Brevet FR2863309A1 — publié le 20050610

Moteur à combustion interne à allumage commandé et procédé de stratification pour haute suralimentation d'un tel moteur. La présente invention concerne un moteur à combustion interne à allumage commandé pour véhicule automobile et un procédé de stratification pour haute suralimentation d'un mélange carburé pour un tel moteur. Un moteur à combustion interne comprend généralement un carter dans lequel est formé au moins un cylindre, une culasse fermant une extrémité supérieure du cylindre, et un piston destiné à coulisser avec un mouvement alternatif entre deux positions extrêmes dans le cylindre. La culasse comprend au moins un orifice d'admission d'air et au moins un moyen d'injection de carburant entre le piston et la culasse. La culasse comprend également au moins un orifice d'échappement des gaz de combustion permettant le refoulement du mélange de carburant et de l'air admis, après combustion du carburant. Les moteurs à allumage commandé offrent la possibilité d'un fonctionnement avec des mélanges dits "homogènes", c'est à dire des mélanges carburés contenant une quantité d'air par rapport à la quantité de carburant uniforme dans tout le cylindre, ou avec des mélanges dits "hétérogènes" ou stratifiés, c'est à dire des mélanges carburés contenant une quantité d'air par rapport à la quantité de carburant non uniforme dans le cylindre. Un moteur à allumage commandé fonctionnant avec des mélanges stratifiés permet d'atteindre des couples spécifiques par litre de cylindrée plus importants que les couples spécifiques obtenus avec des mélanges homogènes. On connaît par la demande de brevet WO 01/73277, un moteur à combustion interne à allumage commandé comprenant une culasse, fermant une extrémité supérieure d'un cylindre muni d'une cavité, comprenant deux orifices d'admission d'air, deux orifices d'échappement des gaz de combustion, une bougie placée au centre de la chambre et un injecteur de carburant disposé entre les deux orifices d'admission d'air. Au cours du processus de combustion, une turbulence d'air est générée par une valve d'entrée entre la bougie et la cavité du cylindre, puis le carburant est injecté contre la cavité du cylindre et la turbulence d'air afin de réaliser un mélange hétérogène. Cette solution présente l'inconvénient de ne pas permettre une stratification optimale du mélange, la portion de jet de carburant impactant la cavité du cylindre conduisant à une diffusion trop grande du carburant et la turbulence d'air n'entraînant que partiellement le jet de carburant. La présente invention a donc pour objet de résoudre cette difficulté afin de prévoir un moteur à combustion interne à allumage commandé qui puisse réaliser une stratification améliorée d'un mélange carburé. A cet effet, le moteur à combustion interne à allumage commandé pour véhicule automobile comprend au moins un cylindre et une culasse obturant le cylindre et définissant une chambre de combustion, la culasse comprenant au moins un orifice d'admission d'air, au moins un orifice d'échappement des gaz de combustion et au moins un moyen d'injection de carburant. Le moyen d'injection de carburant est monté de façon à déboucher dans le cylindre, dans une zone latérale en position décalée vers la périphérie par rapport à l'axe du cylindre entre l'orifice d'admission et l'orifice d'échappement. Un tel moteur à combustion présente l'avantage d'avoir un moyen d'injection de carburant agencé de façon que le jet de carburant émis soit directement et entièrement impacté par le flux d'air débouchant de l'orifice d'admission d'air avant que celui-ci n'entre en contact avec les parois du cylindre. En outre, le moteur à combustion ne nécessite pas de prévoir des conduites spécifiques d'amenée d'air afin de générer un flux d'air apte à entraîner le carburant dans la chambre de combustion. De préférence, le moyen d'injection de carburant est disposé 10 dans un plan médian du cylindre. Un axe du moyen d'injection de carburant peut être avantageusement incliné par rapport à l'axe du cylindre de façon à orienter un jet de carburant en direction du bord de la chambre de combustion, dans un intervalle allant de 0 à 30 . De préférence, le moteur comprend un moyen d'allumage aligné sur l'axe du cylindre. Dans un mode de réalisation, le moteur comprend un moyen d'injection de carburant, deux orifices d'admission disposés de part et d'autre d'un plan médian du cylindre et un moyen d'allumage disposé symétriquement par rapport au moyen d'injection en considérant le plan médian. Le moteur peut avantageusement comprendre au moins un moyen d'allumage disposé dans le plan médian. Dans un mode de réalisation, le moteur comprend deux orifices d'admission d'air et un orifice d'échappement des gaz de combustion. Le moteur peut également comprendre deux orifices d'admission d'air et deux orifices d'échappement des gaz de combustion. L'invention concerne également un procédé de stratification d'un mélange carburé pour moteur à combustion interne à allumage commandé dans lequel on injecte du carburant dans un cylindre, dans une zone latérale en position décalée vers la périphérie par rapport à l'axe du cylindre entre un orifice d'admission et entre un orifice d'échappement. De préférence, on injecte le carburant à l'intérieur du cylindre de façon synchronisée avec la phase d'admission de l'air. La présente invention et ses avantages seront mieux compris à l'étude de la description détaillée de modes de réalisations pris à titre d'exemples nullement limitatifs et illustrés par les dessins annexés, sur lesquels: la figure 1 représente une vue en coupe d'une chambre à combustion d'un moteur, selon un premier mode de réalisation de l'invention; -la figure 2 est une vue de dessus de la chambre de combustion du moteur de la figure 1; -la figure 3 est une vue de dessus de la chambre de combustion d'un moteur, selon un second mode de réalisation de l'invention; - la figure 4 est une vue de dessus de la chambre de combustion d'un moteur, selon un troisième mode de réalisation de l'invention; et - la figure 5 est une vue de dessus de la chambre de combustion d'un moteur, selon un quatrième mode de réalisation de l'invention. Sur la figure 1, un carter de moteur 1 comprend un cylindre 2 pourvu d'un alésage 3 et fermé à une extrémité supérieure par une culasse 4. Un piston 5 coulissant dans l'alésage 3 du cylindre 2, comprend une tête 8 dont la surface supérieure 6 et la culasse 4 forme une chambre 7. Le piston 5 comprend également une jupe 9 améliorant son guidage en translation dans le cylindre 2 et une patte de fixation 10 comprenant un axe 11 sur lequel est fixée la tête 12 d'une bielle 13 permettant de transformer le mouvement de translation du piston 5 suivant un axe 14 en mouvement de rotation d'un vilebrequin (non représenté). La culasse 4 comprend un premier moyen d'allumage 15, par exemple une bougie, positionnée sur l'axe 14 du piston 5 et possédant à une extrémité en saillie dans la chambre 7 des électrodes 16 et 17 aptes à produire une étincelle au moment désiré. La culasse 4 comprend deux orifices d'admission d'air 18 et 19 débouchants (figure 2) dans la chambre 7 et des soupapes de commande, de conception connue (non représentées), comprenant une tête dont la surface périphérique vient en contact avec une surface correspondante des orifices d'admission d'air 18 et 19, et aptes à être actionnées entre une position fermée d'obturation des orifices d'admission d'air 18 et 19, et une position ouverte d'admission d'air. Les orifices d'admission 18 et 19 sont disposés de part et d'autre d'un premier plan médian P de la culasse 4 (figure 2). La culasse 4 comprend également deux orifices d'échappement des gaz de combustion 20 et 21 débouchants (figure 2) dans la chambre 7 et des soupapes de commande (non représentées), de même type que celles décrites précédemment, pour réaliser ou non l'échappement des gaz de combustion. Les deux orifices d'échappement 20 et 21 sont disposés de part et d'autre du premier plan médian P (figure 2). Les orifices d'admission 18 et 19 et les orifices d'échappement 20 et 21 sont disposés de part et d'autre d'un deuxième plan médian P', perpendiculaire au premier plan médian P de la culasse 4, de manière à définir un côté admission et un côté échappement (figure 2). La culasse 4 comprend un premier moyen d'injection 22 de carburant comprenant un injecteur de carburant 23 recevant à une entrée extérieure le carburant, et possédant à une extrémité en saillie dans la chambre 7 une tête d'injection 24 apte à pulvériser le carburant au moment approprié. L'axe 25 de l'injecteur de carburant 23 est incliné par rapport à l'axe 14 du cylindre 2, de façon à orienter le jet de carburant, près du bord de la jupe 9. L'inclinaison de l'axe 25 de l'injecteur de carburant 23 est de préférence inférieure ou égale à 30 par rapport à l'axe 14 du cylindre 2. L'injecteur de carburant 23 est positionné dans le deuxième plan médian P' de la culasse 4 et décalé radialement de façon externe, en considérant l'axe 14 du cylindre 2, par rapport à l'orifice d'admission 18 et à l'orifice d'échappement 20 (figure 2). Bien entendu, le positionnement de l'injecteur de carburant 23 n'est nullement limitatif. Il est également possible de positionner l'injecteur de carburant 23 dans une zone latérale en position décalée vers la périphérie par rapport à l'axe 14 du cylindre 2 entre l'orifice d'admission 18 et l'orifice d'échappement 20. En d'autres termes, l'injecteur de carburant 23 peut être positionné dans une zone latérale définie par une portion de surface intérieure du cylindre 2 et un plan tangent P" aux orifices d'admission et d'échappement 18 et 20, ledit plan tangent P" étant parallèle au premier plan médian P et situé entre l'axe 14 du cylindre 2 et les orifices d'admission et d'échappement 18 et 20. Dans une variante de réalisation, l'injecteur de carburant 23 peut également entre disposé de l'autre côté de la chambre 7 par rapport au premier plan médian P de la culasse 4 de façon à être décalé radialement de façon externe, en considérant l'axe 14 du cylindre 2, par rapport à l'orifice d'admission 19 et à l'orifice d'échappement 21. Lors de la rotation du vilebrequin du moteur (non représenté), le piston 5 se déplace entre une position de point mort bas éloignée de la culasse 4, et une position de point mort haut proche de la culasse 4. Pendant la phase d'admission, le piston 5 descend de la position de point mort haut vers la position de point mort bas en aspirant l'air par les orifices d'admission 18 et 19, et on injecte en synchronisme à l'intérieur de la chambre 7 un carburant par le premier moyen d'injection de carburant 22. Le flux d'air généré par l'orifice d'admission 18 constitue une nappe sensiblement torique et percute directement le jet de carburant émis. Le jet de carburant acquiert sous l'impact une trajectoire hélicoïdale qui provoque un important gradient de richesse entre le centre de la chambre 7 et ses bords extérieurs. Avec un tel moteur à combustion à allumage commandé, il est par exemple possible d'obtenir un champ de richesse variant de 0,8 au centre de la chambre 7 jusqu'à 1,5 à 2 au voisinage de ses bords extérieurs. En d'autres termes le mélange carburé est pauvre au centre de la chambre 7, il existe un excès d'air par rapport à la quantité de carburant introduite, et riche sur ses bords extérieurs, il existe un excès d'essence par rapport à la quantité d'air introduite. Grâce à cette hétérogénéité du mélange carburé à l'intérieur de la chambre 7, le moteur à combustion à allumage commandé peut atteindre des couples spécifiques par litre de cylindrée supérieurs à ceux obtenus classiquement par de tels moteurs, notamment dans le cas de moteurs fortement suralimentés. Il est possible d'obtenir des couples spécifiques par litre de cylindrée supérieurs à 200 N.m sans dégrader le rendement énergétique du cycle de fonctionnement du moteur. Dans la variante de réalisation de l'invention illustrée sur la figure 3, sur laquelle les éléments identiques aux figures précédentes portent les mêmes références, la culasse 4 comprend un deuxième moyen d'injection de carburant 26 disposé symétriquement par rapport au premier moyen d'injection de carburant 22 relativement au premier plan médian P. L'axe 26a du deuxième moyen d'injection de carburant 26 est incliné par rapport l'axe 14 du cylindre 2, dans un intervalle allant de préférence de 0 à 30 . La disposition des injecteurs de carburant 22 et 26 n'est nullement limitative. Dans une variante de réalisation, il est possible de disposer l'injecteur de carburant 22, 26 dans une zone latérale en position décalée vers la périphérie par rapport à l'axe 14 du cylindre 2 entre l'orifice d'admission 18, 19 et l'orifice d'échappement 20, 21. Dans ce mode de réalisation, pendant la phase d'admission d'air, on injecte de façon synchronisée à l'intérieur de la chambre 7 un carburant par les moyens d'injection de carburant 22 et 26. La disposition des moyens d'injection de carburant 22 et 26 en opposition permet d'accentuer les effets de la stratification du mélange carburé se trouvant à l'intérieur de la chambre 7 et d'obtenir des couples spécifiques par litre de cylindrée encore supérieurs à ceux obtenus avec le premier mode de réalisation. Sur la figure 4, les références aux éléments semblables à ceux de la figure 2 ont été conservées. La culasse 4 comprend un deuxième moyen d'allumage 28 disposé symétriquement par rapport au premier moyen d'injection 22 relativement au premier plan médian P. L'agencement du deuxième moyen d'allumage 28 n'est nullement limitatif, il est possible de disposer le deuxième moyen d'allumage 28 dans une zone latérale en position décalée vers la périphérie par rapport à l'axe 14 du cylindre 2 entre l'orifice d'admission 19 et l'orifice d'échappement 21. Dans une variante, il est également envisageable de disposer d'autres moyens d'allumage au niveau de la culasse 4, également dans des zones latérales en position décalée vers la périphérie par rapport à l'axe 14 du cylindre 2 entre les orifices d'admission 18 et 19 et/ou les orifices d'échappement 20 et 21. Etant donné que le mélange carburé est stratifié, la disposition d'un deuxième moyen d'allumage 28 ou d'autres moyens d'allumage supplémentaires à l'intérieur de la chambre 7 de combustion permet d'optimiser le départ de combustion dans une zone où le mélange 5 carburé est riche. Dans la variante de réalisation de l'invention illustrée sur la figure 5, sur laquelle les éléments identiques aux figures précédentes portent les mêmes références, la culasse 4 comprend un unique orifice d'échappement 29 disposé dans le premier plan médian P. Le moteur à combustion n'imposant aucune contrainte au niveau de l'échappement, il peut être possible de disposer l'unique orifice d'échappement 29 d'une manière quelconque dans la culasse 4 du moteur. Bien entendu, la culasse 4 pourrait également comprendre un 15 deuxième moyen d'injection ou des moyens d'allumage supplémentaires. Quel que soit le mode de réalisation de l'invention, le moteur à combustion à injection directe d'essence permet d'obtenir un mélange stratifié par un flux d'air, sans qu'il soit nécessaire de prévoir un quelconque moyen spécifique au niveau de la culasse pour réaliser le flux d'air, un orifice d'admission d'air jouant ce rôle. REVENDICATIONS 1.Moteur à combustion interne à allumage commandé pour véhicule automobile comprenant au moins un cylindre et une culasse obturant le cylindre et définissant une chambre de combustion, la culasse comprenant au moins un orifice d'admission d'air (18, 19), au moins un orifice d'échappement des gaz de combustion (20, 21) et au moins un moyen d'injection de carburant caractérisé par le fait que le moyen d'injection de carburant (22) est monté de façon à déboucher dans le cylindre, dans une zone latérale en position décalée vers la périphérie par rapport à l'axe (14) du cylindre entre l'orifice d'admission (18) et l'orifice d'échappement (20). 2.Moteur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le moyen d'injection de carburant est disposé dans un plan médian (P') 15 du cylindre. 3.Moteur selon les revendications 1 ou 2, caractérisé par le fait qu'un axe (25) du moyen d'injection de carburant est incliné par rapport à l'axe (14) du cylindre de façon à orienter un jet de carburant en direction d'un bord de la chambre de combustion. 4.Moteur selon la revendication 3, caractérisé par le fait que l'axe (25) du moyen d'injection de carburant présente une inclinaison dans un intervalle allant de 0 à 30 par rapport à l'axe (14) du cylindre. 5.Moteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'il comprend un moyen d'allumage (15) aligné sur l'axe (14) du cylindre. 6.Moteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'il comprend un moyen d'injection de carburant (22), deux orifices d'admission (18, 19) disposés de part et d'autre d'un plan médian (P) du cylindre (2) et un moyen d'allumage (26) disposé symétriquement par rapport au moyen d'injection de carburant (22) en considérant le plan médian (P). 7. Moteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'il comprend au moins un moyen d'allumage (28) disposé dans un plan médian (P'). 8.Moteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'il comprend deux orifices d'admission d'air (18, 19) et un orifice d'échappement des gaz de 10 combustion (29). 9.Moteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'il comprend deux orifices d'admission d'air (18, 19) et deux orifices d'échappement des gaz de combustion (20, 21). 10. Procédé de stratification d'un mélange carburé pour moteur à combustion interne à allumage commandé dans lequel on injecte du carburant dans un cylindre, dans une zone latérale en position décalée vers la périphérie par rapport à l'axe (14) du cylindre entre un orifice d'admission (18) et un orifice d'échappement (20). 11. Procédé selon la revendication 10, caractérisé par le fait qu'on injecte du carburant dans le cylindre (2) de façon synchronisée avec la phase d'admission d'air.