Brevet FR2849901A1 — publié le 20040716

Cylindre pour moteur à combustion interne et allumage par compression et moteur comprenant un tel cylindre La présente invention concerne un cylindre pour moteur à 5 combustion interne et allumage par compression et un moteur comprenant un tel cylindre. Plus particulièrement, la présente invention concerne un cylindre pour un moteur diesel à injection directe ainsi qu'un moteur fonctionnant selon un cycle Diesel et comportant au moins un cylindre selon l'invention. On connaît par exemple par le document EP 0849448 un cylindre pour moteur à combustion interne et allumage par compression comprenant une culasse, au moins une soupape d'admission et au moins une soupape d'échappement ménagées dans la culasse, un piston muni d'une tête formant un bol et mobile par rapport à la culasse et un injecteur de 15 carburant, l'espace compris entre la tête du piston et la culasse constituant la chambre de combustion. Les normes actuelles imposent une diminution importante des gaz d'échappement provenant de la combustion interne du carburant dans les moteurs. Les systèmes de traitement des gaz d'échappement avant leur rejet 20 dans l'atmosphère ne permettent qu'une diminution partielle de la pollution engendrée. Il est donc nécessaire d'améliorer la combustion dans le moteur. Dans le cas des moteurs Diesel, l'homogénéisation de la combustion à l'intérieur de la chambre de combustion du moteur permet, par la réduction des zones riches en carburant d'une part, et la dilution du mélange air25 carburant d'autre part, de réduire la quantité de particules formées pendant la combustion et les émissions d'oxydes d'azote du fait de la diminution des températures maximales de combustion. Il est connu, pour homogénéiser la combustion, d'utiliser les mouvements de l'air fiais entrant par la soupape d'admission du moteur 30 dans la chambre de combustion afin d'obtenir un mélange carburant-air et gaz de combustion-air plus homogène. L'air entrant dans le cylindre est en effet animé d'un mouvement tourbillonnaire autour de l'axe de symétrie du cylindre (mouvement communément appelé " swirl ") et d'un mouvement de culbute ou de tonneau (communément désigné par le terme " tumble "). 35 Diverses géométries de culasse et de piston permettent d'augmenter ces mouvements, l'injection du carburant ayant lieu en fin de compression, lorsque le piston est au point mort haut ou juste un peu après la fin de la compression. Ces mouvements sont en fait utilisés en fin de compression pour répartir les gaz de combustion vers la périphérie de la chambre de 5 combustion qui contient généralement encore de l'oxygène non consommé. Or, il s'avère que, d'une part, en dépit de ces mouvements d'air, l'injection en fin de compression ne permet pas d'atteindre un mélange carburant-air suffisamment homogène au moment de l'auto inflammation qui a lieu lorsque le piston est approximativement au point mort haut. Il est 10 donc nécessaire d'injecter le carburant soit au début de la phase de compression soit après le point mort haut dans des conditions de délai d'auto inflammation long. Dans le premier cas cité, le carburant injecté en début de phase de compression risque de percuter les parois de la chambre de combustion. La présente invention a pour but de proposer un cylindre qui permet un mélange air-carburant et/ou air-gaz de combustion homogène, que l'injection ait lieu en début ou en fin de phase de compression. L'invention vise notamment à exploiter au maximum l'air présent dans la chambre pour parfaire l'oxydation du mélange et des suies. Ce but est atteint au moyen d'un cylindre pour moteur à combustion interne et allumage par compression comprenant, de manière connue, une culasse, au moins une soupape d'admission et au moins une soupape d'échappement ménagées dans la culasse, un piston muni d'une tête formant un bol et mobile par rapport à la culasse et un injecteur de 25 carburant, l'espace compris entre la tête du piston et la culasse constituant la chambre de combustion. De manière caractéristique, selon l'invention, la culasse est en toit et le bol de la tête de piston est évasé, de manière à définir une chambre de combustion ouverte réalisant une optimisation de l'interaction entre le ou les jets de carburant générés par l'injecteur dans la 30 chambre de combustion et l'air contenu dans cette dernière, quelle que soit la position du piston. Ainsi, selon l'invention le mélange carburant-air est réalisé de manière prépondérante par l'interaction des jets de carburants avec l'air contenu dans la chambre de combustion. Cette optimisation peut également 35 selon le mode de réalisation permettre des mouvements de l'air et/ou du carburant et/ou des gaz de combustion favorisant un mélange homogène avec l'oxygène de l'air restant dans la chambre de combustion. Avantageusement, le bol ménagé dans la tête du piston et symétrique par rapport à l'axe de symétrie du piston forme un angle, en coupe selon un 5 plan parallèle à cet axe de symétrie, entre une droite tangente à la paroi latérale du bol et l'axe de symétrie, compris entre environ 5 et 600. Un tel angle permet d'obtenir d'une part un mélange particulièrement efficace de l'air et du carburant du fait des turbulences créées et un mélange homogène dans toute la chambre de combustion, du fait de l'orientation spécifique 10 imprimée au mélange gazeux en mouvement dans la chambre de combustion. Le cylindre de l'invention peut également comporter en outre des moyens de déflexion du ou des jets de carburant et/ou du mélange aircarburant vers le centre de ladite chambre de combustion. Selon un mode de réalisation particulier, les moyens de déflexion comportent un téton disposé sensiblement au centre de la tête du piston. Selon l'invention, la forme de la culasse n'est pas limitée. Elle peut former au-dessus de la tête du piston, un angle sensiblement compris entre 170'et 1200. De même, le type d'injecteur utilisé n'est pas limité selon l'invention. Il peut s'agir, par exemple, d'un injecteur qui comprend une buse comportant un nombre d'orifices inférieur ou égal à 24, l'angle du cône formé par les jets de carburant étant compris entre 30 et 160 . Un tel angle permet, en combinaison avec une cavité dont la paroi latérale forme 25 avec l'axe de symétrie du piston un angle tel que précité, d'optimiser la répartition du carburant dans la chambre de combustion et d'utiliser tout l'air qui y est disponible. Selon un mode de réalisation particulier, l'injecteur est disposé en retrait dans la culasse en toit. La culasse comprend donc un évidement qui 30 comporte une cavité principale s'étendant sensiblement selon l'axe de symétrie et délimitée dans sa partie supérieure par une paroi de fond o débouche le nez de l'injecteur et une paroi latérale de forme sensiblement ogivale tronquée. La présente invention, ses caractéristiques et les différents avantages qu'elle procure apparaîtront mieux à la lecture de la description qui suit en référence aux dessins annexés sur lesquels: - les figures lA et 1B représentent de manière schématique en demi5 coupe un cylindre conforme à l'invention en position respectivement haute et basse du piston, -la figure 2 est une vue schématique en demi-coupe analogue à la figure lA d'une variante de réalisation de l'invention, - la figure 3 représente une vue, en coupe selon un plan parallèle à 10 l'axe de symétrie du piston, d'un mode de réalisation détaillé du cylindre de l'invention du type de celui de la figure 2. Les figures lA et lB montrent une paroi la de cylindre de révolution autour de l'axe ZZ dans laquelle coulisse la tête 5a de piston comportant un bol 8a entouré d'une zone marginale 5b correspondant à la zone de chasse 15 7a de la chambre. Le bol 8a comporte un fond 8b, une partie centrale surélevée ou téton lOa et une paroi latérale 8c rejoignant la zone marginale 5b. Le bol 8a est évasé, c'est-à-dire que sa paroi latérale 8c forme avec l'axe ZZ un angle allant par exemple jusqu'à 60 . La zone marginale 5b peut être horizontale ou de préférence tronconique descendante comme représenté. 20 Elle peut aussi être quasiment supprimée auquel cas le bol s'étend pratiquement jusqu'à la paroi la du cylindre. La culasse a une paroi feu 2a en forme de toit et l'injecteur 6 est prévu au centre de la culasse. L'injecteur 6 envoie une nappe conique de jets 9 comprise globalement entre deux plans parallèles dans lesquels se créent des tourbillons (vortex) et 25 turbulences représentés par les flèches FA de part et d'autre de la nappe 9; la flèche GA symbolise la poussée du jet. Le dessin conjugué du bol 8a et de la paroi feu 2a de la culasse optimise l'accès du carburant à l'air situé dans la zone de chasse 7a. Ces mouvements aérodynamiques se maintiennent pendant la détente comme le montrent les flèches FB concernant le mélange 30 accéléré par les vortex et turbulences et la flèche GB symbolisant l'extraction des gaz brlés vers la zone de chasse. La figure 2 montre une variante de réalisation, qui sera détaillée dans la figure 3, dans laquelle la paroi tronconique en toit 2a de la culasse est pourvue en son centre d'une cavité 22 à paroi latérale 19, l'injecteur 6 étant 35 disposé en retrait dans cette cavité 22. Ce retrait permet de disposer de plus de place pour le déploiement de la nappe conique de jets 9, sans nécessairement rogner sur la zone de chasse 7a. En référence à la figure 3, le cylindre 1 qui est symétrique par rapport à l'axe ZZ comprend une paroi interne la et est équipé d'une 5 culasse 2 qui comprend une soupape d'admission 3 et une soupape d'échappement (non représentée sur la figure 1). Le piston 5 comprend une tête de piston 5a. Un injecteur de carburant 6 est disposé dans la culasse 2 et projette du carburant dans une région conique. En coupe, comme représenté sur la figure 1, l'angle maximum 6 formé entre deux jets de 10 carburant 9 est compris entre 300 et 60 . La face feu 2a de la culasse 2 forme au-dessus de la tête de piston Sa un angle a compris entre 1700 et 1200. La chambre de combustion 7 est définie comme l'espace compris entre la tête du piston 5a et la face feu 2a de la culasse 2. Cette chambre de 15 combustion 7 comprend une zone périphérique 7a proche de la paroi interne la du cylindre 1 et une zone centrale 7b qui correspond à une zone proche de l'axe ZZ. Les moyens d'optimisation 8 de l'interaction entre le ou les jets 9 de carburant générés par l'injecteur 6 et l'air ou le mélange air-carburant 20 contenu dans la chambre de combustion comportent dans le mode de réalisation particulier représenté, une cavité 8a ménagée dans la tête du piston. Cette cavité comporte un fond 8b et une paroi latérale 8c. La portion 5b de la tête du piston qui s'étend entre le bord 8d de la cavité 8a et la paroi interne la du cylindre constitue une zone de chasse. La paroi latérale 8c 25 forme avec l'axe ZZ un angle D compris entre 50 et 600. Dans l'exemple représenté, la portion 5b est inclinée vers la paroi interne la du cylindre. Selon une variante non représentée, cette zone de chasse 5b peut être plate, c'est-à-dire parallèle au fond 8b de la cavité Sa ou être inexistante, le bord 8d de la cavité venant au contact de la face interne 30 la du cylindre 1. De même, sur la figure 1, le fond 8b forme un angle avec la paroi latérale 8c. Il est également possible, selon l'invention de munir la tête de piston 5a d'une cavité 8a à fond plat ou concave qui remonte progressivement formant ainsi la paroi latérale 8c; dans ce cas, il n'existe pas d'angle entre la paroi latérale 8c et le fond 8b, ces deux éléments formant une même surface incurvée et continue. Dans l'exemple représenté sur la figure 1, la tête 5a du piston est équipée de moyens de déflexion 10 du ou des jets 9 de carburant et/ou du 5 mélange air carburant vers le centre 7b de la chambre de combustion 7. Dans l'exemple particulier représenté, ces moyens de déflexion 10 comprennent un téton lOa disposé au centre de la tête du piston 5a et symétrique par rapport à l'axe ZZ. La hauteur h de ce téton est de l'ordre de 20 à 100 % par rapport à la profondeur maximale du bol. Dans l'exemple représenté, la culasse 2 comporte également un évidement 2b qui s'étend sensiblement parallèlement à l'axe de symétrie ZZ du cylindre 1 et du piston 5. Dans cet évidement 2b débouchent l'injecteur de carburant 6 qui est connecté, de manière classique à un circuit d'alimentation en carburant sous pression non représenté. La quantité de 15 carburant injecté soit très tôt dans le cycle, dans la phase de compression, soit très tard dans la phase de détente est déterminée par un système électronique de contrôle moteur (non représenté) qui détermine le phasage et la durée d'ouverture de l'injecteur 6 suivant les conditions de fonctionnement du moteur et notamment, la charge et le régime. L'évidement 2b est formé par une cavité principale 22 s'étendant de préférence sensiblement dans l'axe ZZ. Pour des besoins d'implantation, l'axe de l'évidement 2b peut toutefois s'écarter de l'axe ZZ de quelques millimètres. La cavité principale 22 est délimitée dans sa partie supérieure par une paroi de fond 20 o débouche le nez de l'injecteur 6 et une paroi 25 latérale 19 de forme sensiblement ogivale tronquée o débouche la bougie de préchauffage 17. L'ouverture inférieure de cette cavité 22 peut être prolongée en direction des quatre pontets inter soupapes par au moins une cavité secondaire 21. Ces cavités secondaires ont pour principale fonction d'augmenter le 30 volume de l'évidement 2b, sans augmenter la profondeur de la cavité principale 22. Ainsi, il est possible de disposer d'un volume de confinement de dimensions appropriées sans affecter la compacité de la culasse et sans réduire la surface de chasse. Le nombre de ces cavités secondaires n'est pas limitatif; il est ainsi 35 possible de n'avoir que trois cavités secondaires: une s'étendant en direction du pontet d'admission et les deux autres s'étendant de part et d'autre de la cavité principale 22, parallèlement à une arête sommitale. De même, la forme et les dimensions de ces cavités secondaires 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 21 sont également liées à la forme de cette dernière. La cavité principale peut être de section circulaire (dans le cas o les orifices d'injection sont disposés et orientés suivant un cône appelé nappe) ou bien encore être parallèle à l'arête sommitale précitée ou être 10 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 de l'évidement 2b peut être réduit au minimum permis par les techniques de moulage/d'usinage, de façon à atteindre une forme sensiblement 15 cylindrique. L'injecteur de carburant 6 est monté à travers la culasse 2 parallèlement à l'axe ZZ de façon à ce que son nez d'injection débouche sensiblement au droit de la paroi de fond 20 de l'évidement 2b. Le fonctionnement de l'invention va maintenant être expliqué en 20 référence à la figure 1. Lorsque les jets 9 de carburants viennent frapper le fond 8b de la cavité 8a, ils sont déviés le long de la paroi latérale 8c de la cavité 8a (voir flèches de carburant Fl) et créent des turbulences, ce qui contribue à une première phase de mélange du carburant avec l'air. Puis, du fait notamment 25 du mouvement du piston et de la configuration particulière de la cavité 8a, le mélange carburant-air précédemment formé est dévié d'une part vers la paroi interne la du cylindre 1( pour les angles de jet inférieurs à 90 ), c'està-dire vers la zone périphérique 7a de la chambre de combustion 7 (voir flèches F2) et d'autre part, vers le centre 7b de la chambre de combustion 7 30 (voir flèches F3) (pour les angles de jet supérieurs à 120 ). Ces orientations successives imprimées soit au carburant soit au mélange air-carburant permettent d'obtenir un mouvement général qui génère un mélange homogène dans la chambre de combustion 7. La présence des moyens de déflexion 10 sous la forme du téton lOa permet d'orienter une partie des jets 9 et/ou du mélange air-carburant vers le centre 7b de la chambre de combustion 7 (voir flèches F4). A l'intérieur du volume de confinement que constitue l'évidement 5 2b, les mouvements aérodynamiques demeurent limités, en particulier dans la partie supérieure de l'évidement 2b. Il est donc possible de contrôler précisément la stratification du mélange carburé dans l'évidement 2b. De plus, pour des fonctionnements à fortes charges, il est possible d'obtenir une première phase de combustion limitée à l'évidement 2b, de 10 déroulement très rapide, proche d'une transformation isochore puis, lorsque le front de flamme quitte l'évidement 2b, pour atteindre le cylindre 1, une seconde phase de type transformation isobare. Un tel déroulement permet d'améliorer le rendement thermodynamique de la combustion pour une même température maximale de cycle, et de réduire simultanément les 15 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 vers la sortie de la cavité principale 22 et permettent donc de favoriser la propagation rapide de 20 front de flamme à l'ensemble de la chambre de combustion 7. Selon une variante de réalisation déjà mentionnée et non représentée,. on peut réduire la zone marginale 5b au point qu'aucune zone de chasse n'est créée du fait de la remontée du piston dans le cylindre. La turbulence 25 résiduelle au point mort haut provient uniquement du mouvement aérodynamique généré pendant l'admission et la compression; c'est l'énergie des jets 9 de carburant qui en combinaison notamment avec la cavité 8a réalise le mélange. La simplicité du piston permet de réduire les contraintes thermiques 30 ce qui est favorable à l'augmentation des performances du moteur. De préférence, on adaptera la configuration du cylindre, du piston et de la culasse en sorte d'obtenir un faible mouvement tourbillonnaire de l'air dans la chambre de combustion afin d'éviter l'impact des jets de carburant sur la paroi interne la du cylindre. D'une manière générale, la présente invention est mise en oeuvre de préférence dans des cylindres dont la culasse génère un faible mouvement aérodynamique (flux d'air tourbillonnant encore appelé " swirl " Nd/N compris entre 0 et 1.5 et flux d'air basculant, encore appelé " tumble " compris entre 0 et 2). L'injecteur utilisé peut être, par exemple, du type comportant un rail commun qui permet une grande flexibilité pour les pressions d'injection (de 200 à 25000 bars) et sur les phases d'injection (de 1 à 12 injections par cycle moteur, avec une quantité minimale par injection de 0,5 mm3/cp). Le taux de compression géométrique du cylindre de l'invention (rapport volumétrique de compression) peut être compris entre 12 et 20 et être fixe ou variable. La présente invention peut également être mise en oeuvre dans une configuration de moteur carré ou super carré, c'est-à-dire dans lequel le 15 diamètre du cylindre est égal ou supérieur à la course du piston ce qui augmente la longueur des jets de carburant libre. Concernant les phases d'injection, il est possible, du fait de l'utilisation d'un cylindre selon l'invention de réguler les phases d'injection en sorte d'obtenir de 1 à 12 injections précoces, c'est à dire avant le point 20 mort haut et donc avant la combustion qui débute légèrement avant le point mort haut ou une à 5 injections réparties avant le point mort haut et après le point mort haut, y compris en début de combustion. REVENDICATIONS 1. Cylindre (1) pour moteur à combustion interne et allumage par 5 compression comprenant une culasse (2), au moins une soupape d'admission (3) et au moins une soupape d'échappement ménagées dans ladite culasse (2) , un piston (5) muni d'une tête (5a) formant un bol (8a) et mobile par rapport à ladite culasse (2) et un injecteur (6) de carburant, l'espace compris entre la tête du piston (5a) et la culasse (2) constituant la 10 chambre de combustion (7), caractérisé en ce que la culasse (2) est en toit et le bol (8a) de la tête de piston est évasé, de manière à définir une chambre de combustion ouverte. 2. Cylindre (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le piston (5) présentant un axe de symétrie (ZZ) et comprend un bol (8a) ménagé 15 dans la tête du piston (5a), symétrique par rapport audit axe de symétrie (ZZ), l'angle (m) formé en coupe selon un plan parallèle audit axe de symétrie entre une droite tangente à la paroi latérale (8c) dudit bol (8a) et ledit axe de symétrie (ZZ) étant sensiblement compris entre 50 et 60 . 3. Cylindre (1) selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce 20 qu'il comporte en outre des moyens de déflexion (10) du ou des jets de carburant (9) et/ou du mélange air-carburant vers le centre (7b) de ladite chambre de combustion (7). 4. Cylindre (1) selon la revendication 3, caractérisé en ce que lesdits moyens de déflexion (10) comportent un téton (lOa) disposé sensiblement 25 au centre de la tête dudit piston (5a). 5. Cylindre (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la culasse (2) fonne au-dessus de la tête du piston (5a), un angle (O) sensiblement compris entre 170'et 1200. 6. Cylindre (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, 30 caractérisé en ce que ledit injecteur (6) comprend une buse comportant un nombre d'orifices inférieur ou égal à 24, les angles (3) de cônes fonnés par les jets (9) de carburant étant compris entre 30 et 160 . 7. Cylindre (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un évidement (2a) qui comporte 35 une cavité principale (22), ladite cavité principale (22) étant délimitée, dans sa partie supérieure, par une paroi de fond (20) o débouche le nez de l'injecteur (6) et une paroi latérale (19) de forme sensiblement ogivale tronquée. 8. Cylindre (1) selon la revendication 7, caractérisé en ce que ladite 5 cavité principale (22) se prolonge en direction des quatre pontets inter soupapes par au moins une cavité secondaire (21). 9. Moteur à combustion interne et allumage par compression caractérisé en ce qu'il comporte au moins un cylindre selon l'une quelconque des revendications 1 à 8.