Brevet FR2879676A1 — publié le 20060623

MOTEUR A INJECTION DIRECTE L'invention concerne un moteur à injection directe de carburant, et en particulier un moteur à injection directe de type diesel à quatre temps, tel qu'utilisé dans l'industrie automobile. Ces moteurs comprennent classiquement au moins un cylindre avec une culasse formant couvercle au-dessus du cylindre, sur laquelle sont montés, sensiblement parallèlement à l'axe du cylindre, au moins une soupape d'admission d'air frais, au moins une soupape d'échappement, et un injecteur central de carburant, et un piston monté coulissant dans le cylindre entre un point mort haut et un point mort bas et présentant à sa surface supérieure un bol muni d'un téton central. De nombreuses formes de profil du bol ont été proposées dans le but d'améliorer les performances du moteur et de réduire les émissions de polluants, tels que fumées, NOx, HC et CO. Classiquement, le bol du piston comporte un téton en forme de cône ou de tronc de cône, se raccordant à une paroi latérale qui peut être verticale ou comporter une concavité. L'injecteur pulvérise le carburant sous haute pression en plusieurs jets disposés sur un cône, dont l'axe coïncide avec l'axe vertical du bol. L'angle de nappe de l'injecteur est tel que les jets de carburant intersectent la paroi latérale du bol lorsque le piston est au point mort haut, et il en résulte un mouvement du mélange carburant/gaz d'admission vers le bas puis vers le centre du bol. Il a également été proposé, notamment dans le document EP 1 217 186, un injecteur avec un faible angle de nappe, de sorte que les jets de carburant issus de l'injecteur soient guidés par la paroi conique ou tronconique du téton central, le mélange effectuant alors un mouvement inverse de celui décrit précédemment. Pour améliorer le mélange du carburant et de gaz d'admission, et donc augmenter le rendement de la combustion dans la chambre, il est connu de générer un flux tourbillonnaire des gaz d'admission, appelé communément "swirl", autour d'un axe sensiblement identique à celui du cylindre, en adoptant une géométrie 10 et une disposition particulière des conduits d'admission d'air. L'invention a pour but de proposer un nouveau moteur à injection directe garantissant un bon compromis entre des performances spécifiques élevées et une émission de gaz polluants réduite. A cet effet, la présente invention a pour objet un moteur à injection directe de carburant comprenant au moins un cylindre avec une culasse formant couvercle au-dessus du cylindre, sur laquelle sont montés, sensiblement parallèlement à l'axe du cylindre, au moins une soupape d'admission, au moins une soupape d'échappement, et un injecteur central de carburant apte à injecter des jets de carburant en au moins une nappe, et un piston monté coulissant dans le cylindre et présentant à sa surface supérieure un bol muni d'un téton central, caractérisé en ce que ledit injecteur central est apte à délivrer simultanément des jets de carburant selon une première nappe étroite, l'angle ((3') de ladite première nappe et l'angle (a) au sommet du téton étant déterminés de sorte que les jets de ladite première nappe soient guidés par le flanc du téton lorsque le piston se trouve au voisinage de son point mort haut, et des jets de carburant selon une deuxième nappe large ayant un angle ((3") tel que le point d'impact des jets de ladite seconde nappe se situe au niveau de la paroi latérale du bol, de préférence dans la moitié inférieure de la paroi latérale du bol, lorsque le piston se trouve au voisinage de son point mort haut. Selon une particularité, la paroi latérale du bol comporte un rentrant concave, de sorte que les jets de carburant de la seconde nappe soient guidés par ledit rentrant concave lorsque le piston se trouve au voisinage de son point mort haut. Selon un mode de réalisation, le rentrant concave est formé d'une partie curviligne et d'une partie rectiligne inclinée, l'angle de la seconde nappe et l'angle d'inclinaison de la partie rectiligne étant déterminés pour permettre le guidage vers le bas des jets issus de cette nappe large. Avantageusement, l'angle ((3') de la première nappe est compris entre 55 et 65 , et/ou l'angle au sommet (a) 20 du téton du bol est supérieur à l'angle ((3') de la première nappe de 5 à 15 , et/ou l'angle ((3") de la nappe large est compris entre 120 et 160 . Selon une autre particularité, la nappe large et la nappe étroite comprennent chacune au moins trois jets 25 répartis à intervalle angulaire régulier. Avantageusement, les orifices de sortie des deux nappes sont disposés selon un même plan. Selon une autre particularité, les deux nappes sont disposées en quinconce, chaque nappe comprend n jets, 30 les orifices de sortie d'une nappe étant disposés à 360/(2xn) degrés de ceux de l'autre nappe. Selon une autre particularité, le moteur présente un mouvement tourbillonnaire ou "swirl" dont l'intensité est inférieure à lNd/N. Selon un mode de réalisation, le bol comprend une paroi latérale comportant une partie curviligne de rayon de courbure R2, une partie sensiblement rectiligne inclinée avec un angle d'inclinaison 0, et un col rentrant, ladite paroi latérale étant reliée à la paroi tronconique ou conique du téton par une paroi de transition comprenant une partie curviligne de rayon de courbure R1 et éventuellement une paroi sensiblement plane, ledit bol ayant un diamètre d'ouverture du bol D1, un diamètre moyen de fond de bol D2, un diamètre de col D3, une profondeur de bol H1, une profondeur de col H2, une distance d entre le sommet du téton et la surface supérieure du piston, une section de sortie S et un volume total V, et remplissant au moins l'une des conditions suivantes. - D1/ H1 entre 2 et 3,5; - R2/Rl entre 0,6 et 0, 85; - D2/D1 inférieur à 0,7; - D3/D1 entre 0.7 et 0.9; - H2 /H1 entre 0,6 et 0,85. - 0 inférieur à 35 ; et/ou, - S/V entre 0,75 mm-1 et 1,5 mm-1. La Demanderesse a découvert qu'en utilisant un injecteur à deux angles de nappe, avec une géométrie de bol particulier, telle que défini précédemment, et de préférence avec un faible niveau de "swirl", il était possible d'assurer une utilisation optimale du comburant présent dans la chambre de combustion, généralement l'oxygène de l'air, et d'obtenir ainsi de bonnes performances en terme de couple et de puissance spécifique, un niveau de pollution faible, avec notamment un faible bruit de combustion. L'invention sera mieux comprise, et d'autres buts, détails, caractéristiques et avantages apparaîtront plus clairement au cours de la description explicative détaillée qui va suivre d'un mode de réalisation particulier actuellement préféré de l'invention, en référence aux dessins schématiques annexés sur lesquels: - la figure 1 représente une vue schématique de dessus du toit de culasse d'un cylindre du moteur; - la figure 2 représente une vue partielle en coupe selon le plan II-II de la figure 1; - la figure 3 est une demi-coupe à échelle agrandie 15 du bol du piston de la figure 2; - la figure 4 représente une vue en coupe à échelle agrandie de la tête d'injection de la figure 2; et, - la figure 5 représente une vue de dessous de l'injecteur de la figure 4. Les figures 1 et 2 illustrent un cylindre 1 de moteur à injection directe, en particulier d'un moteur de type diesel. Le cylindre est fermé à son extrémité supérieure par une culasse 2, et un piston 3 est monté coulissant, de manière étanche, dans l'alésage du cylindre. La chambre de combustion 4 est délimitée par la culasse et la face supérieure 31 du piston qui coulisse entre son point mort bas et son point mort haut. La face supérieure 31 du piston comporte une cavité circulaire ou bol profilé 5, sensiblement centré par rapport à l'axe A du cylindre. Le fond du bol comprend une élévation centrale ou téton 6 en forme de cône ou de tronc de cône d'angle au sommet a, relié par une paroi de transition 7 et une paroi latérale 8 à la face supérieure 31, cette dernière formant une zone de chasse frontale annulaire entourant le bol. La culasse 2 comprend l'injecteur central de carburant 9, une bougie 10 de réchauffage, ainsi que des soupapes 11 d'admission et d'échappement, par exemple deux soupapes d'admission et deux soupapes d'échappement, disposées autour de l'injecteur 9. Le moteur regroupe plusieurs cylindres avec des chambres de combustion analogues. En référence aux figures 4 et 5, l'injecteur central 9 est disposé sensiblement selon l'axe A du cylindre et comprend, de manière connue, une tête ou nez d'injection 91 disposé en saillie dans la chambre de combustion et muni de trous ou passages pour injecter le carburant sous forme jets. Une aiguille d'injection 92 est montée dans la tête d'injection pour le réglage en débit et en pression des jets. Selon l'invention, l'injecteur forme des jets de carburant disposés selon deux cônes ou nappes d'angles différents, dont les axes coïncident avec l'axe A du cylindre. Les jets de carburant sont disposés selon une première nappe dite étroite, ayant un angle de nappe I', et selon une deuxième nappe dite large ayant un angle de nappe Pu. Pour ce faire, le nez d'injection comprend une première série de trous ou passages 93a, 93b, 93c dont les axes sont disposés de manière à former la nappe étroite d'angle (3' et une deuxième série de passages ou trous 94a, 94b, 94c pour la formation de la nappe large d'angle (3". Les passages des deux nappes ont des sections transversales identiques, globalement circulaires, et disposés en quinconce à intervalle angulaire régulier. Les passages des deux nappes débouchent dans la chambre de combustion au même niveau, les orifices de sorties des passages étant centrés selon un même plan P, perpendiculaire à l'axe du cylindre. Dans le présent mode de réalisation, chaque nappe comprend trois passages 93a- b et 94a-b, les passages d'une même nappe étant espacés de 60 les uns des autres, les passages adjacents de deux nappes différentes étant disposés à 30 les uns des autres. En référence à la figure 3, sur laquelle sont représentées schématiquement les deux nappes d'angles R'et P", le téton 6 est disposé coaxialement aux axes des deux nappes de carburant issues de l'injecteur. Le téton présente une forme conique avec un sommet légèrement arrondi se poursuivant par une paroi conique ou flanc 62 sensiblement rectiligne en direction du fond du bol. Le flanc rectiligne se poursuit par la paroi de transition 7 comprenant une première partie curviligne 71 de rayon de courbure R1 et une paroi sensiblement plane 72 formant le fond du bol, et se termine par la paroi latérale 8 comprenant une deuxième partie curviligne 81 de rayon de courbure R2, une partie sensiblement rectiligne inclinée 82 formant un angle d'inclinaison A avec la verticale, raccordée à la face supérieure 31 annulaire par un congé 83 formant un col rentrant. En variante, le téton peut présenter une forme globalement tronconique avec un sommet sensiblement horizontal se poursuivant par un flanc sensiblement rectiligne, une partie de transition formée d'une seule partie curviligne, et une paroi latérale formée d'une partie curviligne, éventuellement de même rayon de courbure que celui de la partie de transition, et une partie sensiblement verticale reliée à la face supérieure du piston. L'angle au sommet a du téton est adapté à l'angle R' de la nappe étroite de l'injecteur, de sorte que les jets de cette nappe étroite soient injectés sensiblement le long du flanc rectiligne du téton lorsque le piston est au voisinage du point mort haut. L'angle de nappe étroit R' est compris entre 55 et 65 . L'angle au sommet a du téton est supérieur à l'angle de nappe de la nappe étroite de 5 à 15 , les jets de carburant issus de l'injecteur forment donc un angle d'intersection d'au moins 5 avec le flanc du téton. La hauteur du téton est inférieure à la profondeur du bol, la distance d entre le sommet 61 du téton et la face supérieure du piston est comprise entre 4 et 5 mm. La géométrie du bol et l'angle R" de la nappe large sont tels que, lorsque le piston est au voisinage du point mort haut, le point d'impact des jets de cette nappe large se situe en dessous du col rentrant 83, au niveau de la partie rectiligne 82 de la paroi latérale du bol, sensiblement à mi-profondeur (H1/2), de sorte que les jets de cette nappe soient guidés par cette partie rectiligne. Le flux de carburant issu d'un jet de la nappe étroite et celui issu d'un jet de la nappe large ont été représentés schématiquement sur la même figure 3, par les flèches référencées respectivement F1 et F2, ces flux sont bien entendu décalés angulairement, un flux de carburant issu d'une nappe étant intercalé entre deux flux de carburant en sens inverse de l'autre nappe. Les jets de la nappe large s'enroulent dans le tore formé entre la paroi inclinée 82 et la partie curviligne 81, puis remontent vers le téton central 6. Inversement, les jets de la nappe étroite descendent le long du téton puis remontent le long de la paroi inclinée. Ces injections du carburant simultanément selon deux nappes en quinconce assurent un bon mélange du carburant et de l'air présent dans la chambre. On désigne par D1 le diamètre d'ouverture du bol, avec un rayon correspondant à la distance entre l'axe A et le point le plus éloigné de la deuxième partie curviligne 81, par D2 le diamètre moyen de fond de bol avec un rayon correspondant à la distance entre l'axe A et le milieu de la paroi plane horizontale 72 formant le fond du bol, par D3 le diamètre de col avec un rayon correspondant à la distance entre l'axe A et l'extrémité du col. H1 désigne la profondeur du bol, soit la distance entre la face supérieure 31 et la paroi horizontale 72, et H2 désigne la profondeur de col considéré au diamètre de col. Avantageusement, le bol remplit les conditions suivantes: - le rapport D1/ H1 est compris entre 2 et 3,5; - le rapport R2/R1 est compris entre 0,6 et 0, 85; - le rapport D2/D1 est inférieur à 0,7; - l'angle d'inclinaison 0 est inférieur à 35 25 - D3/D1 est compris entre 0.7 et 0.9; et, - H2 /H1 est compris entre 0, 6 et 0,85. Par ailleurs, le rapport de la section de sortie S du bol, considérée au niveau du diamètre de col D3, sur le volume total du bol V, soit S/V, est compris entre 0,75 mm-1 et 1,5 mm-1. L'intensité du mouvement de "swirl" est relativement faible, le rapport de la vitesse des gaz d'admission dans la chambre de combustion (Nd) en tour/min sur le régime moteur (N) en tour/min étant inférieur à 1, le niveau de "swirl" dans les moteurs de l'art antérieur étant classiquement compris entre 2 et 3,5 Nd/N. Cette géométrie de bol combinée à un injecteur à deux angles de nappe, et avec un "swirl" de faible intensité permet de concilier un niveau de performance spécifique élevé, notamment une puissance spécifique supérieure à 60 kW/1 à 4000 tr/min, et un niveau de polluants faible. Bien que l'invention ait été décrite en liaison avec un mode de réalisation particulier, il est bien évident qu'elle n'y est nullement limitée et qu'elle comprend tous les équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons si celles-ci entrent dans le cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Moteur à injection directe de carburant comprenant au moins un cylindre avec une culasse formant couvercle au-dessus du cylindre, sur laquelle sont montés, sensiblement parallèlement à l'axe du cylindre, au moins une soupape d'admission, au moins une soupape d'échappement, et un injecteur central de carburant apte à injecter des jets de carburant en au moins une nappe, et un piston monté coulissant dans le cylindre entre un point mort haut et un point mort bas et présentant à sa surface supérieure un bol muni d'un téton central, caractérisé en ce que ledit injecteur central (9) est apte à délivrer simultanément des jets de carburant selon une première nappe étroite, l'angle (0') de ladite première nappe et l'angle (a) au sommet du téton (6) étant déterminés de sorte que les jets de ladite première nappe soient guidés par le flanc (62) du téton, et des jets de carburant selon une deuxième nappe large ayant un angle (0") tel que le point d'impact des jets de ladite seconde nappe se situe au niveau de la paroi latérale (8) du bol (5). 2. Moteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la paroi latérale (8) du bol (5) comporte un rentrant concave (81, 82), de sorte que les jets de carburant de la seconde nappe soient guidés par ledit rentrant concave lorsque le piston se trouve au voisinage de son point mort haut. 3. Moteur selon la revendication 1 ou 2, 30 caractérisé en ce que l'angle (0') de la première nappe est compris entre 55 et 65 . 4. Moteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'angle au sommet (a) du téton (6) du bol est supérieur à l'angle ((3') de la première nappe de 5 à 15 . 5. Moteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'angle ((3") de la nappe large est compris entre 120 et 160 . 6. Moteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la nappe large et la nappe 10 étroite comprennent chacune au moins trois jets répartis à intervalle angulaire régulier. 7. Moteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les orifices de sortie des deux nappes sont disposés selon un même plan (P). 8. Moteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que chaque nappe comprend n jets, les orifices de sortie d'une nappe étant disposés à 360/(2xn) degrés de ceux de l'autre nappe. 9. Moteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il présente un mouvement tourbillonnaire ou "swirl" dont l'intensité est inférieure à lNd/N. 10. Moteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que - le bol comprend une paroi latérale (8) comportant une partie curviligne (81) de rayon de courbure R2, une partie sensiblement rectiligne inclinée (82) avec un angle d'inclinaison 0, et un col rentrant (83), ladite paroi latérale étant reliée à la paroi tronconique ou conique (62) du téton par une paroi de transition (7) comprenant une partie curviligne (71) de rayon de courbure R1 et une paroi sensiblement plane (72), - ledit bol ayant un diamètre d'ouverture du bol D1, un diamètre moyen de fond de bol D2, un diamètre de col D3, une profondeur de bol H1, une profondeur de col H2, une distance d entre le sommet (61) du téton et la surface supérieure (31) du piston, une section de sortie S et un volume total V, et remplissant au moins l'une des conditions suivantes. - D1/ H1 entre 2 et 3, 5; - R2/R1 entre 0,6 et 0, 85; - D2/D1 inférieur à 0,7; - D3/D1 entre 0.7 et 0.9; - H2 /H1 entre 0,6 et 0,85. - 0 inférieur à 35 ; et/ou, - S/V entre 0,75 mm-1 et 1,5 mm-1.