Brevet FR2868480A1 — publié le 20051007

MOTEUR A COMBUSTION INTERNE A INJECTION DIRECTE L'invention concerne un moteur à combustion interne et plus particulièrement un moteur à injection directe. La présente invention concerne plus particulièrement les moteurs du type à allumage par compression fonctionnant selon le cycle Diesel. La présente invention concerne également un piston pour moteur à combustion interne pour réaliser un tel moteur. On connaît, par exemple par les documents US 5 150 677 ou US 5 868 112, un moteur à injection directe de carburant comprenant un carter dans lequel sont disposés plusieurs cylindres, des pistons venant coulisser dans les cylindres et une culasse fermant l'extrémité supérieure du carter. La culasse comprend pour chaque cylindre: des conduits d'admission et d'échappement obturés sélectivement par au moins une (de préférence deux) soupape d'admission montée dans la culasse, au moins (de préférence deux) une soupape d'échappement montée dans la culasse. Un injecteur de carburant est également logé dans la culasse en regard de chacun des cylindres, cet injecteur débouchant dans la partie inférieure de la culasse en regard du cylindre, approximativement au centre de celuici. Les pistons sont conformés pour présenter sur leur face supérieure orientée vers la culasse, une cavité centrale en forme de bol profilé 30 entourée d'une zone de chasse annulaire. Pour chaque cylindre, la chambre de combustion de ce type de moteur est ainsi formée par la surface de la culasse en regard du cylindre, la paroi supérieure cylindrique du carter orientée vers la culasse et la surface supérieure du piston. De la forme de cette chambre de combustion dépend la qualité de la préparation du mélange carburé et de là, la qualité de la combustion. Cette forme est donc soigneusement étudiée notamment vis-à-vis du jet de carburant injecté et du positionnement des soupapes d'admission et d'échappement. De très nombreuses formes de profil du bol ménagé dans la tête du piston ont été proposées tant dans le but d'améliorer les performances du piston que dans celui de limiter les émissions de fumées liées à une mauvaise élimination des suies. D'une manière générale, les chambres de combustion Diesel à injection directe sous haute pression ou common rail utilisées actuellement, présentent les traits suivants: - le bol du piston est axisymétrique et d'axe vertical: il comporte une partie centrale ou téton surélevée se raccordant à une paroi latérale ou extérieure qui peut être verticale ou comporter une concavité. La partie centrale peut être en forme de cône d'angle alpha, comme montré dans les brevets mentionnés ci-dessus; exceptionnellement, la partie latérale peut être évasée, comme montré dans les brevets US4662319, US4161165 ou US4242948, mais la préférence va généralement à une forme concave - l'injecteur envoie plusieurs jets (au moins quatre) de carburant sous haute pression (une pression supérieure à 600 bars) disposés sur un cône d'angle bêta, appelé angle de nappe, et d'axe coïncidant avec l'axe du bol, ce dispositif d'injection de carburant dans la chambre de combustion présente traditionnellement une unique nappe de jets de carburant; - l'injection principale se fait près du point mort haut (PMH), c'est-à- dire près du plan de la culasse; - les axes de carburant intersectent la paroi extérieure du bol lorsque le piston est au point mort haut, comme on le voit par exemple sur les figures du document US4635597, et il en résulte un mouvement tourbillonnaire d'axe horizontal destiné à dévier le mélange d'abord vers le bas puis le centre du bol. On pensait généralement que cette technique antérieure était globalement satisfaisante. Cependant, des études plus approfondies du déroulement de la combustion ont permis à la Demanderesse de constater une utilisation incomplète du volume de la cavité par la combustion à haut régime: de l'oxygène reste non utilisé, ce qui dégrade la combustion et les émissions polluantes ou encore dégrade les performances pour un même niveau d'émissions de polluants. Par ailleurs, même à faible régime, il existe un risque de confinement de la combustion dans la cavité et de mauvaise utilisation de la zone du cylindre lorsque le piston descend. Il est possible d'améliorer la répartition du carburant dans la chambre de combustion en utilisant un injecteur ayant la particularité de permettre la création de deux nappes de jets de carburant (au moins quatre par nappe), appelé injecteur bi-nappe. On pourra se référer aux références WO0242631, DE10058153, pour une description de ces injecteurs. Ce type d'injecteur permet d'injecter le carburant dans la chambre de combustion sélectivement ou cumulativement selon une première nappe dite nappe à angle ouvert et une seconde nappe dite nappe à angle resserré . L'injecteur bi-nappe permet un fonctionnement avec une seule nappe (de préférence la nappe 1) principalement en charge partielle (ou point de fonctionnement moteur faiblement chargé) et ainsi autorise l'utilisation d'une faible perméabilité afin d'apporter un gain en terme d'émission de polluants. Dans un second type de fonctionnement, principalement à haut régime et forte charge, les deux nappes de l'injecteur sont ouvertes et permettent d'améliorer les performances du moteur. L'invention proposée consiste donc à proposer dans le cadre d'un moteur équipé d'injecteur bi-nappes, une forme optimisée de la cavité ménagée dans le piston adaptée tout à la fois à un fonctionnement de l'injecteur avec les deux nappes ouvertes (point de fonctionnement fortement chargé) et à un fonctionnement mono-nappe à faible charge. L'invention a pour but d'améliorer le fonctionnement et les performances d'un moteur, par une utilisation optimale du volume de la cavité à tous les régimes. L'invention consiste plus précisément à optimiser la forme de la cavité pour permettre une répartition optimum du carburant issu d'un injecteur bi-nappe. Le moteur à combustion interne selon l'invention comprend un carter comportant un alésage cylindrique, une culasse, un piston logé dans l'alésage, un injecteur de carburant piloté par des moyens électroniques de contrôle. Selon l'invention ce moteur est caractérisé en ce que l'injecteur est adapté pour injecter le carburant selon une première et/ou une seconde nappe distincte et en ce que le piston comporte une cavité destinée ä coopérer avec ces nappes lors du passage du piston au voisinage du point mort haut, la cavité étant conformée de façon à présenter une gorge annulaire inférieure et une gorge annulaire supérieure, ces gorges étant séparées par un redan, la gorge inférieure étant agencée pour recevoir la seconde nappe et ladite gorge supérieure étant agencée pour recevoir la première nappe. Selon une autre caractéristique du moteur objet de l'invention, les première et seconde nappes sont sensiblement coniques et sensiblement coaxiales, la première nappe enveloppant la seconde nappe. Selon une autre caractéristique du moteur objet de l'invention, le sommet de la première nappe s'étend à une distance du plan de joint de la culasse sensiblement inférieure à la distance séparant le sommet de ladite seconde nappe audit plan de joint de la culasse. Selon une autre caractéristique du moteur objet de l'invention, la première nappe présente un angle au sommet compris entre 140 et 175 et en ce que ladite seconde nappe présente un angle au sommet compris entre 90 et 160 . Selon une autre caractéristique du moteur objet de l'invention, la cavité ménagée dans le piston comporte une paroi de fond présentant une protubérance centrale faisant face à l'injecteur. Selon une autre caractéristique du moteur objet de l'invention, la protubérance centrale est de forme sensiblement conique et la protubérance centrale est agencée de façon à pouvoir être balayée par la seconde nappe. Selon une autre caractéristique du moteur objet de l'invention, la cavité ménagée dans le piston comporte un second redan s'étendant au voisinage de l'ouverture de la cavité, le second redan étant agencé de façon à pouvoir être impacté par la première nappe. 2868480 6 Selon une autre caractéristique du moteur objet de l'invention, la gorge supérieure est prolongée en direction de l'ouverture de la cavité par une paroi évasée destinée à être impactée par la première nappe. Selon une autre caractéristique du moteur objet de l'invention, la cavité ménagée dans le piston satisfait la relation: 0.4 Selon une autre caractéristique du moteur objet de l'invention, la cavité ménagée dans le piston satisfait la relation: 5% Sur la figure 1, le carter du moteur 1 selon l'invention comprend un cylindre 2 pourvu d'un alésage 3. Le cylindre 2 est fermé à son extrémité supérieure par une culasse 4 surmontant ledit carter. Un piston 5 est monté coulissant dans l'alésage 3 du cylindre 2. Entre la surface supérieure 6 du piston 5, le haut de l'alésage 3 et la surface inférieure en regard de la culasse 4, se trouve délimitée une chambre de combustion 7. La culasse 4 comprend des moyens d'admission de gaz d'admission formés par au moins un conduit 8 débouchant dans le toit de la chambre 7 par une ouverture 9 coopérant avec une soupape de commande 10 apte à être actionnée entre une position fermée d'obturation de l'ouverture 9 et une position ouverte d'admission des gaz. La soupape 10 comprend une tige de commande 11 et une tête d'obturation 12 de forme tronconique, dont la surface périphérique inclinée vient en contact avec une surface correspondante de l'ouverture 9 formant siège de soupape pour fermer l'ouverture 9. La culasse 4 comprend des moyens d'échappement des gaz brûlés formés par au moins un conduit d'échappement 13 débouchant dans le toit de la chambre 7 par une ouverture 14 apte à être fermée par une soupape de commande 15 comprenant une tige d'actionnement 16 et une tête d'obturation 17. La culasse 4 comprend également un moyen d'injection de carburant formé par un injecteur 18 piloté recevant à une entrée extérieure le carburant sous une pression adaptée et possédant à une extrémité en saillie dans la chambre 7 une tête d'injection 19 apte à pulvériser le carburant sous forme de fines gouttelettes dans la chambre 7 au moment approprié déterminé par le système de contrôle moteur non figuré, lequel pilote notamment l'instant d'injection et la durée d'injection (c'est-à-dire la quantité injectée). Le piston 5 comprend une tête 20 dont la surface supérieure 6 en regard de la culasse forme la paroi inférieure de la chambre 7, et une jupe 21 assurant le guidage du piston en translation dans le cylindre 2. Le piston 5 comprend également une patte de fixation comprenant un axe sur lequel est fixée la tête d'une bielle permettant de transformer le mouvement de translation du piston 5 en mouvement de rotation d'un vilebrequin, non représentés sur la figure 1. Lors de la rotation du vilebrequin du moteur, le piston 5 se déplace entre une position de point mort bas, ou PMB, éloignée de la culasse 4, et une position de point mort haut, ou PMH, proche de la culasse 4. En se reportant aux figures 2, 3a et 3b, on a détaillé la tête d'injection 19 de l'injecteur central de carburant 18. Cette tête d'injection 19 de type bi-nappe présente une première série de trous 191 destinés à produire une première nappe conique de carburant N1, d'angle au sommet béta1. Cette nappe N1 est formée, par exemple, par au moins quatre trous et donc quatre jets de carburant. La tête d'injection 19 de type bi-nappe présente une seconde série de trous 192, ménagés sous les trous de la première nappe en direction du piston. Cette seconde série de trous étant destinés à produire une seconde nappe conique de carburant N2, d'angle au sommet béta2. Cette nappe N2 est formée, par exemple, par au moins quatre trous et donc quatre jets de carburant. La première nappe N1 a un angle au sommet beta 1 compris entre 140 et 175 , et le point de concours de ses jets est situé à une distance D21 du plan de joint de la culasse 4. La seconde nappe N2 a un angle au sommet beta2 compris entre 90 et 150 degrés, et le point de concours de ses jets est situé à une distance D22 du plan de joint de la culasse 4. Les distances D21 et D22 sont dépendantes de la géométrie de l'injecteur et de son implantation dans la culasse, D21 demeurant toutefois sensiblement inférieure à la distance D22. Il existe différentes possibilités de disposer les trous 191 de la première nappe N1 et les trous 192 de la seconde nappe N2, les uns par rapport aux autres. Une première réalisation représentée à la figure 3a consiste à disposer les trous de telle façon à ce que les jets soient superposés. Dans un deuxième mode de réalisation représentée à la figure 3b, les trous sont disposés en quinconce. L'injecteur 18 est conformé pour pouvoir être sélectivement piloté par le système de contrôle moteur pour opérer l'injection de carburant selon l'une et/ ou l'autre des nappes N1, N2 et ce, selon le point de fonctionnement du moteur. Ainsi à forte charge, le carburant est injecté simultanément via les deux nappes N1 et N2, alors qu'en charge partielle, le carburant est injecté sous la forme de la seule nappe N1. En se reportant aux figures 4a et 4b, la surface supérieure 6 du piston 5 comprend une cavité centrale 22. Dans les exemples illustrés, cette cavité 22 est entourée d'une zone de chasse 23 circulaire sensiblement plate faisant face à la surface inférieure correspondante de la culasse 4. Cette zone de chasse présentée s'étendant perpendiculairement à l'axe du piston pourrait bien évidemment ne pas l'être. Dans le mode de réalisation de la figure 4a, pris à titre d'exemple nullement limitatif, la cavité centrale 22 est symétrique de révolution selon l'axe principal du piston 5. Cette cavité 22 est formée à partir de son ouverture d'une paroi bombée en redan R1, d'une gorge annulaire encore appelée gorge supérieure, puis d'une autre gorge annulaire 26 encore appelée gorge inférieure, les deux gorges annulaires étant séparées par une deuxième paroi bombée R2 en redan, et enfin d'une paroi de fond comportant en saillie une protubérance centrale 28. Dans le mode de réalisation de la figure 4b, pris à titre d'exemple nullement limitatif, la cavité centrale 22 est symétrique de révolution selon l'axe principal du piston 5, et comprend une ouverture 24, une paroi latérale évasée E, deux gorges annulaires 25 et 26, séparées par une paroi bombée R2 en redan et une paroi de fond comportant en saillie une protubérance centrale 28. La protubérance centrale 28 commune aux deux modes de réalisation est, par exemple, de forme conique et son sommet arrondi est conformé pour se trouver à une distance D 1 (généralement entre 4mm et 6mm) du plan de joint de la culasse 4 lorsque le piston 5 est au PMH. Cette protubérance centrale 28 conique est adaptée pour avoir un angle au sommet sensiblement voisin de béta2, l'angle au sommet de la seconde nappe N2, et un positionnement adapté pour que la seconde nappe N2 vienne le balayer et soit ainsi dirigée vers le fond de la gorge 26. Dans le premier mode de réalisation, le redan R1 est positionné pour recevoir la première nappe N1 tandis que le deuxième mode de réalisation, décrit à la figure 4b, c'est la paroi évasée E qui reçoit la nappe N1. Dans le premier mode de réalisation représenté sur les figures 4a et 5a, les diamètres maximaux de la cavité 22 sont définis respectivement par les grandeurs Dbol1 au droit de la gorge annulaire supérieure 25, et Dbo12 au droit de la gorge annulaire inférieure 26, les diamètres minimaux sont respectivement définis par les grandeurs Dcol 1 au niveau du redan R1 et Dco12 au niveau du redan R2. Hbol représente la profondeur maximale de la cavité 22 par rapport à l'ouverture 24. Enfin, H représente la profondeur du redan R2 par rapport à l'ouverture 24. Dans le second mode de réalisation représenté sur les figures 4b et 5b, le diamètre maximal de la cavité 22 au droit de la gorge annulaire inférieure 26 est défini par la grandeur Dbol2, le diamètre minimal de la cavité 22 est défini par la grandeur Dcol2 au niveau du redan R2, le diamètre maximal de la cavité 22 au droit de la gorge annulaire supérieure 25 est défini par la grandeur Dbol l, et theta représente l'angle que fait la paroi évasée E avec la verticale. Hbol représente la profondeur maximale de la cavité 22 par rapport à l'ouverture 24. Enfin, H représente la profondeur du redan R2 par rapport à l'ouverture 24. En se reportant aux figures 4a et 4b, on voit l'interaction des deux nappes de carburant N1 et N2 et de la cavité 22. Cette situation correspond à un fonctionnement à forte charge où la quantité de carburant injectée est la plus importante et où le carburant se trouve injecté à travers les deux nappes N1 et N2, en configuration superposée. Pour favoriser la préparation du mélange air/carburant nécessaire au bon déroulement de la combustion, il est important que la nappe N2 remplisse bien la gorge annulaire inférieure 26 où s'opère le mélange air/ carburant et n'interfère pas directement avec la nappe N1. Il est par ailleurs important que la nappe N1 soit bien répartie à la fois vers la zone de chasse et vers le centre de la chambre de combustion 7. Dans le mode de réalisation présenté à la figure 4a, cette répartition est assurée par le redan arrondi supérieur R1 qui reçoit la nappe N1 et limite la pénétration de la nappe N1 en direction de la cavité annulaire supérieure 25. Dans le mode de réalisation présenté à la figure 4b, cette répartition est assurée par la paroi évasée E qui trouve particulièrement sa justification lorsque le piston redescend, favorisant ainsi l'évacuation du carburant vers les zones de chasse. Afin de bien optimiser cette répartition de carburant dans un fonctionnement en bi-nappe, il est nécessaire de faire en sorte que le rapport entre le diamètre du bol Dbo12 au droit de la gorge annulaire inférieure 26 et sa profondeur Hbol soit bien proportionné, c'est-à-dire que le rapport Dbol2/Hbol soit compris entre 2,8 et 3,6. Ainsi, on dispose d'une géométrie permettant d'obtenir un espace suffisamment profond pour ménager le redan R2. D'autre part, il est nécessaire de faire en sorte que le rapport entre les diamètres Dboll et Dbol2 au droit des gorges annulaires supérieure 25 et inférieure 26 soit bien proportionné, c'est-à-dire que le rapport Dbol1/Dbo12 soit compris entre 0,8 et 1,2. Ces deux contraintes permettent de d'obtenir la richesse recherchée tout en permettant aux deux nappes de jets N1 et N2 de carburant de ne pas être en interférence l'une avec l'autre Dans le but de favoriser le guidage du carburant dans la cavité 22 comme le montrent les figures 5a et 5b, le redan R2 ne doit pas être trop proéminent et respecter la contrainte géométrique définie par la relation ((max(Dboll, Dbol2) - Dcol2)/max(Dboll, Dbol2)) Afin de bien positionner le redan R2 dans la cavité, et ménager l'espace nécessaire aux deux gorges annulaires supérieure 25 et inférieure 26 recevant respectivement les deux nappes N1 et N2, il est important que le rapport H / Hbol soit compris entre 0.4 et 0.8. Dans le mode de réalisation décrit aux figures 4a et 5a, le redan supérieur R1 est destiné à recevoir le jet de carburant issus de la nappe N1. Sa fonction est de bien répartir d'une part vers la gorge supérieure 25 et d'autre part vers la zone de chasse 23 le carburant. Ce redan R1 ne doit pas étre trop proéminent et respecter la contrainte géométrique définie par la relation ((max(Dbol1, Dbol2) - Dcoll) /max(Dboll, Dbol2)) Dans le mode de réalisation décrit aux figures 4b et 5b, la paroi évasée E est destiné à recevoir le jet de carburant issus de la nappe N1. Sa fonction est de bien guider le carburant vers les zones de chasses 23 lorsque le piston redescend. Cette paroi évasée forme un angle theta avec la verticale préférablement compris entre 0 et 5 . Cette configuration de la cavité 22 est également bien adaptée à un mode de fonctionnement où seule la nappe N1 est présente. Cette configuration est généralement utilisée pour un fonctionnement du moteur en charge partielle. Des études approfondies du déroulement de la combustion pour un système de combustion Diesel conventionnel ont permis de constater une utilisation incomplète du volume de la cavité 22 par la combustion à haut régime: de l'oxygène reste non utilisé, ce qui dégrade la combustion et les émissions polluantes ou encore dégrade les performances pour un même niveau d'émissions de polluants. L'invention proposée permet d'améliorer la répartition du carburant dans la chambre de combustion en utilisant un injecteur ayant la particularité de permettre la création de deux nappes de jets de carburant combinée à une forme optimisée de la cavité 22 ménagée dans le piston, la cavité 22 étant conformée de façon à présenter une gorge annulaire inférieure 26 destinée à recevoir le nappe N2 et une gorge annulaire supérieure 25 destinée à recevoir la nappe N1, ces gorges étant séparées par un redan R2. Pour s'assurer du bon déroulement de la combustion, il est nécessaire de se concentrer sur la création d'une bonne préparation du mélange air/carburant en optimisant l'utilisation de l'oxygène disponible dans la chambre de combustion tout en limitant les zones de sur-richesses responsables de la formation des particules. D'un côté, l'invention propose de limiter au maximum l'interaction des deux jets de carburant N1 et N2 par la mise en place d'un redan R2 jouant un rôle de déflecteur de l'écoulement aérodynamique dans la cavité 22. D'un autre côté, la nappe N2 coopère avec le téton central 28 afin de confiner le carburant juste nécessaire pour consommer l'oxygène disponible dans la cavité 26. De façon symétrique, la nappe N1 est destinée à coopérer avec la cavité 25 pour consommer l'oxygène restant disponible dans la cavité 22. REVENDICATION 1. Moteur à combustion interne comprenant un carter (1) comportant un alésage cylindrique (3), une culasse (4), un piston (5) logé dans ledit alésage (3), un injecteur de carburant (18) piloté par des moyens électroniques de contrôle, caractérisé en ce que ledit injecteur (18) est adapté pour injecter le carburant selon une première et/ou une seconde nappe distincte (N1, N2) et en ce que ledit piston comporte une cavité (22) destinée à coopérer avec lesdites nappes lors du passage du piston (5) au voisinage du point mort haut, ladite cavité (22) étant conformée de façon à présentée une gorge annulaire inférieure (26) et une gorge annulaire supérieure (25), lesdites gorges étant séparées par un redan (R2), ladite gorge inférieure (26) étant agencée pour recevoir ladite seconde nappe (N2) et ladite gorge supérieure étant agencée pour recevoir ladite première nappe (Ni). 2. Moteur à combustion interne selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdites première et seconde nappes (N1, N2) sont sensiblement coniques et sensiblement coaxiales, ladite première nappe (Ni) enveloppant ladite seconde nappe (N2). 3. Moteur à combustion interne selon la revendication 2, caractérisé en ce que le sommet de ladite première nappe (N 1) s'étend à une distance (D21) du plan de joint de la culasse (4) sensiblement inférieure à la distance (D22) séparant le sommet de ladite seconde nappe (N2) audit plan de joint de la culasse (4). 4. Moteur à combustion interne selon la revendication 2, caractérisé en ce que ladite première nappe (Ni) présente un angle au sommet (béta1) compris entre 140 et 175 et en ce que ladite seconde nappe (N2) présente un angle au sommet (béta2) compris entre 90 et 160 . 5. Moteur à combustion interne selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite cavité (22) comporte une paroi de fond présentant une protubérance centrale (28) faisant face à l'injecteur (18). 6. Moteur à combustion interne selon la revendication 5, caractérisé en en ce que ladite protubérance centrale (28) est de forme sensiblement conique et en ce que ladite protubérance centrale (28) est agencée de façon à pouvoir être balayée par ladite seconde nappe (N2). 7. Moteur à combustion interne selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite cavité (22) comporte un second redan (R1) s'étendant au voisinage de l'ouverture (24) de ladite cavité (22), ledit second redan (R1) est agencé de façon à pouvoir être impacté par ladite première nappe (N 1). 8. Moteur à combustion interne selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite gorge supérieure (25) est prolongée en direction de l'ouverture (24) de ladite cavité par une paroi évasée (E) destinée à être impactée par ladite première nappe (Ni). 9. Moteur à combustion interne selon la revendication 6, caractérisé en 25 ce que la cavité (22) satisfait la relation: 0.4 10. Moteur à combustion interne selon la revendication 6, caractérisé en ce que la cavité (22) satisfait la relation: 5%