Brevet FR2912184A1 — publié le 20080808

MOTEUR A COMBUSTION INTERNE A INJECTION DIRECTE [0001] L'invention concerne un moteur à combustion interne et plus particulièrement un moteur à injection directe. La présente invention concerne plus particulièrement les moteurs du type à allumage par compression fonctionnant selon le cycle Diesel. [0002] La présente invention concerne également un piston pour moteur à combustion interne pour réaliser un tel moteur. [0003] On connaît, par exemple par les documents US 5 150 677 ou US 5 868 112, un moteur à injection directe de carburant comprenant un carter dans lequel sont disposés plusieurs cylindres, des pistons venant coulisser dans les cylindres et une culasse fermant l'extrémité supérieure du carter. [0004] La culasse comprend pour chaque cylindre : des conduits d'admission et d'échappement obturés sélectivement par au moins une (de préférence deux) soupape d'admission montée dans la culasse, au moins (de préférence deux) une soupape d'échappement montée dans la culasse. [0005] Un injecteur de carburant est également logé dans la culasse en regard de chacun des cylindres, cet injecteur débouchant dans la partie inférieure de la culasse en regard du cylindre, approximativement au centre de celui-ci. [0006] Les pistons sont conformés pour présenter sur leur face supérieure orientée vers la culasse, une cavité centrale en forme de bol profilé entourée d'une zone de chasse annulaire. [0007] Pour chaque cylindre, la chambre de combustion de ce type de moteur est ainsi formée par la surface de la culasse en regard du cylindre, la paroi supérieure cylindrique du carter orientée vers la culasse et la surface supérieure du piston. [0008] De la forme de cette chambre de combustion dépend la qualité de la préparation du mélange carburé et de là, la qualité de la combustion. Cette forme est donc soigneusement étudiée notamment vis-à-vis du jet de carburant injecté et du positionnement des soupapes d'admission et d'échappement. [0009] De très nombreuses formes de profil du bol ménagé dans la tête du piston ont été proposées tant dans le but d'améliorer les performances du piston que dans celui de limiter les émissions de fumées liées à une mauvaise élimination des suies. [0010] D'une manière générale, les chambres de combustion Diesel à injection directe sous haute pression ou common rail utilisées actuellement, présentent les traits suivants : - le bol du piston est axisymétrique et d'axe vertical : il comporte une partie centrale ou téton surélevée se raccordant à une paroi latérale ou extérieure qui peut être verticale ou comporter une concavité. La partie centrale peut être en forme de cône d'angle alpha, comme montré dans les brevets mentionnés ci-dessus ; exceptionnellement, la partie latérale peut être évasée, comme montré dans les brevets US4662319, US4161165 ou US4242948, mais la préférence va généralement à une forme concave, et forme ainsi un rétrécissement du diamètre sur la partie supérieure de la surface latérale généralement appelé lèvre. - l'injecteur envoie de façon azimutale plusieurs jets (au moins quatre) de carburant sous haute pression (une pression supérieure à 600 bars) disposés sur un cône d'angle bêta, appelé angle de nappe, et d'axe coïncidant avec l'axe du bol, ce dispositif d'injection de carburant dans la chambre de combustion présente traditionnellement une unique nappe de jets de carburant; - l'injection principale se fait près du point mort haut (PMH), c'est-à-dire lorsque la partie supérieure du piston est proche du plan de la culasse ; - les axes de carburant intersectent la surface latérale du bol lorsque le piston est au point mort haut, comme on le voit par exemple sur les figures du document US4635597, et il en résulte un mouvement tourbillonnaire d'axe horizontal destiné à dévier le mélange d'abord vers le bas puis le centre du bol, et enfin en direction de la culasse. [0011] On pensait généralement que cette technique antérieure était globalement satisfaisante. Cependant, des études plus approfondies du déroulement de la combustion ont permis au demandeur de constater une utilisation incomplète du volume de la cavité par la combustion à haut régime : de l'oxygène reste non utilisé, ce qui dégrade la combustion, et donc les émissions polluantes. [0012] Il est possible d'améliorer la répartition du carburant dans la chambre de combustion en utilisant un injecteur ayant la particularité de permettre la création de deux nappes de jets de carburant (au moins quatre jets par nappe), appelé injecteur bi-nappe. [0013] L'injecteur bi-nappe permet en outre l'amélioration de la pulvérisation du carburant, bénéfique pour la diminution des émissions polluantes, par la diminution des diamètres des trous, grâce à la multiplication du nombre de trous pour un débit hydraulique total donné de l'injecteur. [0014] Ce type d'injecteur permet donc d'injecter le carburant dans la chambre de combustion selon deux nappes : une première nappe dite nappe à angle ouvert et une seconde nappe dite nappe à angle resserré . [0015] Dans le brevet FR 2868480, il a été ainsi proposé un perfectionnement aux moteurs à combustion interne comprenant un carter comportant un alésage cylindrique avec un piston logé dans cet alésage, une culasse, un injecteur de carburant, piloté par des moyens électroniques de contrôle, et adapté pour injecter le carburant selon une première et/ou une seconde nappe distincte. Selon ce brevet français, le bol du piston, c'est-à-dire la cavité destinée à coopérer avec les nappes lors du passage du piston au voisinage du point mort haut, est conformé pour présenter deux gorges annulaires, essentiellement situées sur les parois latérales du bol, ces gorges étant séparées par un redan et étant agencées pour recevoir chacune respectivement une des nappes de carburant. [0016] Une telle configuration du bol du piston est adaptée à un fonctionnement tantôt avec une seule nappe, généralement la nappe la plus ouverte, notamment lorsque le point de fonctionnement du moteur est relativement peu chargé, ou avec les deux nappes lors du fonctionnement à haut régime et forte charge. [0017] Il a été toutefois observé qu'une telle configuration n'était pas optimale car même à bas régime, on pouvait observer un confinement de la combustion dans une zone réduite du bol, donc une mauvaise utilisation de la zone du cylindre lorsque le piston descend. Il serait donc souhaitable d'améliorer encore le compromis global, incluant les niveaux de performances, de consommation et de bruit de combustion. [0018] La présente invention a donc pour but un moteur à combustion interne présentant un compromis global entre les niveaux de performances, de combustion et de bruit de combustion encore amélioré, et ceci notamment du fait d'une meilleure répartition du carburant dans la chambre de combustion. [0019] Ce but est atteint selon l'invention par un perfectionnement aux moteurs à combustion interne comprenant un carter comportant un alésage cylindrique, une culasse, un piston (logé dans ledit alésage), un injecteur de carburant, piloté par des moyens électroniques de contrôle, et adapté pour injecter le carburant selon une première et une seconde nappe distincte, le piston comportant une cavité, destinée à coopérer avec lesdites nappes lors du passage du piston au voisinage du point mort haut, comportant une protubérance centrale faisant face à l'injecteur. [0020] Selon l'invention la cavité comporte un redan annulaire délimitant une cuvette annulaire entourant la protubérance centrale et une gorge annulaire latérale, entourant la cuvette annulaire, la gorge annulaire latérale étant agencée pour recevoir la première nappe et la cuvette annulaire étant agencée pour recevoir la seconde nappe. [0021] L'invention se distingue ainsi de l'invention connue du brevet FR 2868480 par l'utilisation d'un bol dont le fond et non la paroi latérale comporte deux zones creuses concentriques entourant la protubérance centrale (téton), ces zones recevant des nappes de carburant relativement plus serrées, et ceci quel que soit le point de fonctionnement du moteur. [0022] Dans une variante plus particulièrement préférée du moteur objet de la présente invention, les première et seconde nappes de carburant sont sensiblement coniques et sensiblement coaxiales, la première nappe enveloppant la seconde nappe. Avantageusement, la première nappe présente au sommet un angle compris entre 110 et 175 et la seconde nappe présente au sommet un angle inférieur à l'angle au sommet de la première nappe et compris entre 30 et 160 . [0023] Selon une autre caractéristique préférentielle du moteur objet de l'invention, la cavité comporte une lèvre séparant la gorge annulaire latérale de la partie du piston la plus proche de la culasse, la lèvre terminant ainsi l'ouverture du bol par un rétrécissement du diamètre du bol ce qui permet une optimisation de la zone de chasse. La lèvre est par exemple agencée de façon à pouvoir être impactée par la première nappe, ou du moins, le point d'impact de la nappe N1 dans la gorge annulaire latérale est situé à proximité de la lèvre. Avantageusement encore le rayon maximal R7 de la gorge latérale, et le rayon minimal R8 au niveau de la lèvre, sont tels que le rapport R7 û R8 R7 est compris entre 0,05 et 0,25. Par ailleurs, le rapport entre le rayon du redan annulaire en son point le plus proche du plan de la culasse et le rayon maximal de la gorge annulaire est compris entre 0,3 et 0,6. [0024] La cuvette et la gorge ont de préférence des profondeurs relativement voisines, dans un rapport compris plus généralement entre 0,5 et 1,5. [0025] Le redan annulaire qui délimite la cuvette de la gorge annulaire présente une paroi très droite côté cuvette, formant en angle avec la droite passant par le sommet et parallèle à l'axe de symétrie du bol un angle compris entre 20 et -10 (autrement dit, le redan peut éventuellement former un rentré analogue à une lèvre). Par ailleurs, la hauteur H4 du redan annulaire au droit de son sommet et la profondeur de la cuvette sont de préférence dans un rapport tel qu'il satisfait la relation H2 û H4 compris entre 0 ,2 et 0,5. H2 [0026] Selon une autre caractéristique, le moteur objet de l'invention est tel que les deux nappes sont aussi très écartées angulairement. Donc, de même que la nappe N1 intersecte la gorge annulaire de préférence à proximité de la lèvre, la nappe N2 va intersecter la cuvette de préférence du côté de la protubérance centrale, ou autrement dit, la cavité satisfait la relation Al> beta2/2, beta2 étant l'angle au sommet de la seconde nappe N2 et Al le demi- angle de la protubérance centrale. [0027] La présente invention et ses avantages seront mieux compris à l'étude de la description détaillée d'un mode de réalisation donné à titre d'exemple non limitatif et illustré par les dessins annexés, sur lesquels : - la figure 1 représente une vue en coupe schématique et partielle d'un moteur à combustion interne ; - les figures 2, 3a et 3b représentent une vue en coupe schématique et partielle d'un injecteur bi-nappe ; - La figure 4 représente une vue partielle en coupe axiale précisant le mode de réalisation de la forme d'un piston selon l'invention; - La figure 5 représente une vue de détail du mode de réalisation du piston représenté en figure 4 précisant les zones d'impact des jets de carburant, 5 lorsque le piston se trouve au voisinage du point mort. [0028] Sur la figure 1, le carter du moteur 1 selon l'invention comprend un cylindre 2 pourvu d'un alésage 3. Le cylindre 2 est fermé à son extrémité supérieure par une culasse 4 surmontant ledit carter. Un piston 5 est monté coulissant dans l'alésage 3 du cylindre 2. Entre la surface supérieure 6 du piston 5, le haut de l'alésage 3 et la surface inférieure en 10 regard de la culasse 4, se trouve délimitée une chambre de combustion 7. [0029] La culasse 4 comprend des moyens d'admission de gaz d'admission formés par au moins un conduit 8 débouchant dans le toit de la chambre 7 par une ouverture 9 coopérant avec une soupape de commande 10 apte à être actionnée entre une position fermée d'obturation de l'ouverture 9 et une position ouverte d'admission des gaz. La soupape 10 15 comprend une tige de commande 11 et une tête d'obturation 12 de forme tronconique, dont la surface périphérique inclinée vient en contact avec une surface correspondante de l'ouverture 9 formant siège de soupape pour fermer l'ouverture 9. [0030] La culasse 4 comprend des moyens d'échappement des gaz brûlés formés par au moins un conduit d'échappement 13 débouchant dans le toit de la chambre 7 par une 20 ouverture 14 apte à être fermée par une soupape de commande 15 comprenant une tige d'actionnement 16 et une tête d'obturation 17. [0031] La culasse 4 comprend également un moyen d'injection de carburant formé par un injecteur 18 piloté recevant à une entrée extérieure le carburant sous une pression adaptée et possédant à une extrémité en saillie dans la chambre 7 une tête d'injection 19 apte à 25 pulvériser le carburant sous forme de fines gouttelettes dans la chambre 7 au moment approprié déterminé par le système de contrôle moteur non figuré, lequel pilote notamment l'instant d'injection et la durée d'injection (c'est-à-dire la quantité injectée). [0032] Le piston 5 comprend une tête 20 dont la surface supérieure 6 en regard de la culasse forme la paroi inférieure de la chambre 7, et une jupe 21 assurant le guidage du piston en translation dans le cylindre 2. Le piston 5 comprend également une patte de fixation comprenant un axe sur lequel est fixée la tête d'une bielle permettant de transformer le mouvement de translation du piston 5 en mouvement de rotation d'un vilebrequin, non représentés sur la figure 1. [0033] Lors de la rotation du vilebrequin du moteur, le piston 5 se déplace entre une position de point mort bas, ou PMB, éloignée de la culasse 4, et une position de point mort haut, ou PMH, proche de la culasse 4. [0034] En se reportant aux figures 2, 3a et 3b, on a détaillé la tête d'injection 19 de l'injecteur central de carburant 18. [0035] Cette tête d'injection 19 de type bi- nappe présente une première série de trous 191 destinés à produire une première nappe conique de carburant N1, d'angle au sommet bétal. Cette nappe N1 est formée, par exemple, par au moins quatre trous et donc quatre jets de carburant. [0036] La tête d'injection 19 de type bi-nappe présente une seconde série de trous 192, ménagés sous la série de trous 191 ou au même niveau, en direction du piston. Cette seconde série de trous étant destinés à produire une seconde nappe conique de carburant N2, d'angle au sommet béta2. Cette nappe N2 est formée, par exemple, par au moins quatre trous et donc quatre jets de carburant. [0037] La première nappe N1 a un angle au sommet beta1 compris entre 110 et 175 , et le point de concours de ses jets est situé à une distance D21 du plan de joint de la culasse 4. La seconde nappe N2 a un angle au sommet beta2 compris entre 30 et 160 degrés, et le point de concours de ses jets est situé à une distance D22 du plan de joint de la culasse 4. Les distances D21 et D22 sont dépendantes de la géométrie de l'injecteur et de son implantation dans la culasse. [0038] Il existe différentes possibilités de disposer les trous 191 de la première nappe N1 et les trous 192 de la seconde nappe N2, les uns par rapport aux autres. Une première réalisation représentée à la figure 3a consiste à disposer les trous de telle façon à ce que les jets soient superposés. Dans ce cas, la seconde série de trous 192 sera nécessairement aménagée sous la première série de trous 191. Dans un deuxième mode de réalisation représentée à la figure 3b, les trous sont disposés en quinconce. Dans ce deuxième mode de réalisation, les deux séries de trous peuvent être coplanaires ou non. [0039] L'injecteur 18 est conformé pour pouvoir être piloté par le système de contrôle moteur pour opérer l'injection de carburant selon les nappes N1, N2 et ce, selon le point de fonctionnement du moteur. [0040] En se reportant aux figures 4 et 5, la surface supérieure 6 du piston 5 comprend une cavité centrale 22. Dans l'exemple illustré, cette cavité 22 est entourée d'une zone de chasse 23 circulaire sensiblement plate faisant face à la surface inférieure correspondante de la culasse 4. Cette zone de chasse présentée s'étendant perpendiculairement à l'axe du piston pourrait bien évidemment ne pas l'être. [0041] Dans le mode de réalisation de la figure 4, pris à titre d'exemple nullement limitatif, la cavité centrale 22 est symétrique de révolution selon un axe principal parallèle à l'axe principal du piston 5, ces deux axes pouvant être soit distincts, soit confondus. Cette cavité 22 est formée à partir de son ouverture d'une paroi bombée 24 encore appelée lèvre, d'une gorge annulaire 25 encore appelée gorge latérale, puis d'une autre gorge annulaire, encore appelée cuvette inférieure 26, située sur la paroi de fond de la cavité centrale 22, les deux gorges annulaires étant séparées par une deuxième paroi bombée encore appelée redan 27, et enfin en son centre d'une protubérance centrale 28, encore appelée téton. [0042] Le téton 28 est, par exemple, de forme conique et son sommet arrondi est conformé pour se trouver à une distance H5 de la face supérieure du piston 6. Ce téton 28 conique est adaptée pour avoir un demi-angle au sommet Al sensiblement voisin mais supérieur à béta2 / 2, le demi-angle au sommet de la seconde nappe N2, et un positionnement adapté pour que la seconde nappe N2 vienne le balayer et soit ainsi dirigée vers le fond de la gorge 26. [0043] Dans le mode de réalisation représenté sur les figures 4 et 5, les profondeurs maximales de la cavité 22 sont définies respectivement par les grandeurs H1 au droit de la gorge latérale 25, et H2 au droit de la cuvette inférieure 26, les profondeurs minimales sont respectivement définies par les grandeurs H4 au niveau du redan 27 et H5 au niveau du téton 28. R7 représente le rayon maximal et R8 le rayon minimal de la cavité 22. Enfin, R9 représente la position radiale du redan 27. [0044] En se reportant à la figure 5, on voit l'interaction des deux nappes de carburant N1 et N2 et de la cavité 22. Cette situation correspond à un fonctionnement à forte charge où la quantité de carburant injectée est la plus importante, en configuration superposée. [0045] Pour favoriser la préparation du mélange air/carburant nécessaire au bon déroulement de la combustion, il est important que la nappe N2 remplisse bien la cuvette inférieure 26 et n'interfère pas directement avec la nappe N1. Il est par ailleurs important que la nappe N1 remplisse correctement la gorge latérale 25, puis, lorsque le piston s'écarte du point mort haut alimente correctement la zone de chasse 23. Cette répartition est assurée par la lèvre qui permet, suivant la position axiale du piston, de diriger le carburant provenant de la nappe N2 soit vers la gorge latérale 25, soit vers la zone de chasse 23. [0046] Afin de bien optimiser cette répartition de carburant, il est nécessaire de faire en sorte que le rapport entre l'épaisseur de la lèvre, représentée par la différence entre le rayon maximal R7 de la gorge annulaire latérale 25 et le rayon minimal R8 au niveau de la lèvre 24, et le rayon maximal R7 de la gorge annulaire latérale 25, soit bien proportionné, c'est-à-dire que le rapport (R7 û R8) / R7 soit compris entre 0,05 et 0,25. [0047] Ainsi, on dispose d'une géométrie permettant d'obtenir la rotation du carburant issu de la nappe N1 suivant un axe horizontal dans la gorge latérale 25 comme le montre la figure 5, et un bon guidage du carburant issu de la nappe N1 vers le fond le la zone de chasse 23 lorsque le piston 5 est dans une position qui permette aux jets de la nappe N1 d'être intersecté par la surface supérieure 6 du piston 5. [0048] D'autre part, il est nécessaire de faire en sorte que le rapport entre le rayon R9 de la position du redan 27 et le rayon maximal R7 de la gorge annulaire latérale 25 soit bien proportionné, ce qui est notamment le cas lorsque le rapport R9 / R7 est compris entre 0,3 et 0,6. De même, il est avantageux de faire en sorte que le rapport entre la profondeur maximale Hl de la gorge annulaire latérale 25 et la profondeur maximale H2 de la cuvette annulaire 26 soit bien proportionné, c'est-à-dire que le rapport H1 / H2 soit compris entre 0,5 et 1,5. Le respect de ces deux contraintes permet d'obtenir une bonne répartition des volumes disponible pour chaque nappe, ce qui permet d'obtenir des niveaux de richesse comparables dans chacune des deux zones formées par la gorge latérale 25 et la cuvette annulaire 26, sans avoir à trop différencier les débits hydrauliques de chaque nappe, évitant ainsi des diamètres de trous trop faibles, et donc difficilement réalisables. [0049] De plus, afin de pouvoir optimiser au mieux la direction du carburant issu de la nappe N2 au sortir de la cuvette annulaire 26, il est nécessaire de bien proportionner l'angle A2 de la partie rectiligne située entre la cuvette annulaire 26 et le redan 27, défini par rapport à une droite de référence prise parallèle à l'axe du bol, c'est-à-dire que l'angle A2 soit compris entre +20 et -10 selon la convention trigonométrique. [0050] En outre, afin de donner une bonne dynamique au carburant issu de la nappe N2, tout en donnant au carburant une direction précise, il est nécessaire de bien proportionner la hauteur du redan, représentée par la différence entre la hauteur minimale H4 au droit dudit redan 27 et la profondeur maximale H2 de la cuvette annulaire 26, par rapport à cette dernière profondeur maximale H2 de la cuvette annulaire 26, de sorte que le rapport (H2 û H4) / H2 soit compris entre 0,2 et 0,5. [0051] Enfin, pour assurer que la nappe N2 soit intersecté par le téton 28 lorsque le piston est proche du point mort haut, il est nécessaire que l'angle Al du téton 28 soit supérieur au demi-angle béta2/2 de la nappe N2, de sorte que la relation Al > béta/2 soit respecté. Revendications 1. Moteur à combustion interne comprenant un carter (1) comportant un alésage cylindrique (3), une culasse (4), un piston (5) logé dans ledit alésage (3), un injecteur de carburant (18) piloté par des moyens électroniques de contrôle, ledit injecteur (18) étant adapté pour injecter le carburant selon une première et une seconde nappe distincte (N1, N2) et le piston comportant une cavité destinée à coopérer avec lesdites nappes lors du passage du piston (5) au voisinage du point mort haut, ladite cavité comportant une protubérance centrale (28) faisant face à l'injecteur (18), caractérisé en ce que la cavité comporte une redan annulaire (27) délimitant une cuvette annulaire (26) entourant la protubérance centrale (28) et une gorge annulaire latérale (25), entourant la cuvette annulaire (26), la gorge annulaire latérale (25) étant agencée pour recevoir la première nappe N1 et la cuvette annulaire (26) étant agencée pour recevoir la seconde nappe N2. 2. Moteur à combustion interne selon la revendication 1, caractérisé en ce que la première nappe N1 présente au sommet un angle beta1 compris entre 110 et 175 et la seconde nappe N2 présente au sommet un angle beta2 inférieur à betal et compris entre 30 et 160 . 3. Moteur à combustion interne selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la cavité comporte une lèvre (24) séparant la gorge annulaire latérale de la partie du piston la plus proche de la culasse. 4. Moteur à combustion interne selon la revendication 3, caractérisé en ce que le point d'impact de la nappe N1 dans la gorge annulaire latérale est située sur le flanc inférieur de la lèvre ou à proximité de celui-ci. 5. Moteur à combustion interne selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que la 25 cavité satisfait la relation R R7R8 compris entre 0,05 et 0,25, R7 étant le rayon maximal de la gorge annulaire latérale (25) et R8 le rayon minimal de la cuvette au niveau de la lèvre (24). 6. Moteur à combustion interne selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la cavité satisfait la relation R9 compris entre 0,3 et 0,6, R7 étant le rayon maximal de la gorge annulaire latérale (25) et R9 étant le rayon du redan (29) en son point le plus proche du plan de la culasse. 7. Moteur à combustion interne selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la cavité satisfait la relation H1 compris entre 0,5 et 1,5, H1 étant la H2 profondeur maximale de la gorge annulaire latérale par rapport à la face supérieur du piston et H2 la profondeur maximale de la cuvette par rapport à la face supérieur du piston 8. Moteur à combustion interne selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'en son sommet, le redan (27) forme avec une droite passant par ce sommet et parallèle à l'axe du bol un angle A2 compris entre 20 et -10 . 9. Moteur à combustion interne selon la revendication 8, caractérisé en ce que la la cavité satisfait la relation H2ùH4 H2 compris entre 0 ,2 et 0,5, H2 étant la profondeur maximale de la cuvette (26) et H4 la hauteur du redan (27) au droit de son sommet. 10. Moteur à combustion interne selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la cavité satisfait la relation A1> beta2/2, beta2 étant l'angle au sommet de la seconde nappe N2 et Al le demi-angle de la protubérance centrale (28).20