les deux soupapes d'admission (7). 10. Moteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, 5 caractérisé en ce que le moyen d'allumage (6) est disposé sensiblement sur l'axe (Z) du cylindre (1) et 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 10 plan médian (P), et en ce que le moyen d'injection (5) est disposé entre une soupape d'échappement (8) et une soupape d'admission (7). 11. Moteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le moyen d'allumage (6) est disposé 15 sensiblement sur l'axe (Z) du cylindre (1), et 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 plan médian (P), et en ce que le moyen d'injection (5) est 20 disposé entre les deux soupapes d'échappement (8). 12. Moteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que le moyen d'injection (5) et le moyen (6) d'allumage sont relativement proches, c'est-à-dire espacés d'une distance comprise entre cinq et cinquante millimètres 25 environ. 13. Moteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le moyen d'injection (5) est disposé sur ou à proximité de l'axe (Z) du cylindre (1). 14. Moteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, 30 caractérisé en ce que le moyen d'injection (5) est disposé incliné par rapport à l'axe (Z) du cylindre (1), de façon à orienter l'essence injectée sur le piston (3) du côté du moyen d'allumage (6).