Brevet FR2898638A1 — publié le 20070921

La présente invention se rapporte à un procédé destiné à assurer le mélange d'au moins un fluide gazeux et d'un carburant dans la chambre de combustion d'un moteur à combustion interne à injection directe, notamment de type Diesel. L'invention concerne également un moteur à combustion interne utilisant un tel procédé. Il est déjà connu dans les moteurs Diesel à combustion traditionnelle d'utiliser une admission du fluide gazeux, tel que de l'air ou un mélange d'air et de gaz d'échappement recirculés, avec un mouvement particulier pour favoriser le mélange entre ce fluide et le carburant injecté dans la chambre de combustion d'un cylindre. Ceci permet d'obtenir un mélange carburé plus ou moins homogène qui peut ensuite brûler, en partie, par auto-inflammation en pré-mélange. Pour obtenir un tel mélange, il est connu de donner un mouvement tourbillonnaire à ce fluide gazeux, c'est-à-dire un mouvement de rotation de ce fluide autour d'un axe sensiblement parallèle ou confondu à celui du cylindre et plus particulièrement à celui de la chambre de combustion. Ce mouvement est généré, soit après l'admission de ce fluide dans la chambre de combustion, soit dès son entrée dans cette chambre pour que ce fluide gazeux se mélange ensuite "par brassage" avec le carburant injecté sous forme de fines gouttelettes et qui se vaporisent. Ce mouvement tourbillonnaire du fluide gazeux est plus connu par l'homme du métier sous le terme anglais de "swirl". De nombreux dispositifs sont connus pour générer l'énergie nécessaire à l'obtention de ce "swirl". Généralement, cette énergie provient de conformations spécifiques de tubulures d'admission. Ainsi, ce "swirl" peut découler d'au moins une tubulure d'admission disposée tangentiellement et de manière radiale à la chambre de combustion, dite tubulure tangentielle. Le fluide gazeux contenu dans cette tubulure est admis le long de la paroi du cylindre et circule selon un mouvement tourbillonnaire autour de l'axe principal de la chambre de combustion. Le "swirl" peut être également généré par au moins une tubulure de forme hélicoïde, dite tubulure hélicoïdale, qui est conformée de telle sorte que le fluide gazeux ait déjà un mouvement tourbillonnaire dès son entrée dans cette chambre de combustion, comme cela est mieux décrit dans la demande de brevet français N 2792 034. Il peut être également envisagé d'associer au moins une tubulure tangentielle avec au moins une tubulure hélicoïdale pour générer ce mouvement tourbillonnaire. Le "swirl" donné au fluide gazeux a pour avantage d'améliorer le mélange de ce fluide avec le carburant tout en diminuant les émissions de polluants, telles que les fumées. Cependant, la disposition dans la culasse du moteur de la tubulure tangentielle et/ou de la tubulure hélicoïdale est parfois difficile compte tenu essentiellement des éléments contenus dans cette culasse, comme son circuit de circulation du liquide de refroidissement. De plus, l'encombrement autour du moteur peut rendre difficile l'implantation de telles tubulures ou n'en autoriser que partiellement la mise en place, ce qui ne permet pas d'obtenir le "swirl" souhaité. La présente invention se propose de remédier aux inconvénients mentionnés ci-dessus grâce à un procédé et à un moteur qui permettent d'obtenir un meilleur mélange du fluide gazeux avec le carburant injecté dans la chambre de combustion sans pour cela utiliser uniquement le "swirl" généré par des tubulures. A cet effet, l'invention concerne un procédé pour assurer le mélange d'au moins un fluide gazeux avec du carburant dans au moins une chambre de combustion d'un moteur à combustion interne à injection directe, ladite chambre comprenant un bol concave dans lequel s'érige un téton et ledit moteur comprenant en outre un injecteur de carburant ainsi que des moyens d'admission d'au moins un fluide gazeux, caractérisé en ce qu'il consiste à introduire le fluide gazeux dans la chambre de combustion par les moyens d'admission et à réaliser une mise en rotation du carburant de manière à obtenir un mélange entre ledit fluide et ledit carburant dans ladite chambre. Le procédé peut consister à réaliser une mise en rotation dans un 5 mouvement tourbillonnaire du carburant après son injection dans la chambre de combustion. Le procédé peut consister à réaliser une mise en rotation du carburant dans un mouvement tourbillonnaire coaxial à celui de l'axe du téton. Le procédé peut consister à réaliser une mise en rotation du carburant à partir de la région du début du contact entre le carburant et le bol. L'invention concerne également un moteur à combustion interne 15 comprenant au moins un cylindre, une culasse, un piston coulissant dans ce cylindre, un injecteur de carburant avec un angle de nappe de jets, une chambre de combustion avec un bol concave dans lequel s'érige un téton, des moyens d'admission d'au moins un fluide gazeux, caractérisé en ce que la chambre de combustion comprend des moyens de mise en rotation du 20 carburant injecté. Les moyens de mise en rotation peuvent être placés sur au moins une des surfaces du bol. 25 Les moyens de mise en rotation peuvent être placés sur la région d'une des surfaces du bol où se produit le début du contact avec le carburant. Les moyens de mise en rotation peuvent comprendre une paroi déflectrice radiale en forme de portion d'hélice. Les moyens de mise en rotation peuvent comprendre une rainure radiale en forme de portion d'hélice comportant une paroi déflectrice. 10 30 La rainure peut comporter un fond courbe raccordé à une des surfaces du bol. Avantageusement, la rainure peut présenter une largeur circonférentielle évolutive. De manière préférentielle, l'angle de nappe de l'injecteur est choisi entre 0 et 120 . Les autres caractéristiques et avantages de l'invention vont ressortir à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif, et à laquelle sont annexées : - la figure 1 qui montre schématiquement un moteur à combustion 15 interne utilisant le procédé selon l'invention ; - la figure 2 qui est une vue schématique de dessus du piston du moteur de la figure 1 ; - la figure 3 qui est une vue en perspective du même piston du moteur et 20 - la figure 4 qui est une coupe locale selon la ligne AA de la figure 2. Sur la figure 1, un moteur à combustion interne, en particulier de type Diesel, comprend au moins un cylindre 10 d'axe vertical XX', une culasse 12, au moins une tubulure d'admission 14 de fluide(s) gazeux, tel que de l'air ou un 25 mélange d'air et de gaz recirculés (EGR), au moins une tubulure d'échappement 16. Les tubulures sont commandées en ouverture et en fermeture, chacune, par un moyen d'obturation tel que, respectivement, une soupape d'admission 18 et une soupape d'échappement 20. Ce moteur comprend également un piston 22 coulissant dans le cylindre 10 et un injecteur 30 de carburant 24 multi-jets, de préférence disposé dans l'axe XX' du cylindre et à partir duquel sont issus des jets 26 de carburant. Dans l'exemple non limitatif de la figure 1, l'injecteur de carburant est de type à faible angle de nappe a1 et est choisi pour que les parois du cylindre ne soient jamais mouillées par le carburant pour toute position du piston comprise entre +50 et +a ou entre -50 etùa, où a représente l'angle du vilebrequin pour la phase d'injection choisie par rapport au point mort haut (PMH), cet angle a étant supérieur à 50 et inférieur ou égal à 180 . Si CD désigne le diamètre du cylindre 10 (en mm) et F la distance (en mm) entre le point d'origine des jets de l'injecteur 24 et la position du piston correspondant à un angle de vilebrequin de 50 , alors l'angle de nappe a1 (en degré) sera inférieur ou égal à 2Arctg CD Une fourchette angulaire typique pour l'angle de nappe a1 est au plus de 120 et préférentiellement entre 40 et 100 . La chambre de combustion 28 du cylindre 10 est ainsi délimitée par la face interne de la culasse 12 en regard du piston 22, la paroi circulaire du cylindre 10 et la partie supérieure du piston 22. Cette partie supérieure comprend un bol concave 30 à l'intérieur duquel est disposé un téton 32 qui s'élève vers la culasse 12 en se situant au centre de 20 ce bol. Dans l'exemple représenté, l'axe général du bol 30, l'axe de l'injecteur 24 et l'axe du téton 32 sont confondus avec l'axe XX' du cylindre. Bien entendu, il peut être prévu que les axes du bol, de l'injecteur et du téton ne soient pas coaxiaux avec celui du cylindre, mais il est souhaitable que la disposition soit 25 telle que l'axe de la nappe de jets de carburant 26 issus de l'injecteur 24 et l'axe du téton 32 soient sensiblement coaxiaux. Le téton 32, de forme générale conique, comporte un sommet 34, de préférence arrondi, se poursuivant, en direction du fond 36 du bol, par un flanc incliné 38 sensiblement rectiligne. A partir de ce fond, ici sensiblement plat, part 30 une paroi latérale sensiblement rectiligne 40 inclinée en direction de l'axe XX' et rejoignant une surface sensiblement horizontale 42 de la partie supérieure du 2F piston 22 par une zone de jonction 43 (ou réentrant), qui se présente sous la forme d'un arrondi entre la paroi 40 et la surface 42. L'angle au sommet du téton 32 et l'angle d'inclinaison de la paroi latérale 40 du bol 30 sont adaptés sensiblement à l'angle de nappe al de l'injecteur 24, de façon à ce que, avec une injection de carburant proche du point mort haut combustion, le carburant soit injecté sensiblement le long du flanc 38 du téton, glisse le long de ce flanc, puis parcourt le fond plat 36 et enfin remonte le long de la paroi latérale 40 du bol pour sortir de ce bol. Bien entendu, il n'est pas écarté la possibilité selon laquelle l'angle d'inclinaison de la paroi latérale 40 du bol 30, l'angle au sommet du téton 32 et l'angle de nappe de l'injecteur 24 soient configurés de telle sorte que, avec également une injection de carburant proche du point mort haut combustion, le carburant soit injecté sur la paroi 40, glisse le long de cette paroi, arrive sur le fond 36, parcourt ce fond plat puis remonte le long du flanc 38 du téton pour enfin sortir du bol. En variante, il peut aussi être prévu que le carburant soit injecté, avec également une injection de carburant proche du point mort haut combustion, sur la zone 43 d'une manière telle que le carburant se divise en deux parties qui suivent des cheminements différents. Une première partie de ce carburant glisse le long de la paroi 40, du fond 36 et du flanc 38 et une autre partie se déplace sur la surface 42 de la partie supérieure du piston 22. La chambre de combustion 28 est adaptée à recevoir, par la tubulure d'admission 14, au moins un fluide gazeux, comme de l'air extérieur ou un mélange d'air et de gaz d'échappement recirculés (EGR), de telle manière que ce fluide soit mélangé avec le carburant introduit sous forme de gouttelettes dans cette chambre par l'injecteur 24. Pour permettre un meilleur mélange entre ce fluide gazeux et le carburant, il est prévu de créer un mouvement tourbillonnaire du carburant à l'intérieur de cette chambre, et plus particulièrement autour de l'axe XX' qui est ici confondu avec celui de la chambre de combustion. Plus particulièrement, ce mouvement tourbillonnaire est généré non pas par le fluide gazeux mais par le carburant présent dans ce bol. Dans la description qui va suivre, ce mouvement tourbillonnaire est procuré au carburant durant son introduction dans la chambre de combustion. Ainsi, pour pouvoir générer l'énergie nécessaire à la création d'un mouvement tourbillonnaire du carburant autour de l'axe XX', il est prévu de disposer à l'intérieur du bol des moyens de mise en rotation 44 du carburant durant son introduction. En se rapportant en plus aux figures 2 et 3, ces moyens comprennent des rainures 46 en forme de portion d'hélice, avantageusement identiques les unes avec les autres, qui sont disposées radialement à l'axe XX' et à équidistance angulaire les unes des autres. Ces rainures présentent, de manière préférentielle, une largeur, considérée circonférentiellement, qui est évolutive du début de l'hélice à sa terminaison. Il est prévu, en outre, d'avoir un nombre de rainures en forme de portion d'hélice identique au nombre de jets du carburant de manière à ce que chaque jet de carburant soit contrôlé par la rainure en vis-à-vis, comme cela sera explicité plus en détail dans la suite de la description. Dans le cas d'un injecteur à faible angle de nappe al comme évoqué ci-dessus, les rainures prennent naissance dans la région de contact entre le carburant et le téton, ici au niveau de la région du sommet 34 du téton 32, et se développent selon une courbure en forme d'hélice tout au long des surfaces du bol (flanc 38, fond 36 et paroi 40). A titre d'exemple comme montré sur les figures, il est prévu d'utiliser un injecteur de carburant avec six jets de carburant et conséquemment de prévoir six rainures identiques réparties régulièrement circonférentiellement autour de l'axe XX' en concordance avec les jets de carburant. Avantageusement, ces rainures ont un développé tel que leur largeur transversale augmente en fonction de la distance à l'axe XX' et plus particulièrement en fonction de l'éloignement de cet axe. Bien entendu, si un injecteur avec un fort angle de nappe de jets de carburant est utilisé, la région de contact entre le carburant et le bol se produira au niveau de la paroi latérale 40 de ce bol. Les rainures prendront donc naissance au niveau de cette paroi latérale et se développeront tout au long de la paroi 40, du fond 36 et du flanc 38 en ayant également une largeur transversale qui varie en fonction du rapprochement de l'axe XX'. Dans le cas d'une injection de carburant au niveau de la zone de jonction 43, il est prévu d'utiliser deux jeux de rainures. Un premier jeu dont les rainures, en forme de portion d'hélice, prendront naissance au niveau de cette zone et se développeront tout au long de la paroi 40, du fond 36 et du flanc 38 en ayant également une largeur transversale qui varie en fonction du rapprochement de l'axe XX' et un deuxième dont les rainures, également en forme de portion d'hélice, prendront aussi naissance au niveau de la zone 43 mais qui se développeront sur la surface 42 en ayant également une largeur transversale qui varie en fonction de sa distance avec l'axe XX'. Comme mieux illustré sur la figure 4, la section transversale des rainures a une forme spécifique qui permet, en association avec la forme en hélice de cette rainure, de mieux mettre en rotation le carburant dans un mouvement tourbillonnaire autour de l'axe XX'. Cette section de rainure, en forme sensiblement de U ouverte vers la culasse, se compose d'une paroi déflectrice 48, dénommée déflecteur dans la suite de la description, pour une des branches verticales du U et d'un fond 50 pour lequel l'autre branche du U et le fond de ce U sont confondus. Ce déflecteur est une paroi verticale sensiblement parallèle à l'axe XX et se développe selon la forme en hélice tout au long du flanc 38, du fond 36 et de la paroi 40. Le déflecteur est utilisé pour mettre en mouvement circonférentiel autour de l'axe XX' le carburant et le guider tout au long de son cheminement hors du bol. Le fond de la rainure est conformé de telle sorte qu'il soit confondu avec l'autre branche du U et présente une surface concave courbe 52 qui prend naissance au pied du déflecteur 48 et qui aboutit à la surface du fond 36 du bol en une arête 54 tout en suivant la courbure du déflecteur. Comme visible sur les figures 2 et 3, l'arête 54 a également un développé en forme d'hélice semblable à celui du déflecteur mais est décalée angulairement par rapport à celui-ci de manière à réaliser une rainure avec une section transversale évolutive, ce qui a pour effet d'accélérer le déplacement radial en hélice du carburant et/ou du mélange carburé. Ainsi, en fonctionnement pour une position du piston proche du PMH comme montré sur la figure 1, un fluide gazeux est contenu dans la chambre de combustion dans le but de réaliser un mélange de ce fluide gazeux avec du carburant. L'injecteur 24 à faible angle de nappe tel que décrit précédemment, introduit le carburant dans la chambre de combustion et plus précisément dans le bol 30. Ce carburant, sous forme de nappe de jets 26 (dont un seul jet est représenté sur les figures 2 et 3 au titre de la clarté des figures), est projeté sur le téton 32 et vient en contact de son flanc 36 dans une région proche de son sommet. Le carburant de chaque jet est introduit dans la rainure qui lui correspond et glisse le long de ces rainures. Ce carburant peut ainsi se vaporiser au fur et à mesure de son éloignement de l'axe XX'. Simultanément à ce mouvement et sous l'effet de la courbure du déflecteur en hélice 48, le carburant est soumis, tout au long de ce déflecteur, à une impulsion qui lui donne un mouvement de rotation autour de l'axe XX', ici dans un sens horaire. Sous l'effet de cette impulsion, ce carburant, sous forme liquide et/ou vapeur, ressort de cette rainure par l'arête 54 comme montré par les flèches S sur la figure 2. Compte tenu de la vitesse circonférentielle conférée au carburant par le déflecteur et de la relative immobilité du fluide gazeux contenu dans le bol, le carburant peut entraîner ce fluide et se mélanger aisément avec celui-ci dans et tout au long de la rainure. Ce carburant en ressort le long de l'arête 54 puis continue à se mélanger avec le fluide gazeux présent entre deux rainures successives. Ainsi à la sortie du bol, il est possible de mieux mélanger le carburant et le fluide gazeux. Grâce au mouvement en rotation du carburant, celui-ci peut se mélanger avec le fluide gazeux qui est situé habituellement dans des régions difficiles d'accès comme la région à l'intersection de la paroi latérale 40 et le fond du bol 36. De ce fait, la quasi totalité du carburant est mélangé avec le fluide gazeux ce qui permet d'améliorer la combustion qui en résulte en obtenant une bonne vitesse de combustion et des richesses de fonctionnement élevées, traduisant une bonne utilisation du fluide gazeux admis et du carburant injecté. De plus ceci permet de réduire la production des hydrocarbures imbrûlés et des fumées et d'améliorer la performance du moteur. La présente invention n'est pas limitée à l'exemple décrit mais englobe toutes variantes. Notamment, il est fait mention dans ce qui précède que les rainures s'étendent sur toutes les parois constitutives du bol 30, mais il peut être envisagé que ces rainures s'étendent sur une partie de ces parois, c'est-à-dire sur le flanc 38 du téton et/ou dans le fond 36 du bol et/ou dans la paroi latérale 40. L'essentiel réside dans le fait que le début de la rainure évasée se situe dans la région de contact entre les jets de carburant et ce bol. REVENDICATIONS 1) Procédé pour assurer le mélange d'au moins un fluide gazeux avec du carburant dans au moins une chambre de combustion (28) d'un moteur à combustion interne à injection directe, ladite chambre comprenant un bol concave (30) dans lequel s'érige un téton (32) et ledit moteur comprenant en outre un injecteur (24) de carburant ainsi que des moyens d'admission (14, 18) d'au moins un fluide gazeux, caractérisé en ce qu'il consiste à introduire le fluide gazeux dans la chambre de combustion par les moyens d'admission (14, 18) et à réaliser une mise en rotation du carburant de manière à obtenir un mélange entre ledit fluide et ledit carburant dans ladite chambre. 2) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste à réaliser une mise en rotation dans un mouvement tourbillonnaire du carburant après son injection dans la chambre de combustion (28, 30, 32). 3) Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il consiste à réaliser une mise en rotation du carburant dans un mouvement tourbillonnaire coaxial à celui de l'axe du téton (32). 4) Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il consiste à réaliser une mise en rotation du carburant à partir de la région du début du contact entre le carburant et le bol (30). 25 5) Moteur à combustion interne comprenant au moins un cylindre (10), une culasse (12), un piston (22) coulissant dans ce cylindre, un injecteur (24) de carburant avec un angle de nappe (al) de jets (26), une chambre de combustion (28) avec un bol concave (30) dans lequel s'érige un téton (32), des moyens d'admission (14, 16) d'au moins un fluide gazeux, caractérisé en ce 30 que la chambre de combustion (28) comprend des moyens de mise en rotation (44) du carburant injecté.20 6) Moteur à combustion interne selon la revendication 5, caractérisé en ce que les moyens de mise en rotation sont placés sur au moins une des surfaces (38, 36, 40) du bol (30). 7) Moteur à combustion interne selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce que les moyens de mise en rotation sont placés sur la région d'une des surfaces (38, 36, 40) du bol (30) où se produit le début du contact avec le carburant. 8) Moteur à combustion interne selon l'une des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que les moyens de mise en rotation comprennent une paroi déflectrice radiale (48) en forme de portion d'hélice. 9) Moteur à combustion interne selon l'une des revendications 5 à 7, 15 caractérisé en ce que les moyens de mise en rotation comprennent une rainure radiale en forme de portion d'hélice (46) comportant une paroi déflectrice (48). 10) Moteur à combustion interne selon la revendication 9, caractérisé en ce que la rainure comporte un fond courbe (52) raccordé à une des surfaces 20 (38, 36, 40) du bol (30). 11) Moteur à combustion interne selon la revendication 9 ou 10, caractérisé en ce que la rainure (46) présente une largeur circonférentielle évolutive. 12) Moteur à combustion interne selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'angle de nappe (al) de l'injecteur (24) est choisi entre 0 et 120 . 25