Brevet FR2887295A1 — publié le 20061222

PROCEDE DE DETERMINATION D'UNE CHAMBRE DE COMBUSTION HOMOGENE D'UN MOTEUR A TAUX DE COMPRESSION VARIABLE L'invention concerne le domaine des moteurs à injection directe de carburant, et en particulier de type diesel à quatre temps, tel qu'utilisé dans l'industrie automobile. L'invention concerne plus particulièrement une chambre de combustion d'un moteur à injection directe à taux de compression géométrique variable appliquée à la combustion homogène diesel. Un moteur diesel à injection directe de carburant comprend classiquement au moins une chambre de combustion formée par un cylindre, par une culasse formant couvercle au-dessus du cylindre, sur laquelle sont montés au moins une soupape d'admission, au moins une soupape d'échappement et injecteur central de carburant, et par un piston monté coulissant dans le cylindre entre un point mort haut (PMH) et un point mort bas (PMB), et présentant sur sa face supérieure une cavité en forme de bol. Un moteur à combustion homogène est un moteur dans lequel le ratio carburant/comburant est sensiblement constant dans toute la chambre de combustion. Le moteur à combustion homogène fonctionne par auto- inflammation d'une charge homogène obtenue par exemple, en injectant le carburant très tôt dans la phase de compression. Le carburant subit des conditions favorables aux mécanismes réactionnels, et donc à l'auto- inflammation, sur une durée plus longue que dans le cas d'un moteur Diesel à combustion classique . La combustion homogène repose donc sur de longs délais d'autoinflammation couplés à des vitesses de combustion ralenties. Le début de la combustion est contrôlé en appliquant de faible taux de compression dans la chambre de combustion. Le contrôle de la vitesse de combustion est obtenu avec des taux de gaz de re-circulation (EGR) importants. La combustion homogène permet une réduction du bruit et des émissions de polluants, et est essentiellement axée vers la diminution des émissions d'oxydes d'azote (NOx) et/ou de fumées (I0F). Ce faible taux de compression et ce fort taux d'EGR, nécessaires pour rendre viable la combustion homogène sur les points chargés du cycle normalisé, génèrent des émissions importantes de polluants de type hydrocarbures (HC) ou oxyde de carbone (CO) lorsque le moteur est froid, à faible charge et/ou à faible régime. Le faible taux de compression rend difficile le démarrage à froid puisque la montée en pression de la chambre de combustion est moindre. Pour contrôler ces émissions d'HC et CO, il a été proposé des systèmes d'injection spécifiques pour optimiser le compromis global des émissions de polluants HC, CO, I0F, et NOx. Les réglages spécifiques pour limiter les émissions d'HC et CO vont dégrader en partie les autres prestations du moteur, notamment la consommation, le bruit, et les émissions I0F, NOx. Cette dégradation est d'autant plus dommageable que l'intérêt principal de la combustion homogène réside dans l'approche zéro NOx . Il a également été proposé des systèmes de distribution variable de carburant. De tels systèmes peuvent être efficaces pour diminuer les émissions de CO et HC mais génèrent des surconsommations supérieures à 1o%, principalement dues aux pertes par pompage. Par ailleurs, il est connu de faire varier le taux de compression dans la chambre en faisant varier le taux de compression géométrique, le taux de compression géométrique étant le rapport du volume maximal de la chambre de combustion lorsque le piston est au PMB sur le volume minimal ou volume mort de la chambre lorsque le piston est au PMH. Pour ce faire, il est connu des systèmes de variation de taux de compression géométrique qui peuvent faire varier le volume mort, et qui plus particulièrement agissent sur le piston pour faire varier la distance piston-culasse au PMH entre une distance piston-culasse maximale correspondant à un taux de compression géométrique minimal et une distance piston-culasse minimale correspondant à un taux de compression géométrique maximal. Dans la conception des chambres de combustion actuelle, l'objectif est de minimiser au maximum la distance piston-culasse pour éviter une pulvérisation de carburant en dehors du bol. Pour ce faire, les caractéristiques structurelles nominales de la chambre de combustion, qui sont les caractéristiques structurelles de référence pour une combustion optimisée, sont toujours définies lorsque la face du piston est placée au plus près de la culasse au PMH. La distance piston-culasse peut ainsi être minimisée tout en évitant les impacts entre le piston et les soupapes. Ainsi, à partir d'une définition technique nominale des caractéristiques structurelles de la chambre, les variations de distance piston-culasse ne pourront qu'augmenter le volume mort et donc aller dans le sens d'une diminution du taux de compression géométrique. De ce fait, les systèmes de variation de taux de compression précités n'ont à ce jour pas été envisagés dans le cadre de la combustion homogène. Le but de la présente invention est de pallier les inconvénients précités, notamment de proposer une solution visant à réduire les émissions d'HC et CO dans le cas d'une combustion homogène à faible régime, faible charge et/ou en démarrage à froid. A cet effet, la présente invention a pour objet un procédé de détermination des caractéristiques structurelles nominales d'une chambre de combustion d'un moteur à injection directe de carburant à rapport de compression géométrique variable, ladite chambre de combustion étant formée par un cylindre, par une culasse formant couvercle au-dessus du cylindre, sur laquelle sont montés au moins une soupape d'admission, au moins une soupape d'échappement et injecteur central de carburant, et par un piston monté coulissant dans le cylindre entre un point mort haut et un point mort bas, et présentant sur sa face supérieure une cavité en forme de bol, éventuellement muni d'un téton central, ledit moteur à injection comprenant un système de variation du taux de compression géométrique agissant sur le piston, apte à faire varier la distance piston-culasse au point mort haut du piston entre une distance piston- culasse maximale correspondant à un taux de compression géométrique minimal et une distance piston-culasse minimale correspondant à un taux de compression géométrique maximal, caractérisé en ce que la détermination des caractéristiques structurelles nominales de la chambre de combustion est effectuée avec une distance piston-culasse importante, proche ou sensiblement égale à ladite distance piston-culasse maximale, correspondant à un taux de compression géométrique faible, inférieur ou égal à 16, de préférence compris entre 14 et 10. La présente invention propose d'optimiser les caractéristiques structurelles nominales d'une chambre de combustion avec une distance piston-culasse qui n'est plus minimale, en vue d'augmenter le taux de compression géométrique dans certaines conditions de fonctionnement du moteur, via un système de variation de taux de compression géométrique apte à faire varier la distance piston-culasse. La demanderesse s'est aperçue que, de manière surprenante, la combustion homogène supporte très bien une augmentation importante de la distance piston-culasse, des essais ayant montrés que les principales réponses moteur sur les émissions de polluants sont satisfaites et ne montrent pas de dégradation sensible avec l'augmentation de la distance piston-culasse. Le procédé de détermination ou d'optimisation de la chambre de combustion selon l'invention permet d'optimiser la combustion homogène sur les points chargés du cycle normalisé avec un faible taux de compression, par exemple inférieur à 14, et d'optimiser le démarrage à froid et les émissions d'HC et de CO aux faibles régimes et faibles charges avec un taux de compression élevé, par exemple de l'ordre de 18. On entend par combustion homogène tous types de combustion associant de forts taux d'EGR à de faible taux de compression. La détermination des caractéristiques structurelles nominales consiste notamment à définir la géométrie du bol, l'enfoncement de l'injecteur, le niveau de swirl, le système d'injection, notamment l'angle de nappe des jets de carburant, la pression d'injection.... Par rapport à une optimisation classique de la chambre de combustion à partir d'une distance piston-culasse minimum, le volume de bol selon l'invention se trouve réduit. Selon une particularité, la détermination des caractéristiques structurelles nominales est réalisée pour une pression moyenne effective (PME) supérieure à 4 bars. Selon une autre particularité, la détermination des caractéristiques structurelles nominales est réalisée pour une distance piston-culasse maximale inférieure ou égale à 4 mm, par exemple comprise entre 3 et 4 mm, la distance piston-culasse minimale étant par exemple comprise entre 0,5 et 0,7 mm, cette distance piston-culasse minimale correspondant sensiblement à l'épaisseur du joint de culasse écrasé. Avantageusement, l'angle de nappe des jets de carburant délivré par l'injecteur est compris entre 40 et 100 . L'utilisation d'un angle de nappe étroit permet de limiter les risques d'injection de carburant en dehors du bol. L'invention a également pour objet un moteur à injection directe de carburant à rapport de compression géométrique variable comprenant -au moins une chambre de combustion formée par un cylindre, par une culasse formant couvercle au-dessus du cylindre, sur laquelle sont montés au moins une soupape d'admission, au moins une soupape d'échappement et injecteur central de carburant, et par un piston monté coulissant dans le cylindre entre un point mort haut et un point mort bas, et présentant sur sa face supérieure une cavité en forme de bol, - un système de variation du taux de compression géométrique agissant sur le piston, apte à faire varier la distance piston-culasse au point mort haut du piston entre une distance piston-culasse maximale correspondant un taux de compression géométrique minimal et une distance piston-culasse minimale correspondant à un taux de compression géométrique maximal, et - un système de commande dudit système de variation du taux de compression géométrique, caractérisé en ce que les caractéristiques structurelles nominales de la chambre de combustion sont déterminées par le procédé défini précédemment, ledit système de commande étant apte à commander le système de variation pour augmenter le taux de compression géométrique, par exemple au-delà de 14, et de préférence à une valeur comprise entre 16 à 18, lorsque la température du moteur est inférieure à une valeur seuil, pour le démarrage à froid du moteur, et/ou le régime moteur est inférieur à une valeur seuil, par exemple de l'ordre de 2000 tr/min, et/ou la PME est inférieure à une valeur seuil, par exemple de 4 bars, pour diminuer les émissions de polluants, notamment les émissions d'HC, CO aux faibles régimes et/ou aux faibles charges. 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 en coupe longitudinale du cylindre d'un moteur selon l'invention, illustrant le piston au PMH, avec une distance pistonculasse maximale; et, - la figure 2 représente une vue analogue à celle de la figure 1, illustrant le piston au PMH avec une distance piston- culasse minimale. La figure 1 représente un cylindre 1 de moteur à injection directe selon l'invention, en particulier d'un moteur de type diesel à 4 temps. 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 11 du cylindre. La chambre de combustion 6 est délimitée par la culasse et la face supérieure 31a de la tête ou couronne 31 de piston qui coulisse entre son point mort bas PMB et son point mort haut PMH. La tête comprend en partie inférieure un axe 32 pour la fixation de la tête d'une bielle apte à transformer le mouvement de translation du piston en un mouvement de rotation d'un vilebrequin. La face supérieure 31a 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 51 relié par une paroi latérale 52 à la face supérieure 31a, cette dernière formant une zone de chasse frontale annulaire entourant le bol. Le téton 51 présente une forme conique ou tronconique, avec un sommet arrondi ou sensiblement horizontal. La paroi latérale peut être verticale ou présenter une concavité. Dans le mode de réalisation illustré, la paroi latérale comprend une partie concave ou torique 53 raccordée à la paroi conique du téton, cette partie torique étant raccordée à la face supérieure par une partie sensiblement cylindrique formant un col rentrant 54. La culasse 2 comprend un injecteur central de carburant 4, disposé sensiblement selon l'axe A du cylindre. L'injecteur comporte une tête ou nez d'injection 41 disposé en saillie dans la chambre de combustion et muni de trous pour injecter des jets de carburant en une nappe conique. La culasse comprend également une bougie de réchauffage et des soupapes d'admission et d'échappement (non représentées), par exemple deux soupapes d'admission et deux soupapes d'échappement, disposées autour de l'injecteur. Le moteur regroupe plusieurs cylindres avec des chambres de combustion analogues. Le moteur comprend un système de variation de taux de compression géométrique dit système VCR, connu en soi, pour faire varier la position du PMH du piston, à savoir la distance piston-culasse (dpc) au PMH, entre une distance maximale (dpc-max) illustrée à la figure 1, et une distance piston-culasse minimale (dpc-mini) illustrée à la figure 2. Le système VCR permet donc de faire varier le volume mort au PMH, qui correspond au volume de bol additionné au volume compris entre la face supérieure 31a du piston et la face inférieure 2a de la culasse. Le système VCR est un système modifiant la cinématique de la bielle tel que celui décrit dans le document US 6 615 773. Le système VCR est commandé par un système de commande pour faire varier le taux de compression géométrique en fonction de la température du moteur, du régime moteur et du niveau de charge. Le système de commande comprend un capteur de température de fluide, un capteur de régime moteur (N) et un capteur de pression détectant la Pression Moyenne Indiquée (PMI) dans la chambre de combustion, à partir de laquelle le système de commande déduira la Pression Moyenne efficace (PME) représentative du niveau de charge. Selon l'invention la chambre de combustion est mise 35 au point pour une distance piston-culasse importante au PMH, par exemple égale à la dpc-max, en vue d'une combustion homogène à faible taux de compression, inférieure à 16, pour des PME supérieures ou égale à 4 bars. Lors de cette mise au point, les caractéristiques structurelles de la chambre de combustion vont être figées, notamment la forme du bol (volume du bol, forme de la paroi latérale, forme du téton, dont l'angle au sommet du téton), la forme de la culasse, l'enfoncement de l'injecteur, la forme des soupapes, le niveau de swirl , l'angle de nappe a des jets de carburant, et la pression d'injection. Cette définition technique nominale de la chambre de combustion avec une distance piston-culasse importante au PMH sera utilisée sur la majeure partie du cycle de combustion homogène. Une fois que la chambre de combustion est optimisée avec une forte distance piston-culasse, et donc un faible taux de compression, il est par la suite possible d'augmenter le taux de compression localement dans le champ moteur pour des faibles charges et/ou faibles régimes à l'aide du système VCR, en déplaçant la position du PMH du piston vers le haut, vers une distance piston-culasse minimale. Le système VCR et son système de commande associé permettront de faire varier continûment la distance piston-culasse, en fonction des signaux reçus par les capteurs de pression, de régime moteur (N) et de température de moteur. En variante, la distance piston-culasse sera directement amenée à la dpc-mini dès que la température et/ou le régime moteur et/ou le niveau de charge sont inférieurs à des valeurs seuils. Le moteur permet ainsi d'améliorer la prestation démarrage à froid, de diminuer sensiblement les émissions d'HC et de CO à froid et/ou à faibles charges et d'augmenter la zone d'exploitation de la combustion homogène, par exemple de type HCCI, en permettant d'appliquer des taux de compression très bas, inférieur à 14, avec lesquels il était à ce jour impossible de démarrer. A titre d'exemple, la chambre de combustion est optimisée pour une distance piston-culasse maximale d'environ 3 mm correspondant à un faible taux de compression d'environ 14. La distance piston-culasse minimale est de l'ordre de 0,5 mm, et correspond à un taux de compression géométrique d'environ 18. Avantageusement, l'injecteur 4 est apte à délivrer des jets de carburant avec un angle de nappe étroit, de sorte que les jets de carburant soient guidés par la paroi conique du téton central, lorsque le piston se trouve au voisinage du PMH. L'angle au sommet du téton sera adapté à l'angle de nappe de sorte que les jets soient injectés sensiblement le long de la paroi conique du téton, le mélange carburant/ gaz d'admission résultant s'enroulant alors dans le tore de la paroi latérale. La forme de bol obtenue après une optimisation classique de la chambre de combustion avec une faible distance piston-culasse, pour une même cible de rapport de compression géométrique a été représentée schématiquement en traits discontinus sur la figure 2. Le volume de bol après une optimisation de chambre de combustion selon l'invention, avec une forte distance se révèle inférieur à celui obtenu après une optimisation classique, la réduction correspondant globalement à la différence de volume mort entre dpc-max et dpc-mini. Le volume de bol selon l'invention est en fait sensiblement équivalent au volume de bol obtenu par une optimisation classique de l'art antérieur pour des forts taux de compression qui seraient appliqués pour le démarrage et pour les conditions de faibles régimes et/ou de faibles charges. La définition de la chambre de combustion peut avantageusement être effectuée pour une distance piston- culasse importante proche de la dpcmaxi, mais qui demeure inférieure à la dpc-maxi, jusqu'à une valeur par exemple de 10, de manière à permettre un abaissement du taux de compression géométrique dans des conditions de fonctionnement particulières du moteur, notamment dans le cas de très fortes charges, par exemple pour une PME supérieure à 8 bars et/ou à très fort régime, par exemple N supérieur à 3000 tr/min. 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. Procédé de détermination des caractéristiques structurelles nominales d'une chambre de combustion d'un moteur à injection directe de carburant à rapport de compression géométrique variable, - ladite chambre de combustion (6) étant formée par un cylindre (1), par une culasse (2) formant couvercle au-dessus du cylindre, sur laquelle sont montés au moins une soupape d'admission, au moins une soupape d'échappement et injecteur central de carburant (4), et par un piston (3) monté coulissant dans le cylindre entre un point mort haut et un point mort bas, et présentant sur sa face supérieure une cavité en forme de bol (5), éventuellement muni d'un téton central (51), - ledit moteur à injection comprenant un système de variation du taux de compression géométrique agissant sur le piston, apte à faire varier la distance piston-culasse au point mort haut du piston entre une distance piston- culasse maximale (dpc-max) correspondant à un taux de compression géométrique minimal et une distance piston-culasse minimale (dpc-mini) correspondant à un taux de compression géométrique maximal, caractérisé en ce que la détermination des caractéristiques structurelles nominales de la chambre de combustion est effectuée avec une distance piston-culasse importante, proche ou sensiblement égale à ladite distance piston-culasse maximale, correspondant à un taux de compression géométrique faible, inférieur ou égal à 16, de préférence compris entre 14 et 10. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la détermination des caractéristiques structurelles nominales est réalisée pour une pression moyenne effective (PME) supérieure à 4 bars. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 à 2, caractérisé en ce que la détermination des caractéristiques structurelles nominales est réalisée pour une distance piston-culasse maximale inférieure ou égale à 4 mm. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'angle de nappe (a) des jets de carburant délivré par l'injecteur est compris entre 40 et 1000. 5. Moteur à injection directe de carburant à rapport 10 de compression géométrique variable comprenant - au moins une chambre de combustion (6) formée par un cylindre (1), par une culasse (2) formant couvercle audessus du cylindre, sur laquelle sont montés au moins une soupape d'admission, au moins une soupape d'échappement et injecteur central de carburant (4), et par un piston (3) monté coulissant dans le cylindre entre un point mort haut et un point mort bas, et présentant sur sa face supérieure une cavité en forme de bol, - un système de variation du taux de compression géométrique agissant sur le piston, apte à faire varier la distance piston-culasse au point mort haut du piston entre une distance piston-culasse maximale correspondant à un taux de compression géométrique minimal et une distance piston-culasse minimale correspondant à un taux de compression géométrique maximal, et - un système de commande dudit système de variation de taux de compression géométrique, caractérisé en ce que les caractéristiques structurelles nominales de la chambre de combustion sont déterminées par le procédé selon l'une des revendications 1 à 4, ledit système de commande étant apte à commander le système de variation pour augmenter le taux de compression géométrique lorsque - la température du moteur est inférieure à une 35 valeur seuil, pour le démarrage à froid du moteur, et/ou - le régime moteur est inférieur à une valeur seuil, et/ou la PME est inférieure à une valeur seuil, pour diminuer les émissions de polluant, notamment les émissions d'HC, CO aux faibles régimes et/ou aux faibles charges.