Brevet FR2853352A1 — publié le 20041008

Moteur à essence à injection variable L'invention se rapporte à un moteur à combustion interne à injection variable. L'invention concerne plus particulièrement un moteur à combustion interne à essence comprenant au moins un cylindre, une culasse obturant le cylindre, un piston monté coulissant dans le cylindre, une chambre de combustion définie dans le cylindre entre une face supérieure du piston et 10 une face inférieure de la culasse, des moyens 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 dans au moins une plage de fonctionnement du moteur, des soupapes 15 d'admission et d'échappement, obturant sélectivement la chambre de combustion, les moyens d'injection étant conformés pour injecter l'essence dans la chambre de combustion sélectivement ou cumulativement selon au moins deux distributions sensiblement coniques ayant des angles de 20 cônes distincts. Les mélanges carburés qui résultent de l'injection de 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 25 dernier cas, la partie du mélange carburé qui a un rapport air/carburant inflammable est localisée près du point d'allumage au moment de l'allumage. Une solution pour réaliser une telle stratification est connue dans la technologie de l'injection directe essence. 30 Dans cette technique, l'injecteur et le moyen d'allumage (par exemple bougie) doivent être disposés de façon relativement 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 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 10 relativement à la bougie). De plus, dans cette technique, il y a une forte dépendance 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 15 robustesse du réglage de l'Avance à l'injectionAvance 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 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-à25 dire au moment o le carburant dévié arrive au niveau de la bougie. Ces deux contraintes posent le problème de la dispersion spatiale et temporelle du mélange carburé au niveau de la bougie. De plus, le potentiel de gain de consommation est plus faible que dans le cas du concept à jet 30 direct. Il est connu des injecteurs dits "à double nappe', qui permettent d'injecter du carburant selon deux configurations. Le nez d'un tel d'injecteur, c'est-à-dire son extrémité, possède deux rangées distinctes de trous de passage. Une aiguille peut être déplacée dans le nez pour découvrir soit une première rangée (1 ère nappe d'injection active), soit les deux rangées (1èe et 2Id nappes d'injection actives). 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 selon l'invention, par ailleurs conforme à la définition générique qu'en donne le préambule ci-dessus, est essentiellement caractérisé en ce que les moyens d'injection sont conformés de façon que la pression de 10 l'essence injectée dans chacune des distributions dépasse 250 bars. Par ailleurs, l'invention peut comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes: - les moyens d'injection sont conformés pour injecter 15 l'essence dans la chambre de combustion sélectivement ou cumulativement selon une première distribution dite "à angle resserré" et une seconde distribution dite "à angle ouvert", - dans au moins une plage de fonctionnement du moteur dit "stratifié", les moyens d'injection injectent l'essence dans la 20 chambre de combustion uniquement selon la distribution à angle resserré et 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, - dans au moins une plage de fonctionnement du moteur dit "stratifié", les moyens d'injection injectent l'essence dans la chambre de combustion selon la distribution à angle ouvert de façon qu'au moins une partie de l'essence injectée passe directement à proximité d'un point d'allumage créé par le 30 moyen d'allumage, - le moteur comporte des moyens de recirculation dans la chambre de combustion d'au moins une partie des gaz brûlés, et dans au moins une plage de fonctionnement du moteur dit "à auto-allumage stratifié", les moyens d'injection injectent l'essence dans la chambre de combustion selon la distribution à angle resserré de façon obtenir une inflammation spontanée du mélange air-essence-gaz brûlés recirculés, - les moyens d'injection sont conformés de façon que chaque distribution de l'essence injectée est constituée d'une pluralité de jets distincts et adjacents formant les génératrices d'une surface sensiblement conique, - les moyens d'injection et le moyen d'allumage sont 10 disposés dans la culasse selon deux axes distincts formant un angle supérieur à 35 degrés environ et de préférence de l'ordre de 60 degrés environ, - les moyens d'injection et le moyen d'allumage sont disposés dans la culasse selon deux axes distincts formant un 15 angle inférieur à 35 degrés environ. 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 20 partielle d'un moteur à combustion interne selon une première variante de réalisation de l'invention, lors d'un premier mode de fonctionnement, - la figure 2 représente une vue en coupe schématique et partielle du moteur de la figure 1, lors d'un second mode de 25 fonctionnement, - la figure 3 représente un détail des moyens d'injection du moteur des figures 1 et 2, - la figure 4 représente une vue en coupe schématique et partielle d'un moteur à combustion interne selon une seconde 30 variante de réalisation de l'invention, lors d'un premier mode de fonctionnement, - la figure 5 représente une vue en coupe schématique et partielle du moteur de la figure 3, lors d'un second mode de fonction nement. L'invention va à présent être décrite en référence à un s premier mode de réalisation représenté aux figures 1 à 3. Le moteur selon l'invention comprend 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 est définie dans le cylindre 1 entre une face supérieure 30 du 10 piston 3 et une face inférieure 20 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 pompe 18 d'injection destinée à fournir à l'injecteur 5 de 15 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 la chambre de combustion 4 à un instant déterminé. Le moteur comporte également une ou plusieurs soupapes 20 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. L'injecteur 5 est disposé par exemple sur l'axe X de 25 symétrie du cylindre 1. La bougie 6 peut être disposée selon un axe Y formant un angle de l'ordre de 30 à 40 degrés environ avec l'axe X de l'injecteur 5. Le nez 15 de l'injecteur 5 est conformé de façon à permettre une injection d'essence dans la chambre 4 de 30 combustion sélectivement ou cumulativement selon au moins deux distributions 9, 10 sensiblement coniques ayant des angles de cônes distincts. C'est-à-dire que le nez 15 de l'injecteur 5 présente un premier groupe de trous prévus pour injecter un premier jet dit "resserré" 9 constitué d'une pluralité de jets distincts et adjacents formant les génératrices d'une surface sensiblement conique. L'angle de cette surface conique resserrée est de préférence inférieur à 90 degrés et de préférence de l'ordre de 30 à 60 degrés. Le nez 15 de l'injecteur 5 présente un second groupe de trous prévus pour injecter un second jet dit "ouvert" 10 constitué d'une pluralité de jets distincts et adjacents formant les génératrices d'une surface sensiblement conique. L'angle de cette surface conique ouverte est de préférence supérieur à 1o 90 degrés et de préférence de l'ordre de 120 degrés environ. Le jet resserré 9 est par exemple situé à l'intérieur du jet 10 ouvert. Selon une caractéristique de l'invention, la pression de l'essence fournie par la pompe 18 à l'injecteur 5 dépasse 250 15 bars de façon que la pression de l'essence injectée dans chacune des distributions 9, 10 dépasse 250 bars. La distribution de l'essence injectée ainsi que la pression d'injection selon l'invention favorisent le mélange air-essence et l'atomisation très rapide de l'essence à sa sortie de 20 l'injecteur 5, ce qui améliore la combustion. La pression de l'essence fournie à l'injecteur 5 est comprise, 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 25 charge, notamment lorsque la pression de l'essence injectée atteint ou excède 500 bars. Dans au moins une plage de fonctionnement du moteur dit "stratifié", l'injecteur 5 peut être commandé pour injecter l'essence dans la chambre 4 de combustion uniquement selon 30 la distribution 9 à angle resserré et en direction du piston 3 (figure 1). L'essence injectée selon l'invention s'atomise très rapidement, 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. la face supérieure 30 du piston 3 peut comporter à cet effet une cavité prévue pour guider le rebond de la charge vers la bougie 6. Cette combustion en mode dit à jet "pseudo-direct" a une stabilité améliorée par rapport aux combustions par voie pseudo-directe de l'art antérieur, notamment pour les plages de fonctionnement du moteur à très faibles charges. Dans une autre plage de fonctionnement du moteur dit 10 "stratifié", l'injecteur 5 peut injecter l'essence dans la chambre de combustion 4 selon la distribution 10 à angle ouvert et, simultanément, selon la distribution à angle resserré 9, de façon qu'au moins une partie de l'essence injectée passe à proximité du point d'étincelle de la bougie 6. Dans ce mode de combustion dit à jet direct, la distribution et la pression de l'injection selon l'invention améliorent la vitesse d'évaporation du carburant qui permet un gain de consommation du moteur, en particulier lors du fonctionnement à charge partielle. Le moteur peut comporter des moyens connus de recirculation dans la chambre de combustion 4 d'au moins une partie des gaz brûlés (non représentés aux figures par soucis de simplification). Ces gaz brûlés peuvent être recyclés par exemple par voie externe (EGR) ou, de préférence, par voie 25 interne (IGR) au moyen d'un système de distribution variable. Dans le cas o le moteur fonctionne avec un fort taux de gaz recyclés, l'injection selon l'invention à haute pression et avec une distribution 9 de carburant à angle resserré permet d'obtenir inflammation spontanée du mélange air-essence-gaz 30 brûlés recirculés dans la chambre 4 de combustion. Dans ce cas, l'injection d'essence peut être réalisée de façon relativement tardive dans le cycle de combustion, c'est-à-dire à proximité du Point Mort Haut Combustion. Les figures 4 et 5 illustrent une variante de réalisation de l'invention. Par soucis de simplification, les éléments identiques à ceux décrits cidessus sont désignés par les mêmes références numériques et ne sont pas décrits à nouveau en détail. Dans cette variante de réalisation, l'injecteur 5 et la bougie 6 sont disposés dans la culasse 2 selon deux axes X, Y distincts formant un angle de l'ordre de 60 degrés environ. La bougie 6 est disposée selon l'axe de symétrie du cylindre 1. 10 C'est-à-dire que l'injection est dite latérale. Dans cette configuration, l'injection à très haute pression selon l'invention peut également être réalisée selon la distribution 9 à angle resserré et en direction du piston 3, c'est-à-dire avec rebond (figure 4), ou selon la distribution 10 à 15 angle ouvert et simultanément à angle resserré 9, de façon qu'au moins une partie de l'essence injectée passe directement à proximité du point d'étincelle de la bougie 6 (figure 5). On obtient selon cette architecture du moteur les mêmes 20 effets et avantages que ceux décrits ci dessus en référence au premier mode de réalisation (figures 1 et 2). REVENDICATIONS 1. Moteur à combustion interne à essence comprenant au moins un cylindre (1) une culasse (2) obturant le cylindre (1), un piston (3) monté coulissant dans le cylindre (1), une 5 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), des moyens d'injection (18, 5, 15) d'essence dans la chambre de combustion (4), un moyen (6) d'allumage destiné à produire une inflammation du mélange io air-essence dans la chambre de combustion dans au moins une plage de fonctionnement du moteur, des soupapes d'admission (7) et d'échappement (8), obturant sélectivement la chambre de combustion (4), les moyens d'injection (18, 5, 15) étant conformés pour injecter l'essence dans la chambre 15 (4) de combustion sélectivement ou cumulativement selon au moins deux distributions (9, 10) sensiblement coniques ayant des angles de cônes distincts, caractérisé en ce que les moyens d'injection (18, 5, 15) sont conformés de façon que la pression de l'essence injectée dans chacune des distributions 20 (9, 10) dépasse 250 bars. 2. Moteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens (18, 5, 15) d'injection sont conformés pour injecter l'essence dans la chambre (4) de combustion sélectivement ou cumulativement selon une première distribution (9) dite "à 25 angle resserré" et une seconde distribution (10) dite "à angle ouvert". 3. Moteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que dans au moins une plage de fonctionnement du moteur dit "stratifié", les moyens (18, 5, 15) d'injection injectent l'essence 30 dans la chambre (4) de combustion uniquement selon la distribution (9) à angle resserré et 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 d'au moins un point d'allumage créé par le moyen (6) d'allumage. 4. Moteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que dans au moins une plage de fonctionnement du moteur dit "stratifié", les moyens (18, 5, 15) d'injection injectent l'essence dans la chambre (4) de combustion selon la distribution (10) à angle 5 ouvert de façon qu'au moins une partie de l'essence injectée passe directement à proximité d'un point d'allumage créé par le moyen (6) d'allumage. 5. Moteur selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de recirculation io dans la chambre de combustion (4) d'au moins une partie des gaz brûlés, et en ce que dans au moins une plage de fonctionnement du moteur dit "à auto-allumage stratifié", les moyens (18, 5, 15) d'injection injectent l'essence dans la chambre (4) de combustion selon la distribution (9) à angle 15 resserré de façon obtenir une inflammation spontanée du mélange air- essence-gaz brûlés recirculés. 6. Moteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens d'injection (18, 5, 15) sont conformés de façon que chaque distribution (9, 10) 20 de l'essence injectée est constituée d'une pluralité de jets distincts et adjacents formant les génératrices d'une surface sensiblement conique. 7. Moteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens d'injection (18, 25 5, 15) et le moyen (6) d'allumage sont disposés dans la culasse (2) selon deux axes (X, Y) distincts formant un angle supérieur à 35 degrés environ et de préférence de l'ordre de degrés environ. 8. Moteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, 30 caractérisé en ce que les moyens d'injection (18, 5, 15) et le moyen (6) d'allumage sont disposés dans la culasse (2) selon deux axes (X, Y) distincts formant un angle inférieur à 35 degrés environ.