Brevet FR2866393A1 — publié le 20050819

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 entourée d'une zone de chasse annulaire. Pour chaque cylindre, la chambre de combustion de ce type de moteur est 30 ainsi formée par la surface de la culasse en regard du cylindre, la paroi 2866393 2 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 . 2866393 4 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 le cylindre, un injecteur de carburant piloté par des moyens électroniques de contrôle. Selon l'invention, le moteur est caractérisé en ce que l'injecteur est adapté pour injecter le carburant selon une première nappe et/ou une seconde nappe distincte et en ce que le piston comporte une cavité destinée à coopérer avec lesdites nappes lors du passage du piston au voisinage du point mort haut, la cavité étant conformée de façon que les deux nappes n'interfèrent pas directement lorsque l'injection du carburant est opérée simultanément selon la première et la seconde nappes. 2866393 5 Selon une autre caractéristique du moteur objet de l'invention, les première et second nappes de carburant 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 ladite première nappe de carburant s'étend à une distance du plan de joint de la culasse sensiblement inférieure à la distance séparant le sommet de la seconde nappe de carburant du plan de joint de la culasse. Selon une autre caractéristique du moteur objet de l'invention, la première nappe présente un angle au sommet (beta1) compris entre 140 et 175 . Selon une autre caractéristique du moteur objet de l'invention, la seconde nappe présente un angle au sommet (béta2) compris entre 90 et 160 . Selon une autre caractéristique du moteur objet de l'invention, la cavité ménagée dans la tête du piston comprend une gorge annulaire délimitée vers l'ouverture de la cavité par un redan et une protubérance centrale faisant face à l'injecteur. Selon une autre caractéristique du moteur objet de l'invention, le redan s'étendant dans la cavité ménagée dans la tête du piston est agencé de façon à pouvoir être impacté par ladite première nappe. Selon une autre caractéristique du moteur objet de l'invention, la protubérance centrale s'étendant dans la cavité ménagée dans la tête du piston est de forme sensiblement conique et est agencée de façon à pouvoir être balayée par la seconde nappe de carburant. Selon une autre caractéristique du moteur objet de l'invention, la cavité ménagée dans la tête du piston satisfait la relation: 2,8 Selon une autre caractéristique du moteur objet de l'invention, la cavité 5 ménagée dans la tète du piston satisfait la relation: 5% La présente invention et ses avantages seront mieux compris à l'étude de la description détaillée d'un mode de réalisation donné à titre d'exemple non limitatif et illustré par les dessins annexés, sur lesquels: - la figure 1 représente une vue en coupe schématique et partielle 15 d'un moteur à combustion interne; - les figures 2, 3a et 3b représentent des vues schématiques en coupe d'un injecteur bi-nappe; - la figure 4 est une vue partielle en coupe axiale précisant la forme d'un piston selon l'invention; la figure 5 est une vue de détail du piston représenté à la figure 4 précisant les zones d'impact des jets de carburant, lorsque le piston 25 se trouve au voisinage du point mort haut. Sur la figure 1, un carter de moteur 1 comprend un cylindre 2 pourvu d'un alésage 3 et fermé à son extrémité supérieure par une culasse 4. Un piston 5 coulisse dans l'alésage 3 du cylindre 2, en formant entre la surface supérieure 6 du piston, le haut de l'alésage 3 et la surface inférieure en regard de la culasse 4 une chambre de combustion 7. 2866393 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, et 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 améliorant 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. 2866393 8 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 béta l. 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 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 deuxième nappe N2 a un angle 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. Il existe différentes possibilités de disposer les trous 191 de première nappe N1 et les trous 192 de la seconde nappe N2, les uns par rapport aux autres. Une première réalisation, cf. la figure 3a consiste à disposer les trous de telle façon à ce que les jets soient superposés. Dans un 2866393 9 deuxième mode de réalisation, cf. la figure 3b, les trous sont disposés en quinconce. L'injecteur 18 est conformé pour pouvoir sélectivement piloter 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 a 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 sur la figure 4, la surface supérieure 6 du piston 5 comprend une cavité centrale 22. Dans l'exemple illustré, cette cavité 26 est entourée d'une zone de chasse 23 circulaire sensiblement plate faisant face à la surface inférieure 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 4, 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 définissant premier gorge 25, une seconde gorge annulaire 26 et entre les deux, une zone de raccordement bombée 27, encore appelée redan (ou réentrant) et une paroi de fond comportant en saillie une protubérance centrale 28. Cette protubérance centrale 28 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 et un positionnement adapté pour que la seconde nappe N2 vienne le balayer et soit ainsi dirigée vers le fond de la gorge 26. Le redan 27 est lui positionné pour recevoir la première nappe N 1. 2866393 10 Le diamètre maximal de la cavité 26 est défini par la grandeur Dbol au droit de la seconde gorge annulaire 26, et le diamètre minimal au niveau du redan 27 est Dcol. Enfin, Hbol représente la profondeur maximale de la cavité 22 par rapport à l'ouverture 24. En se reportant à la figure 5, 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 N 1 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 26 où s'opère le mélange air/ carburant et n'interfère 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. Cette répartition est assurée par le redan arrondi 27 qui reçoit la nappe N1 et limite la pénétration de la nappe N1 en direction de la cavité annulaire 26. 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 Dbol et sa profondeur Hbol soit bien proportionné, c'est-à-dire que le rapport Dbol/Hbol soit compris entre 2, 8 et 3,6. Ainsi, on dispose d'un espace permettant 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. D'un autre côté, afin de favoriser l'éjection des gaz situés dans la cavité 22 vers la zone de chasse 23 lors de la détente c'est-à-dire lors de la descente du piston 5, le pourcentage de redan défini par le rapport (Dbol - Dcol)/Dbol* 100 doit être compris entre 5% et 9%. 2866393 11 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. Les angles d'ouverture de cette nappe proposés par la Demanderesse permettent d'injecter le carburant conformément à un concept dit conventionnel où un injecteur à une seule nappe est monté. Bien évidemment, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisations qui ont été spécifiquement décrits dans le courant des exemples ci-dessus et qu'elle s'étend au contraire à toute variante utilisant des moyens équivalents. REVENDICATION 1. Moteur à combustion interne comprenant un carter (1) comportant un alésage cylindrique (3), une culasse (4), un piston (5) logé dans ledit cylindre, 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 nappe et/ou une seconde nappe distincte (N1, N2) et en ce que ledit piston comporte une cavité (26) destinée à coopérer avec lesdites nappes lors du passage du piston (5) au voisinage du point mort haut, ladite cavité (26) étant conformée de façon que les deux nappes n'interfèrent pas directement lorsque l'injection du carburant est opérée simultanément selon ladite première et ladite seconde nappes (N1,N2). 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) 30 compris entre 140 et 175 . 5. Moteur à combustion interne selon la revendication 2, caractérisé en ce que ladite seconde nappe (N2) présente un angle au sommet (béta2) compris entre 90 et 160 . 6. Moteur à combustion interne selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite cavité comprend une gorge annulaire (26) délimitée vers l'ouverture (24) de la cavité (23) par un redan (27) et une protubérance centrale (28) faisant face à l'injecteur (18). 7. Moteur à combustion interne selon la revendication 6, caractérisé en en ce que ledit redan (27) est agencé de façon à pouvoir ètre impacté par ladite première nappe (NI). 8. Moteur à combustion interne selon l'une quelconque des revendications 6 ou 7, 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). 9. Moteur à combustion interne selon la revendication 6, caractérisé en ce que la cavité (22) satisfait la relation: 2,8 10. Moteur à combustion interne selon la revendication 6, caractérisé en ce que la cavité (22) satisfait la relation: 5%