Brevet FR2902462A1 — publié le 20071221

Moteur à combustion interne du type Diesel à injection directe La présente invention se rapporte à un moteur à combustion interne du type Diesel à injection directe. Les moteurs Diesel ont des difficultés pour démarrer dans des environnements à très faible température extérieure, et ce d'autant plus que le rapport de compression (rapport du volume de la chambre de combustion lorsque le piston est dans sa position de point mort bas sur ce même volume lorsque le piston est dans sa position de point mort haut) est faible. Or, la diminution de ce taux de compression est une tendance forte dans le domaine des moteurs Diesel à injection directe, cette diminution du taux de compression ayant pour objectif d'accroître les performances et de diminuer les émissions polluantes de ce type de moteurs. Aujourd'hui, il est connu d'utiliser une bougie de préchauffage dans les moteurs Diesel équipant les véhicules particuliers. L'extrémité de cette, bougie, à très haute température (jusqu'à 1250 C), crée un point chaud dans la chambre de combustion qui permet d'initier la combustion. Un détail d'un tel moteur Diesel est schématiquement représenté à la figure 1. Sur cette figure 1, le moteur à combustion du type Diesel 10 à injection directe comporte un cylindre 12 fermé à une extrémité par une culasse 14, à l'intérieur duquel un piston 16 est monté apte à coulisser. Ce piston 16 comporte une tête de piston 18 de forme générale cylindrique terminée par une base 19 dans laquelle est creusé un bol 20 délimité par une paroi latérale 22 et un bossage central 24 orienté vers la culasse 14. Un injecteur de carburant (non représenté) est disposé sensiblement coaxialement au piston et fixé à la culasse 14. Une bougie de préchauffage 26 est disposée au droit du bol 20. Comme on observe sur cette figure 1, le jet de carburant 28 issu de l'injecteur est dirigé vers la paroi latérale 22 du bol 20 puis suit ensuite le bossage 24. Le jet de carburant issu de l'injecteur vient ainsi se concentrer à proximité du sommet du bossage 24 où il s'échauffe sous l'action de la bougie de préchauffage 26, la phase liquide se transformant en vapeur et le mélange air/vapeur ainsi formé s'autoinflammant. Ainsi, pour compenser la perte thermique des gaz dans le bol 20 du piston due à la réduction du taux de compression, il est connu de chercher à disposer la bougie de préchauffage 26 le plus près possible de l'axe du piston 16, c'est-à-dire de l'injecteur afin de permettre de chauffer là où le mélange air+carburant se concentre. Cependant, des problèmes d'encombrement empêchent de monter la bougie de préchauffage 26 au droit du sommet du bossage du piston ou même à proximité, puisque l'injecteur de carburant est justement monté coaxialement au piston. Ainsi, en moyenne, la bougie de préchauffage 26 est disposée à une distance de l'injecteur égale à environ 50% de la distance entre l'injecteur et le bord latéral du bol 20. Par ailleurs, une solution connue pour compenser la perte thermique des gaz dans le bol du piston liée à la réduction du taux de compression, consiste à mettre en oeuvre des bougies de préchauffage ayant des niveaux de température maxima plus élevés. Cependant, les matériaux (classiquement, les bougies de préchauffage sont réalisées en céramique) et la puissance consommée limitent cette augmentation de la température maximale de la bougie. De plus, cette augmentation de la température maximale de la bougie s'accompagne d'une augmentation importante de son prix. On connaît par ailleurs du brevet FR 2 849 900 au nom du demandeur un moteur à combustion interne du type Diesel à injection directe comportant un cylindre fermé à une extrémité par une culasse, à l'intérieur duquel un piston est monté apte à coulisser, le piston comportant une tête de piston de forme générale cylindrique terminée par une base, dans laquelle est creusé un bol délimité par une paroi latérale et un bossage central orienté vers la culasse. Un injecteur de carburant est disposé sensiblement coaxialement au piston. Dans la paroi latérale, il est ménagé une première et une seconde cavités. La première cavité est adjacente au bossage central et la seconde cavité est adjacente au bord radialement externe du bol. L'injecteur est adapté à injecter au moins une partie du carburant en direction de chacune des deux cavités. Cependant, le but que cherche à atteindre la mise en oeuvre d'un tel moteur à combustion est, selon le document FR 2 849 900, la réduction de la formation des suies de combustion. Un but de l'invention est de proposer un moteur à combustion interne du type Diesel à injection directe permettant une diminution du taux de compression et pouvant cependant démarrer dans des conditions de froid extrême. On atteint ce but de l'invention au moyen d'un moteur à combustion interne du type Diesel à injection directe comportant : - au moins un cylindre fermé à une extrémité par une culasse, à l'intérieur duquel un piston est monté apte à coulisser, ledit piston comportant une tête de piston de forme générale cylindrique terminée par une base dans laquelle est creusé un bol délimité par une paroi latérale et un bossage central orienté vers ladite culasse, - un injecteur de carburant disposé sensiblement coaxialement audit piston, - une bougie de préchauffage solidaire de ladite culasse et disposée au droit dudit bol, une première et une seconde cavités étant ménagées dans ladite paroi latérale, ladite première cavité étant adjacente audit bossage central, ladite seconde cavité étant adjacente au bord radialement externe dudit bol, ledit injecteur de carburant étant adapté à injecter du carburant en direction de chacune desdites première et seconde cavités, ladite seconde cavité étant conformée pour diriger du carburant injecté dans sa direction, sensiblement dans la direction de ladite bougie de préchauffage. Ainsi, comme on le verra plus en détail par la suite au moyen de la description qui va être donnée de l'invention, l'injection de carburant en direction de chacune des deux cavités permet une meilleure homogénéisation du mélange air+carburant dans la chambre de combustion, ce qui permet une bonne inflammation du mélange même avec un taux de compression réduit. Par ailleurs, l'injection de carburant vers la deuxième cavité permet de diriger une partie de ce carburant en direction de la bougie de préchauffage. De ce fait, on accroît l'interaction du champ de vapeur de carburant avec l'extrémité de la bougie de préchauffage. Il est ainsi plus facile d'initier l'inflammation du mélange air+carburant présent dans la chambre de combustion, et cela même avec un taux de compression réduit. De préférence, le moteur à combustion selon l'invention présente une ou plusieurs des caractéristiques suivantes prises seules ou en combinaison : - lesdites première et seconde cavités sont jointes par une lèvre ; - lesdites première et seconde cavités sont, dans tout plan axial, sensiblement symétriques l'une de l'autre par rapport à un axe médian de ladite lèvre qui contient un orifice d'injection dudit injecteur de carburant ; - ledit piston étant apte à coulisser entre une position de point mort haut et une position de point mort bas, la surface du bossage central est réalisée de manière à être, dans tout plan axial et quand le piston est en position de point mort haut, la symétrique de la culasse fermant ledit cylindre par rapport à un axe médian de ladite lèvre contenant un orifice d'injection dudit injecteur de carburant ; - dans tout plan axial, les tangentes auxdites première et seconde cavités à proximité de ladite lèvre forment un angle inférieur à 90 ; - ledit injecteur de carburant comporte au moins un premier et au moins un deuxième orifices d'injection dirigés vers ladite première, respectivement seconde, cavité lorsque le piston est en position de point mort haut ; - ladite bougie de préchauffage est fixée à ladite culasse de manière à faire saillie par rapport à ladite culasse de 2 à 5 mm et en formant avec ladite culasse, dans un plan axial, un angle compris entre 10 et 90 ; et - ladite bougie de préchauffage est disposée de manière que la distance radiale entre ladite bougie de préchauffage et l'axe du piston est supérieure ou égale à 55%, de préférence sensiblement égale à 75%, de la distance entre l'axe dudit piston et le bord radialement externe dudit bol. D'autres caractéristiques de l'invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple illustratif et non limitatif, en regard des figures sur lesquelles : - la figure 1 représente schématiquement en coupe un détail d'un moteur à combustion interne du type Diesel à injection directe connu ; - la figure 2 représente en coupe selon un plan axial un détail d'un moteur à combustion interne selon un mode préféré de réalisation de l'invention ; et - la figure 3 représente schématiquement une vue en coupe selon un plan axial d'un détail d'un moteur à combustion interne selon le mode de réalisation de la figure 2. Dans la suite de la description, les éléments identiques ou de fonction identique sont désignés par les mêmes références numériques. On se réfère maintenant à la figure 2 sur laquelle est représenté un moteur à combustion interne du type Diesel à injection directe 30 selon un mode de réalisation préféré de l'invention. Ce moteur 30 comporte un cylindre 12 fermé à une extrémité par une culasse 14. Un piston 16 est monté apte à coulisser à l'intérieur du cylindre 12. Ce piston 16 comporte une tête de piston 18 de forme générale cylindrique. La tête de piston 18 est terminée par une base 19, dans laquelle est creusé un bol 20 entouré d'une zone de chasse 21 (voir figure 3). Le bol 20 est délimité par une paroi latérale 22 et un bossage central 24 orienté vers la culasse 14. Un injecteur de carburant 32 est disposé sensiblement coaxialement au piston 16, de manière à pouvoir injecter du carburant en direction du bol 20. Enfin, une bougie de préchauffage 26 est disposée au droit du bol. De manière remarquable, il est ménagé, dans la paroi latérale 22 du bol 20, une première et une seconde cavités 36, 38. La première cavité 36 est adjacente au bossage central 24. La seconde cavité 38 est adjacente au bord radialement externe 34 du bol 20 (voir figure 3). De préférence, les deux cavités 36, 38 sont séparées par une lèvre 40 de forme annulaire. On évite ainsi avantageusement les arêtes tranchantes fragiles. Selon la figure 2, les première et seconde cavités 36, 38 sont sensiblement symétriques l'une de l'autre par rapport à un axe médian A de la lèvre 40 contenant un orifice d'injection de l'injecteur 32. Telle que représentée à la figure 2, la surface du bossage central 24 est réalisée de manière à être la symétrique de la culasse 14 fermant le cylindre 12 par rapport à l'axe médian A de la lèvre 40 contenant un orifice d'injection de l'injecteur 32, quand le piston 16 est en position de point mort haut. La lèvre 40 est réalisée de telle sorte que les tangentes T,, T2 aux première et seconde cavités 36, 38 à proximité de la lèvre 40, forment un angle a inférieur à 90 . L'injecteur 32 est adapté à injecter au moins une partie du carburant en direction de chacune des deux cavités 36, 38. De préférence, l'injecteur 32 comporte au moins un premier orifice d'injection dirigé vers la première cavité 36 et au moins un second orifice d'injection dirigé vers la seconde cavité 38. La bougie de préchauffage 26, de type usuel et connu en soi, est fixée à la culasse 14 de manière à faire saillie par rapport à la culasse 14, de deux à cinq millimètres environ. La bougie de préchauffage 26 forme avec la culasse 14 un angle (3 compris, de préférence, entre 10 et 90 . Par ailleurs, la bougie de préchauffage 26 est disposée de préférence de manière que la distance d entre la bougie de préchauffage 26 et l'axe 42 du piston 16 est supérieure ou égale à 55%, de préférence encore sensiblement égale à 75%, de la distance D entre l'axe 42 du piston 16 et le bord radialement externe 34 du bol 20. Ainsi, le montage de la bougie 26 n'est pas perturbé par la présence de l'injecteur dans la position axiale. En d'autres termes, l'encombrement de l'injecteur n'est plus, ainsi, un inconvénient au positionnement préféré de la bougie de préchauffage. Le fonctionnement du moteur à combustion selon l'invention 30 est expliqué ci-après en regard de la figure 3. Comme il est représenté sur cette figure 3, on injecte du carburant. Un premier flux 44 de carburant est injecté vers la première cavité 36 à proximité de la lèvre 40 tandis qu'un second flux 46 de carburant est injecté en direction de la seconde cavité 38, toujours à proximité de la lèvre 40. Du fait que les tangentes T,, T2 aux cavités 36, 38 (voir la figure 2) forment un angle inférieur à 90 , les deux flux de carburant 44, 44' et 46, 46' sont séparés par la lèvre 40 et on ne risque pas que ces flux de carburant ne se croisent à proximité de la lèvre 40, ce qui pourrait influencer leur parcours respectifs. Le carburant injecté se mélange progressivement à l'air présent dans le volume du bol 20 et on obtient ainsi un premier flux de mélange air+carburant 44' et un second flux de mélange air+carburant 46'. Le premier flux de mélange 44' suit alors la concavité de la première cavité 36, tandis que le second flux de mélange 46' suit la concavité de la seconde cavité 38. Du fait que les cavités 36, 38 sont symétriques dans le plan de la figure 2 par rapport à l'axe A, on obtient avantageusement un mélange air+carburant sensiblement identique à partir des deux flux de carburant 44 et 46. De plus, comme la surface du bossage 24 est symétrique à la culasse 14 par rapport à l'axe A, on obtient avantageusement un mélange air+carburant sensiblement homogène dans tout l'espace délimité par le bol 20 et la culasse 14. Enfin, le premier flux de mélange 44' suit la surface du bossage central 24 et se concentre vers le sommet du bossage 24 tandis que le second flux de mélange 46' suit la seconde cavité 38, qui dirige une partie de ce second flux de mélange 46' sensiblement en direction de la bougie de préchauffage 26. La combustion va ainsi être initiée, au moins pendant les phases de démarrage, au voisinage de l'extrémité (chaude) de la bougie de préchauffage 26 grâce à la portion de mélange air+carburant dirigée vers cette extrémité de la bougie de préchauffage 26. L'inflammation s'étend ensuite au reste du volume du bol 20 où le mélange air+carburant est réparti de manière sensiblement homogène grâce aux deux cavités 36, 38. Ces cavités 36, 38 permettent ainsi également d'assurer une meilleure stabilité de fonctionnement du moteur, notamment dans les phases de démarrage à froid. Bien entendu, la présente invention ne se réduit pas à l'exemple de mode de réalisation préféré présenté ici et de nombreuses modifications sont possibles sans sortir du cadre de la présente invention. Ainsi, il est notamment possible de prévoir un injecteur ne possédant des orifices d'injections orientés vers la lèvre 40 qui remplit alors la fonction de séparer le flux de carburant injecté en un premier flux qui suit sensiblement la première cavité 36 et en un second flux qui suit sensiblement la seconde cavité 38. REVENDICATIONS 1. Moteur à combustion interne du type Diesel à injection directe (30) comportant : - au moins un cylindre (12) fermé à une extrémité par une culasse (14), à l'intérieur duquel un piston (16) est monté apte à coulisser, ledit piston (16) comportant une tête de piston (18) de forme générale cylindrique terminée par une base (19) dans laquelle est creusé un bol (20) délimité par une paroi latérale (22) et un bossage central (24) orienté vers ladite culasse (14), - un injecteur de carburant (32) disposé sensiblement coaxialement audit piston ( 16), - une bougie de préchauffage (26) solidaire de ladite culasse (14) et disposée au droit dudit bol (20), une première et une seconde cavités (36, 38) étant ménagées dans ladite paroi latérale (22), ladite première cavité (36) étant adjacente audit bossage central (24), ladite seconde cavité (38) étant adjacente au bord radialement externe (34) dudit bol (20), ledit injecteur de carburant (32) étant adapté à injecter du carburant en direction de chacune desdites première et seconde cavités (36, 38), ladite seconde cavité étant conformée pour diriger du carburant injecté dans sa direction, sensiblement dans la direction de ladite bougie de préchauffage. 2. Moteur à combustion interne selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdites première et seconde cavités (36, 38) sont jointes par une lèvre (40). 3. Moteur à combustion interne selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que lesdites première et seconde cavités (36, 38) sont, dans tout plan axial, sensiblement symétriques l'une de l'autre par rapport à un axe médian de ladite lèvre (40) qui contient un orifice d'injection dudit injecteur de carburant (32). 4. Moteur à combustion interne selon l'une des revendications 1 à 3 prise en combinaison avec la revendication 2, ledit piston (16) étant apte à coulisser entre une position de point mort haut et une position de point mort bas, caractérisé en ce que la surface du bossage central (24) est réalisée de manière à être, dans tout plan axial et quand le piston (16) est en position de point mort haut, la symétrique de la culasse (14) fermant ledit cylindre (12) par rapport à un axe médian de ladite lèvre (40) contenant un orifice d'injection dudit injecteur de carburant (32). 5. Moteur à combustion interne selon l'une quelconque des revendications précédentes prise en combinaison avec la revendication 2, caractérisé en ce que, dans tout plan axial, les tangentes (T,, T2) auxdites première et seconde cavités (36, 38) à proximité de ladite lèvre (40) forment un angle (a) inférieur à 90 . 6. Moteur à combustion interne selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit injecteur de carburant (32) comporte au moins un premier et au moins un deuxième orifices d'injection dirigés vers ladite première, respectivement seconde, cavité (36) lorsque le piston est en position de point mort haut. 7. Moteur à combustion interne selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite bougie de préchauffage (26) est fixée à ladite culasse (14) de manière à faire saillie par rapport à ladite culasse (14) de 2 à 5 mm et en formant avec ladite culasse (14), dans un plan axial, un angle (f3) compris entre 10 et 90 . 8. Moteur à combustion interne selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite bougie de préchauffage (26) est disposée de manière que la distance radiale (d) entre ladite bougie de préchauffage (26) et l'axe (42) du piston (16) est supérieure ou égale à 55%, de préférence sensiblement égale à 75%, de la distance (D) entre l'axe (42) dudit piston (16) et le bord radialement externe (34) dudit bol (20).