Brevet FR2881182A1 — publié le 20060728

La présente invention concerne un moteur à combustion interne à injection directe, du type comprenant: - au moins un cylindre s'étendant suivant un axe; - une culasse fermant une extrémité du cylindre et comprenant au moins un conduit d'admission et un conduit d'échappement débouchant dans le cylindre; - un piston monté mobile selon un mouvement axial de va-et-vient dans le cylindre, entre une position de point mort haut et une position de point mort bas, le piston comprenant, en regard de la culasse, un bol sensiblement symétrique de révolution autour d'un axe sensiblement parallèle à l'axe du cylindre, le bol présentant une paroi latérale et un fond se rejoignant suivant une ligne périphérique de plus grande profondeur du bol, le piston définissant, avec le cylindre et la culasse, une chambre de combustion; et au moins un injecteur comprenant une tête d'injection en saillie dans la chambre de combustion et apte à former des jets de carburants; et dans lequel le conduit d'admission, la culasse et le piston sont conçus de façon que, en fonctionnement, les gaz admis dans la chambre de combustion présentent un mouvement de rotation prépondérant autour d'un axe de rotation sensiblement perpendiculaire à l'axe du cylindre. Récemment, des moteurs dits à injection directe , dans lesquels un injecteur est disposé de façon à injecter le carburant directement dans la chambre de combustion, ont été conçus. Ces moteurs sont généralement prévus pour que les gaz frais admis dans la chambre de combustion présentent un mouvement tourbillonnant autour de l'axe du cylindre, appelé mouvement de swirl , en vue d'améliorer le mélange gaz frais/carburant. Le document US-B1-6 336 438 décrit un moteur à combustion interne à injection directe conçu de façon que les gaz frais admis dans la chambre de combustion présentent un mouvement de rotation prépondérant autour d'un axe perpendiculaire à l'axe du cylindre, appelé mouvement de tumble . Néanmoins, ces moteurs à swirl ou à tumble sont difficiles à mettre au point. Jusqu'à présent, leurs performances ne se sont pas montrées optimales, et il est souhaitable de les améliorer. Un but de la présente invention est de proposer un moteur à combustion interne possédant des prestations améliorées, tant à pleine charge qu'à charge partielle. A cet effet, la présente invention propose un moteur à combustion interne du type précité, caractérisé en ce le bol et l'injecteur sont agencés de sorte que, en position de point mort haut du piston, chaque jet de carburant intercepte un cylindre imaginaire, d'axe l'axe du bol et passant par la ligne périphérique, du côté du fond opposé à la chambre de combustion, à une distance axiale suivant l'axe du bol telle que le quotient de la distance axiale par le diamètre du cylindre est compris entre 0,0015 et 0,08. Selon d'autres modes de réalisation, l'invention comprend une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prise(s) isolément ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles: - le quotient de la distance axiale par le diamètre du cylindre est compris entre 0,002 et 0, 06, de préférence entre 0,005 et 0,05; - la distance axiale est comprise entre 0,2 et 5 mm, de préférence 20 entre 0,5 et 3 mm; - l'injecteur comprend un nombre d'orifice d'injection, par lequel, en fonctionnement, sortent les jets de carburant, compris entre quatre et seize, de préférence entre six et dix; - le rapport du diamètre du bol sur le diamètre du cylindre est compris entre 0,3 et 0,9, de préférence entre 0, 65 et 0,8; - l'angle formé entre un jet et l'axe du bol est compris de préférence entre 45 et 90 , encore de préférence entre 50 et 70 , et notamment environ égal à 55 ; - le conduit d'admission débouche dans le cylindre suivant un axe situé dans un plan sensiblement parallèle à l'axe du cylindre; - le conduit d'admission débouche dans le cylindre suivant un axe incliné par rapport à l'axe et dirigé sensiblement vers le piston; - le conduit d'admission débouche dans le cylindre suivant un axe sensiblement parallèle à l'axe. L'invention concerne également un véhicule automobile comprenant un moteur à combustion interne tel que défini ci-dessus. L'invention et ses avantages seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple, et faite en se référant aux dessins annexés, sur lesquels: - la figure 1 est une vue en coupe d'une chambre de combustion d'un moteur à combustion interne conforme à l'invention, suivant un plan radial d'un cylindre délimitant la chambre de combustion, un piston se trouvant en position de point mort haut; - la figure 2 est analogue à la figure 1, le piston se trouvant en position de point mort bas; et - la figure 3 est une vue schématique du piston et d'un injecteur suivant l'axe du cylindre de la figure 1. Tel que représenté sur la figure 1, le moteur à combustion interne 2 comprend un cylindre 4 s'étendant suivant un axe A, une culasse 6 fermant une extrémité ouverte du cylindre 4, et un piston 8 monté coulissant dans le cylindre 4 suivant l'axe A, entre une première position extrême de point mort haut (figure 1), dans laquelle le piston 8 est proche de la culasse 6, et une deuxième position extrême de point mort bas (figure 2), dans laquelle le piston 8 est éloigné de la culasse 6. De manière connue en soi, le piston 8 est relié à un système bielle/ vilebrequin, non représenté, assurant son déplacement alternatif dans le cylindre 4. L'étanchéité entre la surface intérieure 10 du cylindre 4 et la surface extérieure 11 du piston 8, est assurée de façon connue en soi par des segments 12 annulaires logés dans des rainures ménagées dans la surface extérieure 11 du piston 8 et venant en contact avec la surface intérieure 10 du cylindre 4. La culasse 6 et le piston 8 délimitent entre eux, dans le cylindre 4, une chambre de combustion 16. La surface 18 de la culasse 6 délimitant la chambre 16 est par exemple sensiblement plane et perpendiculaire à l'axe A, et présente deux secteurs 20, 22 situés de part et d'autre de l'axe A. La culasse 6 comprend au moins un conduit d'admission 24 débouchant dans la chambre 16 sur le secteur 20, et un conduit d'échappement 26 débouchant dans la chambre 16 sur le secteur 22. Le conduit d'admission 24 est agencé de façon à ne pas imprimer aux gaz admis un mouvement hélicoïdal autour de l'axe A qualifié de swirl en anglais. A cet effet, le conduit d'admission 24 débouche dans la chambre 16 suivant un axe principal C présentant une composante tangentielle, par rapport à l'axe A, nulle ou faible. Par exemple, l'axe C est situé dans un plan parallèle à l'axe A du cylindre 4, et est incliné relativement à cet axe A, radialement vers l'axe A et axialement en direction du piston 8. En variante, l'axe C est parallèle à l'axe A. Un système de commande d'échappement et d'admission, connu en soi, comprend au moins une soupape d'admission 28 mobile entre une position de fermeture du conduit d'admission 24 (figure 1) et une position ouverte (figure 2), et au moins une soupape d'échappement 30 mobile entre une position de fermeture du conduit d'échappement 26 (figure 1) et une position d'ouverture, non représentée. Une surface 32 du piston 8, située en regard de la culasse 6 et délimitant la chambre 16, présente sensiblement en son centre un évidemment ou bol 34. Le bol 34 est symétrique de révolution autour d'un axe B parallèle à l'axe A du cylindre 4, et de préférence aussi proche que possible de l'axe A. La distance entre l'axe A et l'axe B est de l'ordre de zéro à quelques millimètres. Dans l'exemple illustré, les axes A et B sont confondus. Le bol 34 comprend une paroi latérale 36 et un fond 38. La paroi latérale 36 est sensiblement cylindrique d'axe l'axe B et rejoint 30 le fond 38 par un arrondi 40. Le fond 38 présente une zone périphérique 42 sensiblement plane perpendiculaire à l'axe A et une bosse centrale 44. La paroi latérale 36 rejoint le fond 38 au niveau d'une ligne périphérique 46. La ligne périphérique 46 représente la ligne de plus grande profondeur du bol 34, et parmi les différentes lignes de plus grande profondeur, celle de plus grand diamètre. Le moteur 2 comprend un injecteur 50 s'étendant dans la culasse 6, sensiblement suivant l'axe B, et présentant à une extrémité une tête d'injection 52 en saillie dans la chambre 16. La tête d'injection 52 comprend une pluralité d'orifices 54 par lesquelles, en fonctionnement, sortent des jets de carburant 56 dirigés radialement vers l'extérieur et axialement en direction du piston 8. En fonctionnement, lors d'une phase d'admission, le piston 8 se déplace de sa position de point mort haut (figure 1) vers sa position de point mort bas (figure 2), et la soupape d'admission 28 s'ouvre de façon à laisser rentrer les gaz frais dans la chambre de combustion 16. Du fait de la géométrie du conduit d'admission 24, de la culasse 6 et du piston 8, les gaz frais (ou admis) pénètrent dans la chambre de combustion en présentant un mouvement prépondérant de tumble , c'est-à- dire un mouvement de rotation autour d'un axe sensiblement perpendiculaire à l'axe A et au plan de la figure 2, comme illustré par la flèche F. Ce mouvement de tumble est destiné à favoriser le mélange des gaz frais avec le carburant qui sera injecté dans la chambre de combustion 16 ultérieurement. Dans une phase de compression, les soupapes d'admission 28 et d'échappement 30 sont fermées, et le piston 8 remonte de la position de point mort bas (figure 2) vers la position de point mort haut (figure 1). Les gaz frais admis sont comprimés, du fait de la réduction du volume de la chambre de combustion 16. Le mouvement de tumble est entretenu du fait du mouvement du piston 8. Du carburant est injecté dans la chambre 16 sous la forme de jets 56, à l'aide de l'injecteur 50, lorsque le piston 8 se situe autour de sa position de point mort haut (figure 1). De façon connue en soi, l'injection est commandée par une unité de gestion non représentée, en fonction de différents paramètres tels que le régime moteur, la charge moteur, l'encrassement d'un filtre à particule... L'unité de gestion détermine notamment un instant de début d'injection et une durée d'injection en fonction de la quantité de carburant nécessaire. L'injection de carburant débute avant ou après que le piston 8 ait atteint la position de point mort haut. L'injecteur 50, la culasse 6 et le piston 8 sont agencés de façon à favoriser un mélange homogène du carburant dans les gaz frais dans les 10 différentes conditions de fonctionnement du moteur 2. Pour cela, dans la position de point mort haut du piston 8, les jets 56 sont dirigés vers le fond 38 du bol 34. Ainsi, les jets 56 frappent le fond 38 et se répartissent progressivement et de façon homogène dans le bol 34 et la chambre 16, lors de la combustion et du mouvement du piston 8 vers sa position de point mort bas. Plus spécifiquement, l'injecteur 50 et le bol 34 sont agencés de façon que les axes J des jets 56, en position de point mort haut du piston 8, interceptent un cylindre imaginaire H d'axe B et passant par la ligne périphérique 46, à une distance a de la ligne périphérique 46 suivant l'axe B, et du côté du fond 38 opposé à la chambre de combustion 16. La distance a est telle que le rapport de la distance a sur le diamètre D du cylindre 4 est compris entre 0,0015 et 0,08, de préférence entre 0,002 et 0,06, encore de préférence entre 0,005 et 0,05. Le diamètre D est compris entre 60 et 150 mm, de préférence entre 60 25 et 100 mm, et encore de préférence entre 70 et 95 mm. La distance a est comprise de préférence entre 0,2 et 5 mm, encore de préférence entre 0,5 et 3 mm. Comme représenté sur la figure 3, les jets 56 frappent le fond 38 avant la ligne 46. Le carburant se répand sur le fond 38, remonte la paroi latérale 36, et se répand sur la périphérie du piston 8 autour du bol 34. La propagation du carburant se poursuit ensuite dans l'ensemble de la chambre 16. Les jets 56 orientés vers le fond 38 permettent d'utiliser les surfaces définissant le bol 34 pour dévier les jets 56 et favoriser leur répartition dans la chambre de combustion 16 de façon homogène. Le mouvement de tumble influence peu la trajectoire des jets 56 entre l'injecteur 50 et le fond 38. Le mélange homogène est obtenu initialement et principalement par la géométrie du bol 34, adaptée pour dévier et répartir le carburant. Le mouvement de tumble augmente l'homogénéité du mélange dans une phase ultérieure, à savoir lorsque les jets 56 ont commencé à se répandre sur les surfaces délimitant le bol 34 et dans la chambre 16. L'obtention d'un mélange homogène est donc moins dépendante du régime de rotation et de la charge du moteur que dans les moteurs à mouvement de swirl . En effet, dans ces moteurs, le mouvement de swirl , très intense, est le phénomène principal utilisé pour obtenir le mélange des gaz admis avec le carburant. Toutefois, l'intensité du mouvement de swirl , et donc son efficacité, dépend du régime de rotation du moteur. Par ailleurs, et en particulier à haut régime, le piston 8 se déplace rapidement, de sorte que, en fonction de la durée d'injection, l'injection est effectuée pendant que le piston 8 parcourt une course plus ou moins étendue. Tant que le piston 8 se situe à une distance inférieure ou égale à la distance a par rapport à sa position de point mort haut, les jets 56 seront dirigés convenablement vers le fond 38. La distance a est suffisante pour que les jets 56 soient dirigés vers le fond 38 dans une plage de fonctionnement importante du moteur 2. Néanmoins, la distance a est suffisamment limitée pour que les jets 56 frappent le fond 38 avant un angle d'incidence a favorisant leur écoulement sur le fond 38 et leur répartition satisfaisante dans le bol 34. La culasse 6, le piston 8 et l'injecteur 50 comprennent d'autres caractéristiques, permettant, en combinaison avec le mouvement de tumble et l'orientation des jets 56 en direction du fond 38, de favoriser une répartition homogène du carburant dans le bol 34 et la combustion 16, et une amélioration des performances du moteur 2. L'angle 0, formé entre les jets 56 et l'axe B, est choisi en fonction de la géométrie du bol 34 et de la tête d'injecteur 52 de façon à disperser au mieux le carburant. II est préférable que le carburant ressorte du bol 34 en ayant occupé de manière aussi homogène que possible toute la circonférence du bol 34, comme illustré sur la figure 3. Ainsi, de préférence, l'angle 0 formé entre les jets 56 et l'axe B est compris entre 45 et 90 , de préférence entre 50 et 70 , et notamment environ égal à 55 . De préférence, le rapport du diamètre d du bol 34 sur le diamètre D du cylindre 4 est compris entre 0,3 et 0,9, encore de préférence entre 0,65 et 0,8. Le diamètre du bol 34 est ici défini comme le diamètre du cylindre imaginaire d'axe l'axe B du bol 34 et de diamètre minimal, dans lequel le bol 34 s'inscrit. De préférence, et comme illustré sur la figure 3, l'injecteur 50 comprend un nombre d'orifices d'injection 54 compris entre quatre et seize, encore de préférence entre six et dix, et par exemple neuf. En variante, le moteur 2, et en particulier le conduit d'admission 28, la culasse 6 et le piston 8, présentent des géométries différentes permettant de conférer au gaz frais admis un mouvement de tumble . A cet effet, dans une variante non illustrée, les secteurs 20, 22 sont inclinés par rapport à l'axe A de façon à former un V ouvert vers le piston 8. L'invention s'applique à tout type de moteur à combustion interne, et en particulier au moteur du type diesel à auto allumage. REVENDICATIONS 1.- Moteur à combustion interne à injection directe, du type comprenant: au moins un cylindre (4) s'étendant suivant un axe (A) ; -une culasse (6) fermant une extrémité du cylindre (4) et comprenant au moins un conduit d'admission (24) et un conduit d'échappement (26) débouchant dans le cylindre (4) ; - un piston (8) monté mobile selon un mouvement axial de va-et-vient dans le cylindre (4), entre une position de point mort haut et une position de point mort bas, le piston (8) comprenant, en regard de la culasse (6), un bol (34) sensiblement symétrique de révolution autour d'un axe (B) sensiblement parallèle à l'axe (A) du cylindre 4, le bol (34) présentant une paroi latérale (36) et un fond (38) se rejoignant suivant une ligne périphérique (46) de plus grande profondeur du bol (34), le piston (8) définissant, avec le cylindre (4) et la culasse (6), une chambre de combustion (16) ; et - au moins un injecteur (50) comprenant une tête d'injection (52) en saillie dans la chambre de combustion (16) et apte à former des jets de carburants (56) ; et dans lequel le conduit d'admission (24), la culasse (6) et le piston (8) étant conçus de façon que, en fonctionnement, les gaz admis dans la chambre de combustion (16) présentent un mouvement de rotation prépondérant autour d'un axe de rotation sensiblement perpendiculaire à l'axe (A) du cylindre (4) ; caractérisé en ce que le bol (34) et l'injecteur (50) sont agencés de sorte que, en position de point mort haut du piston (8), chaque jet de carburant (56) intercepte un cylindre imaginaire (H), d'axe l'axe (B) du bol (34) et passant par la ligne périphérique (46), du côté du fond (38) opposé à la chambre de combustion (16), à une distance axiale (a) suivant l'axe (B) du bol (34) telle que le quotient de la distance axiale (a) par le diamètre (D) du cylindre (4) est compris entre 0,0015 et 0,08. 2.- Moteur à combustion interne selon la revendication 1, caractérisé en ce que le quotient de la distance axiale (a) par le diamètre (D) du cylindre (4) est compris entre 0,002 et 0,06, de préférence entre 0,005 et 0,05. 3.- Moteur selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que, la distance axiale (a) est comprise entre 0,2 et 5 mm, de préférence entre 0,5 et 3 mm. 4.- Moteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'injecteur (50) comprend un nombre d'orifice d'injection (54), par lequel, en fonctionnement, sortent les jets de carburant (56), compris entre quatre et seize, de préférence entre six et dix. 5.- Moteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le rapport du diamètre du bol (34) sur le diamètre du cylindre (4) est compris entre 0,3 et 0,9, de préférence entre 0,65 et 0,8. 6.- Moteur selon l'une quelconque des revendication précédentes, caractérisé en ce que l'angle formé entre un jet (56) et l'axe (B) du bol (34) est compris de préférence entre 45 et 90 , encore de préférence entre 50 et 70 , et notamment environ égal à 55 . 7.- Moteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le conduit d'admission (24) débouche dans le cylindre (4) suivant un axe (C) situé dans un plan sensiblement parallèle à l'axe (A) du cylindre (4). 8.- Moteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le conduit d'admission (24) débouche dans le cylindre (4) suivant un axe (C) incliné par rapport à l'axe (A) et dirigé sensiblement vers le piston (8). 9.- Moteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le conduit d'admission (24) débouche dans le cylindre (4) suivant un axe (C) sensiblement parallèle à l'axe (A). 10.- Véhicule automobile comprenant un moteur à combustion interne selon l'une quelconque des revendications précédentes.