Brevet FR2904053A1 — publié le 20080125

La présente invention se rapporte à un moteur à combustion interne, notamment à injection directe de type Diesel, comportant un piston muni d'un bol avec un téton. Elle concerne avantageusement mais non exclusivement un tel moteur pouvant fonctionner selon deux modes de combustion. Le fonctionnement selon un mode homogène, généralement 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 ou avec un mélange d'air et de gaz d'échappement recirculés avant le démarrage de la combustion. Pour le fonctionnement avec un mode de combustion conventionnelle qui est 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 autoinflammation puis par diffusion se produit. Un tel type de moteur, comme mieux décrit dans les demandes de brevet 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 comprenant un téton disposé au centre d'un bol concave. Ce bol comprend 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 à 2Arctg 2F où CD est le diamètre du cylindre et F la distance entre le point 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. Comme cela est connu par l'homme du métier pour des moteurs à combustion interne de type Diesel suivant les demandes de brevet précitées, l'angle au sommet du téton est adapté à l'angle de nappe de l'injecteur de façon 2904053 2 à ce que les jets de carburant soient émis sensiblement suivant la pente du téton puis déviés par elle vers le haut du cylindre du moteur en se vaporisant sans jamais toucher les parois du cylindre et donc sans affecter leur lubrification. 5 Pour que cet effet se produise, il est nécessaire que le piston soit proche du point mort haut et cela limite le temps de l'injection ainsi que le moment de l'injection. Pour augmenter encore plus la capacité de diffusion du carburant, il est 10 prévu de placer un séparateur de jets de carburant sur la paroi latérale périphérique du bol de façon à créer deux zones de mélanges dans le bol, comme cela est illustré par le document JP 07-238837. Ces zones de mélanges permettent ainsi d'assurer un brassage de l'air et du carburant avec des sens contrarotatifs. 15 De même, la présence de ce séparateur de jets dans le bol ne permet d'injecter du carburant que pour une position précise du piston et cela pendant un temps très limité. 20 Ces limitations sont des inconvénients non négligeables, car il est souhaitable de pouvoir injecter du carburant tant de manière précoce que de manière tardive tout en obtenant un mélange adéquat avec l'air. A titre d'exemple, il peut être prévu de réaliser une injection pilote avant le point mort haut suivie d'une injection principale pour réduire le bruit de combustion. 25 La présente invention se propose de remédier aux inconvénients mentionnés ci-dessus grâce à un meilleur guidage du carburant qui permet d'obtenir une combustion de meilleure qualité et notamment lors de la combustion selon le mode homogène. A cet effet, la présente invention concerne un moteur à combustion interne à injection directe comprenant au moins un cylindre, un piston coulissant dans 30 2904053 3 ce cylindre, des moyens d'admission et d'échappement, un injecteur de carburant avec un angle de nappe de jets de carburant, une chambre de combustion délimitée sur un côté par la face supérieure dudit piston comprenant un bol concave avec un téton d'angle au sommet, un fond et une 5 paroi latérale, caractérisé en ce que le fond du bol comprend au moins une surface déflectrice pour les jets de carburant. L'angle de la surface déflectrice peut être sensiblement égal ou différent de l'angle de la paroi latérale. La surface déflectrice peut présenter une inclinaison de sens contraire à celle de la paroi latérale. L'angle de la paroi déflectrice peut être sensiblement égal ou différent de 15 celui de la moitié de l'angle au sommet du téton. Ladite au moins surface déflectrice peut être portée par une saillie issue dudit fond. 20 Avantageusement, la saillie peut être une saillie circulaire et de manière préférentielle peut être coaxiale à l'axe de la nappe de jets de carburant. L'angle de nappe de jets de carburant est inférieur ou égal à 2Arctg CD où CD est le diamètre du cylindre et F la distance entre le point d'origine des 25 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 2F 2904053 4 - la figure 1 est une vue en coupe axiale schématique d'un moteur à combustion interne selon l'invention avec une position du piston ; - la figure 2 est une vue à plus grande échelle d'un détail A du piston du moteur de la figure 1 ; 5 la figure 3 montre une vue schématique en coupe axiale du moteur selon l'invention selon une position du piston ; la figure 4 est également une vue schématique en coupe axiale du moteur de la figure 3 avec une autre position du piston ; la figure 5 est un vue de détail d'une variante du piston du moteur 10 selon l'invention avec une position du piston et - la figure 6 est une vue de détail d'une variante du piston du moteur de la figure 5 selon une autre position de ce piston. En se référant aux figures 1 et 2, un moteur à combustion interne à 15 injection directe de carburant, notamment de type Diesel, comprend au moins un cylindre 10 d'axe XX avec un corps de cylindre 12, une culasse 14, des moyens d'admission d'air et des moyens d'échappement des gaz brûlés, ici respectivement au moins une soupape d'admission 16 et une tubulure d'admission 18 d'au moins un fluide gazeux, tel que de l'air ou un mélange d'air 20 et de gaz brûlés recirculés et au moins une soupape d'échappement 20 et une tubulure d'échappement 22, un piston 24 coulissant dans le corps de cylindre et un injecteur de carburant 26, tel qu'un injecteur multi-jets, de préférence disposé dans l'axe XX du cylindre. Cet injecteur comporte au voisinage de son nez une multiplicité d'orifices à travers desquels est pulvérisé, dans la chambre 25 de combustion 28, le carburant selon des jets 30 (dont les axes médians ont été représentés sur les figures) formant un angle de nappe de jets al. Par angle de nappe, 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 30. 30 Dans la suite de la description, le terme jet couvre aussi bien le jet de carburant sous la forme liquide que le jet constitué d'un mélange carburé qui contient le carburant sous sa forme vaporisée. 2904053 5 Sans sortir du cadre de l'invention, cet injecteur peut ne pas être disposé dans l'axe XX, mais, dans ce cas, l'axe général de la nappe de jets de carburant issu de cet injecteur de carburant est coaxial à cet axe XX. 5 Comme mieux visible sur la figure 1, la chambre de combustion 28 est délimitée par la face interne de la culasse 14 en vis à vis du piston, la paroi circulaire du corps de cylindre 12 et la surface supérieure du piston 24. Cette surface supérieure comprend un bol concave 32 qui débouche sur une partie 10 sensiblement horizontale 34 du piston. Bien entendu, il peut être prévu que l'axe du bol ne soit pas coaxial avec celui du cylindre mais il est essentiel que l'axe de la nappe de jets de carburant, l'axe du téton et l'axe du bol soient coaxiaux. 15 Le bol comprend un téton 36 de forme tronconique qui s'élève vers la culasse 14 et qui est situé sensiblement au centre de ce bol et d'axe coaxial avec l'axe de la nappe de jets de carburant. En s'écartant symétriquement vers l'extérieur du piston 24 et de part et d'autre de son axe, le sommet arrondi 38 20 du téton se poursuit, en direction du fond du bol 40, par un flanc 42 sensiblement rectiligne, puis par une première partie curviligne 44 venant raccorder le flanc à la paroi de fond 45, une deuxième partie curviligne 46, une paroi inclinée 48 formant la paroi latérale de bol et un congé 50 raccordant la paroi latérale 48 à la partie horizontale supérieure 34 du piston 24. 25 Le fond du bol 40 comprend ainsi toutes les surfaces venant raccorder le flanc incliné 42 du téton à la paroi latérale 48 du bol et dans le cas de l'exemple décrit, le fond du bol comprend donc la première partie curviligne 44, la paroi de fond 45 et la deuxième partie curviligne 46. 30 De manière avantageuse, l'angle au sommet a2 du téton 36 est adapté sensiblement à l'angle de nappe al de l'injecteur 26, de manière à ce que le carburant soit injecté sensiblement le long du flanc 42 du téton lorsque le piston 2904053 6 se trouve au voisinage du point mort haut. Préférentiellement, cet angle au sommet est choisi supérieur à l'angle de nappe al d'une valeur comprise entre 0 et 60 . De manière encore plus préférentielle, les jets de carburant issus de l'injecteur forment un angle d'intersection de l'ordre de 5 avec le flanc du téton. 5 L'angle d'inclinaison a3 (figure 2) que forme la paroi latérale 48 du bol avec une verticale, considéré entre le congé 50 et la partie curviligne 46 est avantageusement négatif, c'est-à-dire considéré dans le sens contraire des aiguilles d'une montre, en faisant en sorte que cette paroi soit dirigée vers l'axe 10 XX. Cet angle est au plus égal à la moitié de l'angle de nappe al et au moins égal à 0 . En se reportant en plus à la figure 2, le fond 40 du bol porte au moins une surface déflectrice pour le guidage des jets de carburant, en particulier dans 15 des positions du piston autres que celle proche du point mort haut. A titre d'exemple, il est prévu deux surfaces déflectrices 52 et 54 portées par une saillie 56 issue de la paroi du fond 45 et s'érigeant en direction de la culasse 14. Cette saillie est une saillie à deux cotés avec une crête arrondie 58 20 et se développe circulairement en entourant le téton 36 de manière coaxiale. Cette saillie présente de manière préférentielle une hauteur Hd qui est inférieure à celle Ht du téton 36, hauteurs considérées à partir du point le plus bas de la concavité du bol, ici à partir de la paroi de fond 45. La surface 52 est une paroi sensiblement rectiligne raccordée par un 25 raccordement curviligne 60 à la paroi de fond 45. Cette surface 52 se termine à la crête 58 qui elle même se poursuit sur l'autre coté de la saillie par la surface déflectrice 54, également sensiblement rectiligne, raccordée par un autre raccordement curviligne 62 à la paroi de fond 45. 30 Bien entendu, il peut être prévu une multiplicité de saillies circulaires, identiques ou différentes entre elles, disposées coaxialement à l'axe du téton et portant chacune les surfaces déflectrices. 2904053 7 De manière avantageuse, la saille 56 peut ne pas présenter une section transversale en forme tronc de cône régulier. 5 Ainsi, la surface déflectrice 52 forme un angle d'inclinaison a4 négatif avec une verticale située entre la crête 58 et la partie curviligne 60, c'est-à-dire un angle s'étendant dans le sens contraire des aiguilles d'une montre de façon à ce que la surface 52 soit inclinée en direction de l'axe XX. Avantageusement, l'angle a4 est sensiblement égal à l'angle a3 de la paroi latérale 48 et la surface 10 52 est inclinée dans le même sens que cette paroi. La surface déflectrice 54 présente un angle d'inclinaison a5 qui est considéré avec une verticale passant par un des points de cette surface et qui positif, c'est-à-dire dans le sens des aiguilles d'une montre. Par cela, la surface déflectrice est inclinée en s'écartant de la paroi latérale 48 tout en étant en vis à 15 vis de celle-ci. Cet angle a5 est sensiblement égal à la moitié de l'angle au sommet a2 du téton et la surface 54 est inclinée dans le même sens que le flanc 42. Bien entendu et cela sans sortir du cadre de l'invention, les angles a4 et 20 a5 peuvent être différents respectivement des angles a3 et de la moitié de l'angle a2 et les surfaces déflectrices 52 et 54 peuvent avoir une inclinaison de sens opposé à celle de la paroi 48 et du flanc 42. La suite de la description va maintenant exposer plus en détail l'interaction 25 entre les jets de carburant et ces surfaces déflectrices en se rapportant en plus aux figures 3 et 4. A cet effet et pour des raisons de simplification dans la suite de la description, la surface déflectrice 52 en regard du téton 36 sera dénommée déflecteur interne et la surface déflectrice 54 en vis à vis de la paroi latérale 48 30 sera désignée en tant que déflecteur externe. 2904053 8 En considérant tout d'abord les figures 1 et 2 avec une position P1 du piston proche du point mort haut, les jets de carburant 30 glissent le long du flanc 42 en se mélangeant tout au long de ce flanc avec l'air (ou un mélange d'air et de gaz d'échappement recirculés) admis dans la chambre de 5 combustion. Le mélange est poursuivi tout au long du flanc 42 puis est ensuite guidé par la partie curviligne 44, la paroi de fond 45, l'autre partie curviligne 60 et le déflecteur interne 52 d'une manière telle que le carburant ressorte du bol en étant dévié en direction de la culasse (en suivant la concavité du bol vers l'extérieur comme indiqué par la flèche F) sans que le carburant ne puisse aller 10 mouiller les parois du corps de cylindre. Dans une position P2 du piston comme illustré sur la figure 3 pour laquelle le piston est éloigné du point mort haut, les jets de carburant 30 sont guidés par le déflecteur interne 52. De par ce guidage, le carburant se mélange avec l'air 15 en glissant le long du déflecteur, puis est ensuite guidé par la partie curviligne 60, par la paroi de fond 45 et enfin remonte le long du flanc 42 du téton 36, comme illustré par la flèche F1 pour ressortir du bol 32. Grâce à cela, le carburant se rapproche de l'axe XX du cylindre et par conséquent ne peut pas venir en contact avec les parois du corps de cylindre. 20 Pour une autre position P3 du piston (figure 4) dans laquelle ce piston est encore plus éloigné du point mort haut, les jets de carburant sont guidés par le déflecteur externe 54. Le carburant glisse le long de ce déflecteur en se mélangeant avec l'air puis continue sa trajectoire (flèche F2) en glissant sur la 25 partie curviligne 62, la paroi de fond 45, la partie curviligne 46 et la paroi latérale 48 pour ressortir du bol. L'inclinaison négative de l'angle a3 a pour avantage de diriger les jets de carburant vers l'axe XX et ainsi éviter le contact du carburant avec les parois du cylindre. Dans le cas où l'angle a3 présente une inclinaison positive, cela a pour 30 effet d'amener d'avantage de carburant dans la zone de chasse située au dessus du piston et à proximité de la paroi du cylindre. 2904053 9 Ainsi, les jets de carburants sont guidés pour au moins deux positions du piston éloigné du point mort haut, ce qui permet d'améliorer la combustion, notamment dans le cadre d'une combustion selon le mode homogène. 5 On se rapporte maintenant aux figures 5 et 6 qui montrent une variante du piston décrit précédemment. Cette variante se distingue du piston décrit ci-dessus par le fait que la saillie 56 portant les surfaces déflectrices 52, 54 s'érigent dans le fond 40 du 10 bol en s'étendant sur une fraction de la zone de l'extrémité de la paroi de fond 45 et sur une fraction de la partie curviligne 46, comme cela a été illustré fictivement par les traits pointillés sur la partie droite de la figure 5. Ainsi la surface déflectrice 52 est raccordée à la paroi de fond 45 par le raccordement 60. De par des mesures de simplification de construction, la 15 surface déflectrice 54 est directement raccordée par un raccordement courbe 64 à la paroi latérale 48 au lieu d'être raccordée à la partie curviligne 46, comme précédemment décrit. Dans le cas de cette variante, la hauteur Hd de la saillie est plus petite que celle Ht du téton 36. 20 De manière préférentielle, l'angle a4 est plus grand que l'angle a3 et l'angle a5 plus grand que le demi angle a2. Le fonctionnement de cette variante est identique a celui décrit en relation avec les figures 3 et 4. 25 Dans la position du piston de la figure 5 correspondant à celle de la figure 3, les jets de carburant 30 sont guidés par le déflecteur interne 52, par la partie curviligne 60, par la paroi de fond 45 et enfin remonte le long du flanc 42 du téton 36, comme illustré par la flèche F'1 pour ressortir du bol 32. Pour l'autre position du piston de la figure 6, les jets de carburant sont 30 guidés par le déflecteur externe 54 en se mélangeant avec l'air puis poursuivent leurs cheminements (flèche F'2) en glissant sur la partie curviligne 64 et la paroi latérale 48 pour ressortir du bol. 2904053 10 La présente invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation décrits ci-dessus mais englobe toutes variantes et tous équivalents. 5 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 jamais mouillées par le carburant pour toutes les positions du piston 24 comprises entre + 50 et +a ou entre -50 et ûa, où a représente l'angle du 10 vilebrequin pour la phase d'injection choisie par rapport au point mort haut, cet angle a étant supérieur à 50 et inférieur ou égal à 180 . Si CD désigne le 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 15 permet d'obtenir une durée importante du mélange du carburant avec l'air admis avant la combustion de ce mélange. 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 20 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 . REVENDICATIONS 1) Moteur à combustion interne à injection directe comprenant au moins un cylindre (10), un piston (24) coulissant dans ce cylindre, des moyens d'admission et d'échappement (16, 18 ; 20, 22), un injecteur (24) de carburant avec un angle (a1) de nappe de jets de carburant, une chambre de combustion (28) délimitée sur un côté par la face supérieure dudit piston comprenant un bol concave (32) avec un téton (36) d'angle au sommet (a2), un fond (40) et une paroi latérale (48), caractérisé en ce que le fond (40) du bol comprend au moins une surface déflectrice (52, 54) pour les jets de carburant. 2) Moteur à combustion interne selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'angle (a4) de la surface déflectrice (52) est sensiblement égal à l'angle (a3) de la paroi latérale (48). 3) Moteur à combustion interne selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'angle (a4) de la surface déflectrice (52) est différent de l'angle (a3) de la paroi latérale (48). 20 4) Moteur à combustion interne selon la revendication 1, caractérisé en ce que la surface déflectrice (52) présente une inclinaison de sens contraire à celle de la paroi latérale (48). 5) Moteur à combustion interne selon la revendication 1, caractérisé en ce 25 que l'angle (a5) de la paroi déflectrice (54) est sensiblement égal à la moitié de l'angle au sommet (a2) du téton (36). 6) Moteur à combustion interne selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'angle (a5) de la paroi déflectrice (54) est différent de celui de la moitié de 30 l'angle au sommet (a2) du téton (36). 2904053 12 7) Moteur à combustion interne selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que ladite au moins surface déflectrice (52, 54) est portée par une saillie (56) issue dudit fond. 5 8) Moteur à combustion interne selon la revendication 7, caractérisé en ce que la saillie (56) est une saillie circulaire. 9) Moteur à combustion interne selon la revendication 7 ou 8, caractérisé en ce que la saillie (56) est coaxiale à l'axe de la nappe de jets de carburant. 10 10) 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 15 correspondant à un angle de vilebrequin de 50 par rapport au point mort haut.