Brevet FR2892452A1 — publié le 20070427

-1- CHAMBRE DE COMBUSTION POUR MOTEUR A INJECTION DIRECTE ET MOTEUR COMPORTANT LADITE CHAMBRE [0001] L'invention concerne les techniques d'injection dans des chambres de combustion, et plus particulièrement les techniques d'injection directe. L'invention a également pour objet des moteurs équipés de ces chambres de combustion. [0002] Pour améliorer le rendement d'un moteur à combustion interne, il est indispensable de contrôler précisément la quantité de carburant injectée dans chaque cylindre et l'instant de cette injection par rapport aux cycles des pistons. Ce contrôle de l'injection permet l'optimisation de la composition du mélange carburé, avec en corollaire la réduction des consommations de carburants et des émissions de polluants (comme les particules de suies) et de gaz nocifs, en particuliers des oxydes d'azote NOx, des hydrocarbures imbrûlés et du monoxyde de carbone. [0003] Pour ce faire, les motoristes ont depuis plusieurs années quasi systématiquement recours à une injection directe du carburant dans la chambre de combustion. Pour améliorer encore les performances, il est souhaitable de favoriser l'atomisation du jet de carburant pour contribuer à l'homogénéité du mélange carburé. Il est connu qu'une réduction du diamètre du trou de l'injecteur favorise cette atomisation du jet en créant des gouttes plus petites ce qui conduit à une évaporation plus rapide du carburant, résultant dans un mélange plus homogène avec l'air de la chambre de combustion qui va conduire à une combustion moins polluante. [0004] Si du point de vue théorique cette réduction du diamètre de l'injecteur est souhaitable, elle s'accompagne en pratique d'une augmentation du risque d'encrassement de l'injecteur dû à la formation de dépôts à la sortie de l'injecteur, selon un phénomène couramment connu sous son appellation anglo-saxonne de cocking .En effet, ce dépôt qui se forme progressivement au cours de l'utilisation du moteur possède une épaisseur qui ne dépend pas de la taille du trou. Donc, plus le trou est petit, plus le rapport entre l'épaisseur du dépôt et le diamètre du trou est élevé. L'effet de l'encrassement (qui se traduit par une réduction du diamètre réel de sortie) augmente donc quand la taille du trou diminue. [0005] Dans le cas des moteurs Diesel, le problème principal généré par cet encrassement est la perte de débit engendrée par la restriction de la section de passage dans le trou de l'injecteur. Cette perte de débit entraîne une baisse de puissance du moteur, baisse régulière au fur et à mesure de la progression de l'encrassement. -2- 6] Dans le cas des moteurs essence, le problème est plutôt celui de la perte de précision engendrée par l'encrassement. En effet, pour une parfaite maîtrise de l'allumage, la géométrie du spray de carburant, son interaction avec le piston et sa position par rapport à la bougie doivent être parfaitement maîtrisés. Plus l'encrassement augment, plus le jet de carburant est difficilement quantifiable et surtout, les risques de ratés du moteur deviennent non négligeables et ceci d'autant plus que dans de nombreux cas, des mélanges carburés pauvres sont utilisés, c'est-à-dire des mélanges dont la teneur en carburant est inférieure à la teneur stoechiométrique selon l'équilibre de la réaction de combustion. [0007] Pour remédier à ces problèmes d'encrassement, de multiples solutions ont été proposées. Des techniques de nettoyage sont connues par exemple des documents US 2002/0070298 ou encore EP 1533519. Outre que ces dispositifs sont plus ou moins fiables, ils entraînent nécessairement un surcoût, tant financier qu'en encombrement (ce qui est loin d'être négligeable compte tenu de nombre de tuyauteries et d'équipements qui doivent déjà être placés au niveau de la culasse). Il a aussi été proposé par exemple selon US 5512068 d'ajouter un additif au carburant, cet additif étant supposé limiter l'encrassement, mais qui à l'évidence ne sont efficaces que si un carburant additivé est utilisé. [0008] D'autres techniques font appel à des modifications du dispositif d'injection proprement dit. Selon US 5860394, la température de la buse est contrôlée au moyen d'une circulation d'un liquide de refroidissement û ce qui impose la réalisation d'une chambre d'eau entre la culasse et l'injecteur. Selon US 6145763, l'extrémité ou nez de l'injecteur est revêtue d'un dépôt fluoré anti-adhésif conçu pour éviter les dépôts carbonés. Selon US2004035954, la géométrie de l'injecteur est modifiée, mais selon un concept difficilement applicable aux injecteurs dits multitrous qui comportent une aiguille internes, tels que les injecteurs communément employés pour les moteurs Diesel. [0009] La présente invention a pour but un moyen [0010] Ce problème est résolu selon l'invention par l'interposition d'un écran entre l'injecteur et la chambre de combustion, cet écran étant muni de lumières en regard des trous de l'injecteur pour le passage du jet de carburant. [0011] L'écran selon l'invention permet de se placer aux environs des trous de l'injecteur dans des conditions plus défavorables à des réactions de surface conduisant à des dépôts, que ce soit du point de vue de la température que du point de vue de la présence des réactants. -3- 2] Dans une première variante de l'invention, le trou de l'injecteur pratiqué dans la culasse est simplement agrandi afin de laisser un certain débattement pour la mise en place d'un écran. [0013] Selon une autre variante, l'écran peut être au moins pour partie lié à l'injecteur (ou au porte-injecteur), par exemple par collage. [0014] Pour éviter une déformation du jet de carburant, la lumière doit être plus large que le trou en regard duquel elle est placée, avec un rapport des surfaces équivalentes entre environ 10 et environ 400, ou exprimé en terme de diamètres équivalents, un rapport des diamètres compris entre environ 3 et environ 20. [0015] D'autres détails et caractéristiques avantageuses de l'invention ressortent de la description faite ci-après en référence aux figures annexées dans lesquelles : [0016] La figure 1 est un schéma de principe d'implantation de la protection d'injecteur permettant d'isoler la buse de la chambre de combustion ; [0017] La figure 2 est un détail de l'agencement et des caractéristiques de l'écran de protection de l'injecteur conforme à l'invention ; [0018] La figure 3 est une vue de détail d'un trou d'injecteur à section constante mettant en évidence le phénomène de cavitation ; [0019] La figure 4 est une vue de détail d'un trou d'injecteur tronconique, conformément à une variante préférée de l'invention [0020] Sur la figure 1 est représenté schématiquement la partie supérieure d'une chambre de combustion 1 pour un moteur à injection directe. Cette chambre 1 est délimitée d'une part par le cylindre 2 et d'autre part par une culasse 3, ici représenté droite mais classiquement en forme de dôme. [0021] Dans la chambre 1 débouche au moins un conduit d'admission d'air et au moins un conduit d'échappement, ainsi qu'une bougie dans le cas des moteurs à allumage commandé. Ces éléments bien connus des hommes de l'art n'ont pas été ici représentés par souci de clarté. [0022] La culasse est munie d'un passage 4 dans lequel vient se loger l'injecteur 5. L'injecteur comporte une tête 6 et une partie terminale 7 qui débouche dans la chambre de combustion 1, communément appelée nez de l'injecteur. Dans le cas ici représenté -4- mais non limitatif, l'injecteur est du type multitrous c'est-à-dire que sa tête 6 présente une série de trous dont l'axe de symétrie admet une composante radiale de sorte qu'il se forme une pluralité de jets qui s'écartent de l'axe de symétrie 8 de l'injecteur. Un injecteur multitrous comporte en règle générale de 4 à 12 trous et son utilisation permet une meilleure répartition du carburant dans la chambre de combustion. [0023] Conformément à l'invention, un écran 10 est disposé entre l'injecteur 5 û ou du moins entre la tête et le nez de l'injecteur, dans la zone proche de la chambre de combustion 1 et cette chambre de combustion. Cet écran 10 a essentiellement pour fonction de protéger l'injecteur pour empêcher la flamme de se propager à proximité de la partie terminale de l'injecteur. En effet, même si les mécanismes physiques de formation des dépôts sont relativement mal connus, il est certain que ceux-ci font intervenir une combinaison de facteurs au nombre desquels la composition du carburant, les caractéristiques de la combustion et la température. [0024] Grâce à l'écran, l'injecteur est isolé des espèces réactives liées à la combustion et aux fortes températures qui en découlent qui en soient, favorisent la cinétique des réactions de formation de dépôt. L'écran permet donc à la fois de limiter la quantité de réactants à proximité des trous de l'injecteur et de ralentir la vitesse de dépôt pour les espèces qui parviennent néanmoins dans la zone d'injection. [0025] A noter que dans le cas du brevet US 5860394 précité, si le système de circulation d'eau autour de l'injecteur permet de même d'abaisser la température de la tête d'injection, il ne permet pas d'isoler la tête de la flamme, ce qui rend le procédé moins efficace. [0026] L'écran doit bien sûr être réalisé dans un matériau susceptible de résister aux températures régnant dans la chambre de combustion. Il pourra donc être réalisé en matériau céramique ou, dans une variante plus spécialement préférée en raison de sa simplicité et de son moindre coût en métal. Pour favoriser l'effet de protection thermique de l'injecteur, l'écran sera de préférence encore choisi dans un matériau très bon conducteur thermique, comme par exemple l'aluminium ou le cuivre. Dans ces conditions, les échanges thermiques s'effectueront essentiellement vers la culasse et non vers l'injecteur. [0027] Pour laisser passer les jets de carburants, l'écran doit être pourvu d'une lumière en regard de chaque trou de l'injecteur. Ceci est plus particulièrement illustré à la figure 2 qui présente un schéma du nez d'injection dans lequel on reconnaît une partie de l'aiguille 11 qui permet de commander l'ouverture des trous, de sorte que dans la position ici -5- représentée, un canal 12 est formé permettant au carburant de cheminer jusqu'au trou 13 pour former un cône de carburant 8. L'écran 10 comporte une lumière 14 placé en regard du trou 13. [0028] Comme illustré plus particulièrement à la figure 2, ces lumières sont de préférence relativement grandes par rapport à la taille des trous. En pratique, le diamètre équivalent d'une lumière sera par exemple compris entre environ 3 et environ 20 fois le diamètre équivalent du trou de l'injecteur lui faisant face. Il est en effet important que les trous pratiqués dans l'écran de protection laissent passer les jets de carburants sans interagir avec ceux-ci. Or le principe dit de coincement d'une flamme, aussi connu sous le terme anglo-saxon de quenching , stipule qu'il y a toujours interaction entre une flamme et une paroi métallique si la flamme et la paroi sont situées à une distance inférieure à une distance critique, généralement considérée comme étant de l'ordre du millimètres. Par ailleurs, il est clair que si ces passages sont trop grands, l'écran ne peut plus exercer de fonction protectrice. [0029] Dans le cas d'un injecteur multitrous avec des trous dont le diamètre est par exemple compris entre 80 pm et 150 pm, cette condition sera ainsi remplie en pratiquement des lumières d'un diamètre compris entre environ 0,5 et environ 2mm. [0030] Il faut de plus noter que les contraintes géométriques font que l'écran est situé à une certaine distance du débouché de l'injecteur (rappelons que les diamètres des trous de l'injecteur sont très petits), et que par conséquent, le cône de projection du jet de carburant est déjà quelque peu élargi au niveau de l'écran. [0031] Sur la figure 2, il peut de plus être noté que le trou de l'injecteur est tronconique avec la plus petite section au débouché de l'injecteur. Cette forme est particulièrement avantageuse lorsque les trous de l'injecteur sont petits, notamment inférieurs à 150 pm. [0032] A la figure 3, on a représenté le schéma de l'écoulement du carburant dans un trou d'injecteur ayant une forme conventionnelle 13', avec une section droite constante. On note la présence de poches de cavitation 15 de sorte que la plus petite dimension du jet de carburant n'est pas au débouché mais dans une région voisine de l'entrée du trou. [0033] Ce phénomène de cavitation crée des pertes de charges d'autant plus gênantes que l'on cherche à réduire la taille des trous mais sans nécessairement réduire la quantité totale de carburant injectée. Avec une géométrie du trou optimisée, comme illustré figure 4, c'est-à-dire avec un trou tronconique se rétrécissant en direction de son débouché, ce -6- phénomène de cavitation est essentiellement évité et la section de passage efficace est de fait augmentée ce qui favorise la perméabilité de l'injecteur. 4] Comme indiqué plus haut, éviter le phénomène de cavitation par l'utilisation d'un trou tronconique fait que le débit dépend seulement du diamètre au débouché. Mais ceci rend d'autant plus utile un évitement du phénomène d'encrassement au niveau de ce débouché. La combinaison de trous tronconiques et d'un écran de protection est donc tout particulièrement importante lorsque les trous sont petits. 5] L'invention peut être appliquée à des moteurs à allumage commandé (cycle Otto) mais est plus particulièrement intéressante pour des moteurs du type Diesel Io Revendications 1. Chambre de combustion pour moteur à injection directe dans laquelle débouche un injecteur de carburant caractérisée par l'interposition d'un écran entre la chambre et l'injecteur, l'écran étant muni d'une lumière en regard de chaque trou de l'injecteur pour le passage des jets de carburant. 2. Chambre selon la revendication 1, caractérisée en ce que le diamètre équivalent d'une lumière est compris entre environ 3 et environ 20 fois le diamètre équivalent du trou de l'injecteur lui faisant face. 3. Chambre selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'écran est réalisé dans un matériau bon conducteur thermique. 4. Chambre selon la revendication 3, caractérisée en ce que l'écran est en aluminium ou en cuivre. 5. Chambre selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que les trous de l'injecteur ont un diamètre inférieur à 150 pm. 6. Chambre selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'injecteur est du type multitrous. 7. Chambre selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que les trous de l'injecteur sont tronconiques, avec la plus petite section au débouché dans la chambre de combustion. 8. Moteur Diesel avec une chambre de combustion conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 6.