Brevet FR2909725A1 — publié le 20080613

La présente invention se rapporte à un moteur à combustion interne à injection directe de carburant comportant un piston muni d'un bol à l'intérieur duquel est logé un téton, notamment moteur de type Diesel. Elle concerne avantageusement mais non exclusivement un moteur pouvant fonctionner selon deux modes de combustion, un mode de combustion homogène et un mode de combustion conventionnelle. Le fonctionnement selon un mode homogène, qui est principalement utilisé pour les faibles et moyennes charges du moteur, consiste à injecter du carburant dans la chambre de combustion de façon à obtenir un mélange homogène du carburant avec de l'air (suralimenté ou non) ou avec un mélange d'air et de gaz d'échappement recirculés (EGR) avant le démarrage de la combustion. Pour le fonctionnement avec un mode de combustion conventionnelle, préférentiellement utilisé aux charges élevées du moteur, une injection du carburant est réalisée autour du point mort haut du piston et une combustion classique par auto-inflammation puis par diffusion se produit. Un tel type de moteur, comme mieux décrit dans les brevets français N 2 818 324 et 2 818 325 du demandeur, comprend au moins un cylindre, un piston coulissant dans ce cylindre, une chambre de combustion délimitée sur un côté par la face supérieure du piston et un bol concave. Ce bol comprend, selon un plan vertical radial passant par l'axe général du cylindre, un profil de surface de guidage de jets avec un téton disposé au centre de ce bol, une paroi de fond raccordant la base du téton avec la paroi périphérique de ce bol. Ce moteur comprend également un injecteur pour injecter du carburant avec un angle de nappe inférieur ou égal a 2Arctg C~- où CD est le diamètre du cylindre et F la distance entre le point d'origine des jets de carburants issus 2909725 2 de l'injecteur et la position du piston correspondant à un angle de vilebrequin de 50 par rapport au point mort haut. Dans ce type de moteurs, l'angle au sommet du téton est adapté à l'angle de nappe de l'injecteur de façon à ce que les jets de carburant soient émis 5 sensiblement suivant la pente du téton puis déviés par elle vers le haut du cylindre du moteur en se vaporisant sans jamais toucher la paroi du cylindre et donc sans affecter la lubrification du piston sur cette paroi. Pour que cet effet se produise, il est nécessaire que le piston soit proche 10 de son point mort haut, ce qui a pour inconvénient de limiter le temps d'injection de carburant ainsi que l'instant dans le cycle du moteur pour injecter ce carburant. De plus, la qualité du mélange carburé obtenu n'est pas parfaitement homogène ce qui peut entraîner des perturbations dans le déroulement de la 15 combustion du mélange carburé avec une augmentation des rejets de polluants dans l'atmosphère et/ou une augmentation du bruit de combustion. La présente invention se propose de remédier aux inconvénients mentionnés ci-dessus grâce à un guidage spécifique du carburant qui permet 20 de réaliser un mélange adéquat avec l'air contenu dans la chambre de combustion et d'obtenir en final une combustion de meilleure qualité. A cet effet, la présente invention concerne un moteur à combustion interne à injection directe comprenant au moins un cylindre, un injecteur de carburant 25 avec un angle de nappe de jets de carburant, un piston coulissant dans ce cylindre et comprenant un bol concave avec une surface de guidage des jets de carburants comprenant un téton, un fond et une paroi latérale et des moyens d'admission et d'échappement, caractérisé en ce que le bol comprend au moins deux surfaces de guidage radiales disposées successivement 30 circonférentiellement dont la longueur radiale du profil de l'une des surfaces est plus grande que la longueur radiale du profil de l'autre des surfaces. 2909725 3 L'autre des surfaces peut s'étendre sur au moins une partie du téton et/ou sur le fond du bol et/ou sur au moins une partie de la paroi latérale. Les surfaces de guidage peuvent s'étendre du sommet du téton jusqu'à la 5 paroi latérale. L'écart de profondeur entre deux surfaces de guidage consécutives peut aller en augmentant du sommet du téton jusqu'au fond du bol puis en diminuant de ce fond jusqu'à la paroi latérale de ce bol. Les surfaces de guidage peuvent comprendre une largeur circonférentielle augmentant du sommet du téton jusqu'à la paroi latérale de ce bol. Le bol peut comprendre un nombre de surfaces de guidage correspondant 15 à celui du nombre de jets de l'injecteur. Une surface de guidage radiale avec une grande longueur de profil peut alterner avec une surface de guidage de petite longueur de profil. 20 Le profil d'une surface de guidage peut être formé par le flanc du téton, le fond du bol et la surface latérale de ce bol. L'angle de nappe de jets de carburant peut être inférieur ou égal à 2Arctg CD où CD est le diamètre du cylindre et F la distance entre le point 2F 25 d'origine des jets de carburants issus de l'injecteur et la position du piston correspondant à un angle de vilebrequin de 50 par rapport au point mort haut. Les autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description donnée ci-après à partir d'un exemple non limitatif de 30 réalisation, en se référant aux dessins annexés où : 10 2909725 4 - la figure 1 est une vue en coupe axiale schématique (ligne AA de la figure 2) d'un moteur à combustion interne selon l'invention ; - la figure 2 est une vue partielle de dessus du piston du moteur selon l'invention et 5 - la figure 3 est une vue en coupe partielle circonférentielle du piston selon la ligne BB de la figure 2. En se référant à la figure 1, un moteur à combustion interne à injection directe de carburant, notamment de type Diesel, comprend au moins un 10 cylindre 10 avec un corps de cylindre 12 d'axe XX, une culasse 14, des moyens d'admission d'air avec au moins une tubulure 16 et une soupape d'admission 18, des moyens d'échappement des gaz brûlés avec au moins une tubulure d'échappement 20 et une soupape d'échappement 22, un piston 24 coulissant dans le corps de cylindre en un mouvement rectiligne alternatif et un 15 injecteur de carburant multi-jets 26, ici un injecteur à six jets disposé dans l'axe XX du cylindre. Cet injecteur permet d'injecter du carburant selon des jets 28 formant un angle de nappe de jets al dans la chambre de combustion 30 formée par la paroi du corps du cylindre 12, le haut du piston et la culasse en regard du 20 piston. Par angle de jets, il est entendu l'angle au sommet que forme le cône constitué par la paroi périphérique fictive passe par tous les axes des jets de carburant 28 et le terme jet de carburant couvre aussi bien le jet de carburant 25 sous la forme liquide que le jet constitué d'un mélange carburé qui contient le carburant sous sa forme vaporisée. Comme mieux visible sur la figure 1, le haut du piston comprend un bol concave 32 à l'intérieur duquel est logé un téton 34 saillant en direction de la 30 culasse 14 et qui est délimité par une face supérieure sensiblement horizontale 36 du piston. Ce téton 34 de forme générale tronconique est situé sensiblement au centre de ce bol et comporte un axe coaxial avec l'axe de 2909725 5 l'injecteur (axe confondu avec l'axe XX du cylindre) et se poursuit par un fond 38 rejoignant une paroi latérale 40 aboutissant à la face supérieure 36. En se reportant en plus à la figure 2, le bol présente une succession 5 circonférentielle de surfaces de guidage 42 et 44 des jets de carburants qui présentent des profils différents. Ainsi, pour la suite de la description, une surface de guidage 42 sera dénommée grande surface alors qu'une surface de guidage 44 sera désignée en tant que petite surface. Une grande surface 42 a la particularité d'avoir un profil avec une longueur développée (ou une étendue), 10 considérée radialement entre le sommet du téton et la surface 36, plus grande que celle d'une petite surface. Dans l'exemple illustré, les grandes et petites surfaces s'étendent du téton jusqu'à la fin de la paroi terminale et le bol présente trois grandes surfaces et trois petites surfaces alternant les unes avec les autres. 15 Avantageusement, les petites surfaces peuvent s'étendre sur au moins une partie du téton et/ou sur le fond du bol et/ou sur au moins une partie de la paroi latérale de ce bol. 20 On se réfère maintenant plus particulièrement à la partie droite de la figurel qui montre le profil d'une grande surface. Ce profil est considéré le long d'un plan radial vertical passant l'axe XX. Ce profil comprend, en s'écartant vers l'extérieur du piston et à partir de l'axe XX, une section diamétrale curviligne avec, depuis le sommet 46 du téton, un flanc 48 sensiblement rectiligne en 25 direction du fond du bol et incliné en s'écartant de l'axe XX en formant un angle au sommet a2, une première partie curviligne 50 concave venant raccorder le flanc à une deuxième partie curviligne 52 concave, une paroi inclinée 54 en direction de l'axe XX en formant une partie de la paroi latérale du bol et un congé 56 raccordant la paroi latérale 54 à la partie horizontale 36 du piston. 30 Le profil de la petite surface 44, telle qu'illustrée sur la partie gauche de la figure 1, est également curviligne et comprend, depuis le sommet 46 du téton, un flanc 58 sensiblement rectiligne en direction du fond du bol et incliné en 2909725 6 s'écartant de l'axe XX en formant un angle au sommet a3 plus grand que l'angle a2, une première partie courbe 60 concave, de rayon plus petit que la première partie curviligne de la grande surface, venant raccorder le flanc à une deuxième partie courbe 62 concave, également de rayon plus petit que la deuxième partie 5 curviligne de la grande surface, une surface latérale inclinée 64 en direction de l'axe XX d'inclinaison plus grande que la paroi 54 et venant se raccorder au congé 57 raccordant la face 36. Ainsi, la longueur radiale du profil de la petite surface 44, formée par le flanc 58, les parties courbes 60 et 62, la paroi latérale 64 et le congé 57, est 10 plus petite que la longueur du profil de la grande surface considérée le long du flanc 48, des parties curvilignes 50 et 52, de la paroi latérale 54 et du congé 56. Préférentiellement, la largeur circonférentielle des surfaces 42 et 44 va en augmentant à partir du sommet du téton jusqu'à la paroi latérale et de 15 préférence jusqu'au congé de façon à former une section dont le projeté sur un plan passant par la face 36 du piston est quasiment triangulaire. A titre d'exemple (figure 2), les largeurs circonférentielles L1 et L2 des surfaces 42 et 44, considérées au niveau du diamètre moyen Dm du bol où la 20 profondeur de ce bol par rapport à la face 36 est la plus élevée et à l'intersection entre les bords des surfaces, sont égales les unes des autres. Bien entendu et cela sans sortir du cadre de l'invention, ces largeurs circonférentielles peuvent être différentes les unes des autres. 25 De manière préférentielle, il est prévu de munir le bol d'un nombre de surfaces de guidage égal à celui du nombre de jets et de placer l'injecteur multijets de façon à ce que chaque jet aboutisse sur une surface de guidage en vis en vis. Ainsi, avec un injecteur 26 de six jets, le bol comprend trois grandes surfaces 42 régulièrement réparties circonférentiellement en étant disposées à 30 un angle (3 de 120 les unes des autres et avec une disposition selon laquelle trois petites surfaces 44, également disposées en un angle de 120 alternent avec les trois grandes surfaces suivant un angle a de 60 . 2909725 7 Avantageusement, le profil de la grande surface correspond à celui d'un bol classique alors que le profil de la petite surface surplombe celui de la grande surface en créant une surface de plateau saillant en direction de la 5 culasse, comme mieux illustré sur la figure 3. De manière préférentielle, l'écart E de profondeur entre le profil de la grande surface 42 et celui des petites surfaces 44 qui l'entourent (figures 2 et 3) va en s'accroissant du sommet 46 du téton jusqu'au fond 38 puis décroît de ce 10 fond vers la paroi latérale pour être quasiment inexistante au niveau du congé (figure 1). Il est à noter que le fond du bol peut comprendre toutes les surfaces venant raccorder les flancs inclinés 48, 58 du téton à la paroi latérale 54 15 (surface latérale 64) du bol et notamment une première partie curviligne 50 (première partie courbe 60) se poursuivant par une paroi de fond rectiligne sensiblement horizontale raccordée à la deuxième partie curviligne 52 (deuxième partie courbe 62) comme cela est décrit plus en détail dans la demande de brevet français N 2 818 325. 20 En outre, les angles a2 et a3 au niveau des flancs 48 et 58 sont adaptés sensiblement à l'angle de nappe al des jets de l'injecteur de manière à ce que le carburant soit injecté sensiblement le long des flancs, lorsque le piston se trouve au voisinage du point mort haut. Préférentiellement, ces angles au 25 sommet sont choisis supérieurs à l'angle de nappe al d'une valeur comprise entre 0 et 60 . L'angle d'inclinaison que forme la paroi latérale 54 (et la surface latérale 64) avec une verticale est avantageusement négatif, c'est-à-dire considéré 30 dans le sens contraire des aiguilles d'une montre, en faisant en sorte que cette paroi soit dirigée vers l'axe XX. Cet angle est au plus égal à la moitié de l'angle de nappe al et au moins égal à 0 . 2909725 8 Dans la description ci-après, l'interaction entre les surfaces de guidage et les jets de carburant sera mieux explicitée. 5 En considérant la figure 1, le piston 24 est proche de son point mort haut et l'injecteur 26 est positionné sur la culasse d'une façon telle que les jets de carburants sont en vis-à-vis des surfaces 42 et 44. Lors de l'injection, les jets de carburant 28 sont préférentiellement projetés 10 selon l'axe médian radial de chaque surfaces de guidage et glissent le long des flancs 48 et 58 en se mélangeant tout au long de ces flancs avec l'air (ou un mélange d'air et de gaz d'échappement recirculés) présent à l'intérieur du bol. Etant donné que la longueur radiale du profil de la surface 42 est plus grande que celle de la petite surface 44, le mélange carburé se réalise tout au long du 15 cheminement sur cette grande surface pour rester en final à l'intérieur du bol en ayant capté une très grande partie de l'air (ou un mélange d'air et de gaz d'échappement recirculés). A l'inverse, le mélange carburé réalisé au niveau de la petite surface 44 glisse sur la surface latérale 64 et ressort du bol pour parachever son mélange avec l'air contenu dans la zone de chasse située au 20 dessus du piston. Ainsi, le carburant introduit dans le bol permet d'obtenir un mélange carburé homogène dans le bol et un mélange carburé également homogène dans la zone de chasse grâce aux différents profils et donc aux différentes 25 longueurs des surfaces de guidage des jets de carburant. La présente invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation décrits ci-dessus mais englobe toutes variantes et tous équivalents. 30 Notamment, cette invention peut être utilisée avec un moteur qui permet, pour les faibles et moyennes charges, l'injection du carburant par un injecteur à faible angle de nappe al de façon à ce que les parois du cylindre ne soient 2909725 9 jamais mouillées par le carburant pour toutes les positions du piston 24 comprises entre + 50 et +6 ou entre -50 et -0, où e représente l'angle du vilebrequin pour la phase d'injection choisie par rapport au point mort haut, cet angle 6 étant supérieur à 50 et inférieur ou égal à 180 . Si CD désigne le 5 diamètre du cylindre 12 et F la distance entre le point d'origine des jets de l'injecteur 26 et la position du piston correspondante à un angle de vilebrequin de 50 , alors l'angle de nappe al sera inférieur ou égal à 2Arctg CD . Ceci 2F permet d'obtenir une durée importante du mélange du carburant avec l'air admis avant la combustion de ce mélange. 10 Pour les fortes charges, l'injection du carburant est réalisée, au voisinage du point mort haut du piston, par le même injecteur avec le même angle de nappe, de façon à obtenir un mélange stratifié du carburant avec l'air admis et une combustion progressive par auto-inflammation puis diffusion. Une fourchette angulaire typique pour l'angle de nappe al est par exemple comprise entre 40 et 100 . 15 REVENDICATIONS 1) Moteur à combustion interne à injection directe comprenant au moins un cylindre (12), un injecteur (26) de carburant avec un angle (a1) de nappe de jets de carburant (28), un piston (24) coulissant dans ce cylindre et comprenant un bol concave (32) avec une surface de guidage des jets de carburants comprenant un téton (34), un fond (38) et une paroi latérale (40) et des moyens d'admission et d'échappement (16, 18 ; 20, 22), caractérisé en ce que le bol (40) comprend au moins deux surfaces de guidage radiales (42, 44) disposées successivement circonférentiellement dont la longueur radiale du profil de l'une (42) des surfaces est plus grande que la longueur radiale du profil de l'autre (44) des surfaces. 2) Moteur à combustion interne selon la revendication 1, caractérisé en ce 15 qu'une (44) des surfaces s'étend sur au moins une partie du téton (34) et/ou sur le fond du bol (38) et/ou sur au moins une partie de la paroi latérale (40). 3) Moteur à combustion interne selon la revendication 1, caractérisé en ce que les surfaces de guidage (42, 44) s'étendent du sommet (46) du téton (34) 20 jusqu'à la paroi latérale (40). 4) Moteur à combustion interne selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'écart (E) de profondeur entre deux surfaces de guidage (42, 44) consécutives va en augmentant du sommet du 25 téton (34) jusqu'au fond (38) du bol puis en diminuant de ce fond jusqu'à la paroi latérale (40) de ce bol. 5) Moteur à combustion interne selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les surfaces de guidage (42, 44) 30 comprennent une largeur circonférentielle (L1, L2) augmentant du sommet du téton (34) jusqu'à la paroi latérale (40) de ce bol. 2909725 11 6) Moteur à combustion interne selon la revendication 1, caractérisé en ce que le bol (32) comprend un nombre de surfaces de guidage (42, 44) correspondant à celui du nombre de jets (28) de l'injecteur. 5 7) Moteur à combustion interne selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'une surface de guidage radiale (42) avec une grande longueur de profil alterne avec une surface de guidage (44) de petite longueur de profil. 10 8) Moteur à combustion interne selon la revendication 1, caractérisé en ce que le profil d'une surface de guidage (42, 44) est formé par le flanc du téton, le fond du bol et la surface latérale de ce bol. 9) Moteur à combustion interne selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'angle (a1) de nappe de jets de carburant est inférieur ou égal à 2Arctg CD ou CD est le diamètre du cylindre et F la distance entre le point 2F d'origine des jets de carburants issus de l'injecteur et la position du piston correspondant à un angle de vilebrequin de 50 par rapport au point mort haut.