Brevet FR2879658A1 — publié le 20060623

La présente invention concerne des moteurs à combustion interne, notamment des moteurs diesel. La réduction du taux de compression sur un moteur diesel permet d'augmenter les performances du moteur tout en maintenant des pressions acceptables dans le cylindre. Un inconvénient de cette réduction du taux de compression réside dans la dégradation des conditions thermodynamiques au point mort haut, c'est-à-dire quand le piston est à sa position la plus haute. En effet, une réduction de ce taux de compression entraîne une diminution de la pression et de la température du mélange air/carburant au point mort haut. Ainsi, l'auto inflammation du mélange est dégradée. Ceci est notamment remarquable dans les phases de démarrage à froid du moteur. Pour résoudre ce problème, notamment au démarrage, plusieurs solutions ont été proposées, comme l'augmentation du dépassement de la bougie de préchauffage et/ou l'augmentation de la puissance de celle-ci, étant fait remarquer, par ailleurs, que les taux de compression des moteurs couramment utilisés aujourd'hui restent relativement élevés (supérieurs à 16). Cependant, le dépassement de la bougie provoque des émissions de polluants plus élevées. Les bougies plus puissantes coûtent, quant à elles, beaucoup plus chères que les bougies traditionnelles pour moteur diesel car elles ne sont pas fabriquées suivant la même technologie. Le document PCT/AU85/00148 décrit une autre solution à ce problème adaptée aux moteurs à combustion interne du type comprenant un cylindre et un piston. Une chambre principale de combustion dans la tête du cylindre du moteur est reliée au volume du cylindre situé au dessus du piston par une conduite. Cette chambre principale est reliée à une chambre secondaire par une autre conduite. Une valve rotative, placée dans la conduite entre la chambre principale et la chambre secondaire, contrôle la communication entre ces deux chambres. Alors que la valve rotative est ouverte, l'air est initialement comprimé dans les deux chambres au cours du temps de compression du moteur. La valve est ensuite refermée avant la fin du temps de compression. Le carburant est injecté dans les deux chambres et la charge résultante air/carburant dans la chambre de combustion secondaire est enflammée par une bougie d'allumage. La valve rotative est alors ouverte alors que le mélange air/carburant dans la chambre principale est à son tour enflammé pour passer dans le cylindre et ainsi entraîner le piston dans son mouvement descendant. Pour faciliter le démarrage à froid, une bougie de préchauffage est prévue, qui permet de chauffer au moins une partie de la surface de la chambre de combustion secondaire, facilitant ainsi l'auto inflammation du mélange air/carburant dans la chambre secondaire. Ce système présente l'inconvénient de nécessiter un moyen pour chauffer la chambre de combustion secondaire, comme une bougie supplémentaire par exemple. L'invention a pour but de résoudre le problème du démarrage à froid des moteurs à combustion interne notamment des moteurs diesel, pour permettre d'abaisser le taux de compression à chaud, sans recourir obligatoirement à l'ajout d'une bougie supplémentaire. On atteint ce but de l'invention au moyen d'un moteur à combustion interne comportant au moins un cylindre fermé en tête par une culasse, dans lequel est monté un piston apte à coulisser, ledit piston, ledit cylindre et ladite culasse définissant une chambre de combustion principale, remarquable en ce que ledit piston et ladite culasse définissent une chambre de combustion auxiliaire, ledit piston commandant par sa position dans ledit cylindre la communication entre lesdites chambres de combustion, ladite chambre de combustion auxiliaire étant conformée pour que son taux de compression soit plus élevé que celui de ladite chambre de combustion principale. Ainsi, tout en gardant un taux de compression à chaud faible, les démarrages à froid sont facilités par la chambre de combustion auxiliaire où le taux de compression est plus élevé. Avec ce taux de compression plus élevé, l'auto inflammation du mélange air/carburant est facilité puisque la pression et la température de ce mélange sont plus élevées. De manière préférée, la tête du piston comporte une projection de forme sensiblement complémentaire à une cavité prévue en vis-à-vis dans ladite culasse, ladite projection et ladite cavité définissant ladite chambre de combustion auxiliaire. La réalisation de la chambre auxiliaire au moyen d'une projection du piston et d'une cavité de la culasse est un mode de réalisation particulièrement simple. Le mouvement du piston permet ainsi avantageusement de régler la communication entre les deux chambres de combustion. Ainsi, le dispositif ne nécessite aucun équipement supplémentaire comme une valve, par exemple, pour régler la communication entre les deux chambres. De préférence, ladite cavité et ladite projection ont une forme sensiblement cylindrique. La forme cylindrique de la cavité et de la projection est un mode de réalisation particulièrement simple de ces éléments qui offre de bonnes propriétés de durée de vie et de transfert de chaleur. De manière préférée, le taux de compression de la chambre de combustion principale est compris entre 10 et 16, le taux de compression de la chambre de combustion auxiliaire étant lui sensiblement égal à 20. De préférence encore, le taux de compression de la chambre de combustion auxiliaire est supérieur à celui de la chambre de combustion principale d'environ 20%. Ainsi, on allie un taux de compression usuel dans la chambre de combustion auxiliaire permettant les démarrages à froid, et un taux de compression plus faible dans la chambre de combustion principale pour tirer profit d'un moteur à faible taux de compression hors de ces phases de démarrage à froid. De préférence, le moteur à combustion interne de type diesel selon l'invention comporte une bougie de préchauffage montée au niveau de la chambre de combustion auxiliaire. Ainsi, de manière avantageuse, l'auto inflammation du mélange air/carburant dans la cavité est plus facile lors des phases de démarrage à froid. De manière préférée, le moteur à combustion interne de type diesel selon l'invention ne comporte qu'une unique bougie. Ainsi, de manière avantageuse, la mise en oeuvre de la chambre de combustion auxiliaire ne nécessite aucun équipement supplémentaire par rapport à une installation de chambre de combustion classique. De manière préférée, lors des phases de démarrage à froid du moteur diesel, l'injection, commandée électroniquement, est effectuée lorsque le piston est entre sa position au point mort bas et sa position médiane entre le point mort bas et le point mort haut. Ainsi, l'injection est réalisée suffisamment tôt pour que le mélange air/carburant se répartisse uniformément dans l'ensemble des deux chambres de combustion, avant que le piston ne bouche la chambre de combustion auxiliaire. L'invention concerne également un procédé d'injection du carburant sous pression dans un cylindre d'un moteur à combustion interne de type diesel selon l'invention remarquable en ce que, lors des phases de démarrage à froid, l'injection, de préférence commandée électroniquement, est effectuée lorsque le piston est entre sa position de point mort bas et sa position médiane entre le point mort haut et le point mort bas et en ce que, hors des phases de démarrage à froid, l'injection est effectuée lorsque le vilebrequin fait un angle sensiblement égal à 42 avec sa position correspondante au point mort haut du piston. L'invention se rapporte aussi à un système d'injection électronique pour un moteur à combustion interne du type diesel selon l'invention, remarquable en ce qu'il comprend une unité électronique de commande programmée pour commander que l'injection soit réalisée, lors des phases de démarrage à froid dudit moteur, lorsque le piston se trouve entre sa position de point mort bas et sa position médiane entre le point mort haut et le point mort bas. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à l'examen de la description qui va suivre et de la figure ci-annexée, données à titre d'exemples non limitatifs, dans laquelle la figure 1 représente schématiquement une coupe du dispositif piston/cylindre du moteur selon l'invention, le piston étant à sa position de point mort haut. Sur la figure 1 est représentée schématiquement une coupe de l'agencement 15 piston/cylindre/culasse pour un moteur à combustion interne du type diesel selon l'invention. L'agencement selon l'invention comprend un piston 12, représenté au point mort haut sur la figure 1, apte à coulisser dans le cylindre 14 fermé par la culasse 16, un joint de culasse 18 assurant l'étanchéité du montage. Sur la tête 20 du piston 12 est formée un évidement 22 communicant en permanence avec une chambre de combustion principale 24 délimitée par le piston 12, le cylindre 14 et la culasse 16. La culasse 16 présente sur sa face de tête 26, une chambre de combustion auxiliaire 28 sous la forme d'une cavité cylindrique 30 conformée pour coopérer avec une projection cylindrique 32 présente sur la tête 20 du piston 12. Dans la variante représentée, la coopération est à coulissement de la projection 32, qui n'est pas munie de segments, sur la paroi de la cavité cylindrique 30 avec un jeu assez faible pour assurer une étanchéité suffisante pour comprimer la chambre 28 lorsque la communication entre les chambres 24, 28 est fermée, c'est-à-dire lorsque la face d'extrémité 34 de cette projection 32 pénètre dans la cavité 30 au niveau de la face 26. Le dispositif comprend également une soupape d'admission et d'échappement 36, un injecteur 38 de carburant sous pression, placé sensiblement en vis-à-vis de l'évidement 22 du piston 12, et une bougie de préchauffage 40 placée en tête de la chambre de combustion auxiliaire 28. L'agencement est bien évidemment applicable à un moteur comprenant plus d'un dispositif piston/cylindre/culasse, chaque piston présentant alors une projection et chaque culasse présentant une cavité conformée pour coopérer avec la projection du piston. Dans l'exemple considéré, le moteur est un moteur quatre temps usuel où le piston 12 coulisse dans le cylindre 14 entre deux positions extrêmes: une position haute appelée point mort haut; - une position basse appelée point mort bas. Dans un premier temps, l'admission, le cylindre 14 aspire de l'air pur, la soupape 36 étant relevée. Durant ce temps, le piston 12, qui était initialement à sa position de point mort haut, coulisse vers sa position de point mort bas. Au point mort bas, la pression est équivalente dans les deux chambres de combustion principale 24 et auxiliaire 28 puisqu'elles communiquent. Au cours du second temps, ou compression, l'air est comprimé par la remontée du piston 12, la soupape 36 étant abaissée. Durant cette remontée du piston 12, tant que les deux chambres de combustion 24, 28 communiquent, la pression est équilibrée entre les deux chambres de combustion 24, 28. Quand le piston 12 arrive au point tel que la projection 32 sur le piston 12 ferme la chambre de combustion auxiliaire 28, la communication entre les deux chambres de combustion 24, 28 est interrompue. La pression évolue alors différemment dans les deux chambres de combustion 24, 28 jusqu'à ce que le piston 12 arrive à sa position de point mort haut. Lors des phases de démarrage à froid, l'injection a lieu alors que l'angle entre le vilebrequin et sa position au point mort haut du piston 12 est compris entre 180 , le piston 12 étant alors au point mort bas, et 90 , le piston 12 se trouvant alors à sa position médiane entre le point mort bas et le point mort haut. Ainsi, le carburant vaporisé est injecté par l'injecteur 38 sous forte pression dans la chambre de combustion 24 avant que le piston n'arrive à sa position bloquant la communication entre les deux chambres de combustion 24, 28, afin que le carburant ait le temps de se disperser de manière homogène dans l'ensemble du volume formé par les deux chambres de combustion 24, 28. On est sûr, ainsi, que le mélange air/carburant est bien homogène dans les deux chambres de combustion, la forme de la tête de piston 20 ayant notamment pour but de favoriser la dispersion du carburant dans le cylindre 14. Pour les phases de démarrage à froid, la bougie 40 permet de chauffer la chambre de combustion auxiliaire 28 afin d'y faciliter l'auto inflammation du mélange air/carburant. La combustion du mélange air/carburant dans la chambre auxiliaire 28 refoule le piston 12 jusqu'à la ce que les deux chambres de combustion 24, 28 communiquent à nouveaux. La combustion des gaz dans la chambre de combustion auxiliaire 28 permet alors d'enflammer le mélange air/carburant présent dans la chambre principale 24. Il s'agit du troisième temps du cycle, la combustion. Durant le quatrième temps, l'échappement, la soupape 36 est relevée et le mouvement vers le haut du piston 12 permet d'évacuer les gaz obtenus par la combustion du mélange air/carburant. Hors des phases de démarrage à froid, l'injection, commandée électroniquement, est réalisée, de manière classique, lorsque le vilebrequin fait un angle sensiblement égal à 42 avec sa positron correspondante au point mort haut du piston. Dans ce cas, la chambre de combustion auxiliaire 28 ne comprend que de l'air. La combustion du mélange air/carburant n'a lieu que dans la chambre principale 24. La bougie 40 est alors éteinte, l'auto inflammation du mélange air/carburant vaporisé dans le cylindre 14 étant alors facilitée par la température plus élevée du moteur. En fonction du volume mort de chaque chambre, on ajuste le niveau de pression en fin de compression, de façon à ce que la pression dans la chambre de combustion auxiliaire 28 soit plus élevée que dans la chambre de combustion principale 24. Par exemple, lorsque le cyliindre 14 et la cavité 30 sont de forme cylindrique, si le volume mort dans la chambre de combustion auxiliaire 28 est inférieur au volume mort dans la chambre de combustion principale 24, alors le taux de compression de la chambre de combustion auxiliaire 28 est plus élevé que le taux de compression de la chambre de combustion principale 24. Il est ainsi possible d'obtenir un taux de compression sensiblement égal à 20 dans la chambre de combustion auxiliaire 28 alors que le taux de compression dans la chambre de combustion principale 24 est compris entre 10 et 16. Grâce à ce système on obtient des conditions thermodynamiques très favorables à l'auto inflammation lors des démarrages à froid dans la chambre de combustion auxiliaire 28, tout en conservant un taux de compression faible dans la chambre de combustion principale 24. Bien entendu, la présente invention n'est pas limitée au mode de réalisation décrit, fourni à titre d'exemple illustratif et non limitatif. Par ailleurs, bien que la présente invention trouve une application évidente dans le domaine automobile, elle n'est pas restreinte à cette seule application, et peut 5 être mise en oeuvre pour toute autre utilisation d'un moteur diesel. Enfin, la présente invention n'est pas limitée à son application aux moteurs diesel mais peut être mise en oeuvre dans tout type de moteur à combustion interne, comme les moteurs à essence ou les moteurs au gaz par exemple. REVENDICATIONS 1. Moteur à combustion interne comportant au moins un cylindre (14) fermé en tête par une culasse (16) et dans lequel est monté un piston (12) apte à coulisser, ledit piston (12), ledit cylindre (14) et ladite culasse (16) définissant une chambre de combustion principale (24), caractérisé en ce que ledit piston (12) et ladite culasse (16) définissent une chambre de combustion auxiliaire (28), ledit piston (12) commandant par sa position dans ledit cylindre (14) la communication entre lesdites chambres (24, 28), ladite chambre de combustion auxiliaire (28) étant conformée pour que son taux de compression soit plus élevé que celui de ladite chambre de combustion principale (24). 2. Moteur à combustion interne selon la revendication 1, caractérisé en ce que la tête dudit piston (12) comporte une projection (32) de forme sensiblement complémentaire à une cavité (30) prévue en vis- à-vis dans ladite culasse (16), ladite projection (32) et ladite cavité (30) définissant ladite chambre de combustion auxiliaire (28). 3. Moteur à combustion interne selon la revendication 2, caractérisé en ce que ladite cavité (30) et ladite projection (32) ont une forme sensiblement cylindrique. 4. Moteur à combustion interne selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le taux de compression de la chambre de combustion principale (24) est compris entre 10 et 16, le taux de compression de la chambre de combustion auxiliaire (28) étant lui sensiblement égal à 20. 5. Moteur à combustion interne selon l'une quelconques des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le taux de compression de la chambre de combustion auxiliaire (28) est supérieur à celui de la chambre de combustion principale (24) d'environ 20%. 6. Moteur à combustion interne de type diesel selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte une bougie de préchauffage (40) montée au niveau de la chambre de combustion auxiliaire (28). 7. Moteur à combustion interne de type diesel selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il ne comporte qu'une unique bougie de préchauffage (40). 8. Moteur à combustion interne de type diesel selon l'une des revendications 6 ou 7, caractérisé en ce que, lors des phases de démarrage à froid, l'injection, de préférence commandée électroniquement, est effectuée lorsque le piston est entre sa position au point mort bas et sa position médiane entre le point mort haut et le point mort bas. 9. Procédé d'injection du carburant sous pression dans un cylindre (14) d'un moteur à combustion interne de type diesel selon l'une des revendications 6 à 8 caractérisé en ce que lors des phases de démarrage à froid, l'injection, de préférence commandée électroniquement, est effectuée lorsque le piston (12) est entre sa position au point mort bas et sa position médiane entre le point mort haut et le point mort. 10. Système d'injection électronique pour un moteur à combustion interne du type diesel selon l'une des revendications 6 à 8, caractérisé en ce qu'il comprend une unité électronique de commande programmée pour commander que l'injection soit réalisée, lors des phases de démarrage à froid dudit moteur, lorsque le piston (12) se trouve entre sa position de point mort bas et sa position médiane entre le point mort haut et le point mort bas.