Brevet FR2914358A3 — publié le 20081003

FR 2914358 A3 20081003 FR 0702276 A 20070328 CHAMBRE DE COMBUSTION POUR MOTEUR THERMIQUE, ET APPLICATION A UN MOTEUR DIESEL ADAPTE AU FROID. L'invention concerne, de façon générale, la conception des moteurs thermiques, en particulier des moteurs à quatre temps, à combustion interne et à allumage par compression, tels que les moteurs diesel à injection directe. Plus précisément, l'invention concerne une chambre de combustion pour moteur thermique, comprenant au moins une culasse, un piston, et un injecteur implanté dans la culasse, le piston étant monté coulissant dans un cylindre suivant un axe et présentant une face frontale incluant un téton central, une couronne périphérique, et une dépression ou "bol" définie entre le téton et la couronne, la face frontale du piston et la culasse étant conformés pour donner à la chambre, qu'ils délimitent ensemble dans le cylindre, une forme de Venturi radial présentant en coupe axiale deux zones évasées, respectivement convergente et divergente, séparées par un col. Une chambre de ce type est par exemple décrite dans le document de brevet FR 2 880 915 du même déposant. L'augmentation des puissances spécifiques des moteurs diesel à injection directe a conduit à réduire leurs rapports volumétriques de compression afin de limiter la pression maximale dans le cylindre, cette condition étant perçue comme nécessaire pour préserver la fiabilité des attelages mobiles. Les moteurs actuels ont typiquement une puissance spécifique de l'ordre de 60 à 65 kW/L, pour un taux de compression généralement compris entre 15 et 17. Cette diminution du rapport volumétrique de compression entraîne une altération de la capacité des moteurs diesel à démarrer lorsque la température ambiante est faible, et en particulier pour des températures inférieures à -20 C. En effet, lorsque la température d'admission en entrée du cylindre diminue, la température en fin de compression diminue également. Or, si la température en fin de compression passe au dessous d'un seuil limite qui est fonction de l'architecture du moteur, ce dernier démarre difficilement, voire ne démarre pas du tout. Deux approches sont généralement suivies pour 15 compenser les conditions défavorables de démarrage à froid des moteurs diesel. La première consiste à combattre le froid, par exemple en augmentant la température de la bougie de préchauffage, ou en mettant en place des réchauffeurs 20 d'air à l'admission. Or, les limites technologiques des bougies de préchauffage, en particulier des bougies en céramique haute température, sont aujourd'hui très difficiles à repousser, et la mise en place d'un réchauffeur d'air à 25 l'admission est à la fois coûteuse et intrusive. Le deuxième approche consiste à augmenter la puissance transmise au moteur par le démarreur, ce qui implique d'augmenter la puissance de la batterie alimentant le démarreur. 30 Or, non seulement cette seconde voie d'optimisation est également coûteuse, mais elle pose en outre des problèmes d'encombrement sérieux, gênant la mise en place d'un démarreur plus important sur le moteur et le logement d'une batterie plus encombrante sous le capot. Dans ce contexte, l'invention a pour but de proposer une chambre de combustion permettant d'améliorer la capacité de démarrage à froid du moteur qui en est doté. A cette fin, la chambre de l'invention, par ailleurs conforme à la définition générique qu'en donne le préambule ci-dessus, est essentiellement caractérisée en ce qu'elle comprend en outre une bougie implantée dans la culasse, et en ce que l'extrémité chaude de cette bougie est disposée dans le col. Cette chambre est ainsi particulièrement applicable à la réalisation d'un moteur diesel adapté au froid. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront clairement de la description qui en est faite ci-après, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux dessins annexés dans lesquels : -les figures 1 à 4 sont des demi vues en coupe axiale d'une chambre de combustion connue du document de brevet précité, FR 2 880 915; et - la figure 5 est une demi vue en coupe axiale d'une chambre de combustion conforme à l'invention. Comme annoncé précédemment, l'invention concerne une chambre de combustion pour moteur thermique du type dit "à col sonique" et décrit dans le document de brevet FR 2 880 915. Cette chambre de combustion comprend une culasse 1, 30 un piston 2 d'axe Z, et un injecteur 3 implanté dans la culasse 1 sur l'axe Z. Le piston 2, qui est monté coulissant dans un cylindre (non représenté) suivant l'axe de symétrie Z de ce piston et de ce cylindre, présente une face frontale incluant un téton central 21, une couronne périphérique 23, et une dépression 22, encore appelée "bol", définie entre le téton 21 et la couronne 23. La culasse 1, qui est généralement plate sur toute sa surface pour un moteur diesel conventionnel, présente dans le cas ici considéré d'une chambre à col sonique une partie conique 11 qui entoure l'injecteur 3, et qui fait face à une partie par exemple plate 211 du téton central 21 du piston 2. Le téton central 21 présente par ailleurs une génératrice inclinée 212 qui conduit à la dépression 22 et qui confère au téton central la forme d'un tronc de cône. La forme du bol 22 du piston 2 et celle de la culasse 1 sont typiquement obtenues par usinage. La face frontale du piston 2 et la culasse 1 sont ainsi conformés pour donner à la chambre, qu'ils délimitent ensemble dans le cylindre, une forme de tuyère ou de Venturi radial présentant, en coupe axiale (c'est-à-dire dans le plan des figures), une zone évasée convergente C, une zone évasée divergente D, et un col K par lequel ces zones C et D se raccordent l'une à l'autre. L'injecteur 3 (figure 1) injecte le carburant dans la chambre par une pluralité de trous placés sur un cône dont l'angle d'ouverture, encore appelé "angle de nappe", 30 est choisi pour que l'axe moyen des jets 4 de carburant passe sensiblement au milieu du col K. Chaque jet traverse donc successivement la partie convergente C caractérisée par une réduction de section, le col K, puis la partie divergente D caractérisée par une augmentation de section. Plus précisément, au début de la phase d'injection (figure 2), le jet 41 crée, dans la partie convergente C, une surpression qui provoque une augmentation des vitesses d'air 5 dans la zone du col K. Au milieu de la phase d'injection (figure 3), la dépression créée au niveau du col K par l'augmentation des vitesses d'air conduit à une amplification de la vaporisation des jets de carburant 42 et à un meilleur mélange air/carburant. En outre, le col K constitue une singularité géométrique proche du jet et qui conduit à la création d'instabilités aérodynamiques favorables à la pulvérisation du carburant. Ainsi, à la fin de l'injection (figure 4), les jets de carburant 43 pénètrent moins profondément dans la dépression 22 dans la mesure où la phase liquide a été vaporisée plus rapidement. Par ailleurs, les pertes occasionnées lors des transformations successives d'énergie et d'état, à savoir de pression en vitesse dans le convergent C, de phase liquide en phase vapeur dans le col K, et de vitesse en pression dans la divergent D, conduisent également à réduire la pénétration des jets dans le bol 22, donc aussi à réduire l'impact du carburant sur la paroi 221 du bol 22. Or, cet impact, qui est naturellement élevé dans des conditions de basse température, conduit à une réduction sensible de la fraction brûlée de carburant, qui s'accompagne de génération de fumées blanches et d'instabilités de combustion rendant nécessaire la surcharge du moteur en débit injecté. Afin de limiter le recours à des artifices de démarrage de plus en plus sophistiqués et donc de plus en plus coûteux, l'invention propose d'associer aux avantages spécifiques d'une chambre de combustion à col sonique, tels que précédemment décrits, l'intérêt d'une bougie de préchauffage judicieusement disposée pour déclencher plus rapidement l'auto-inflammation du jet de carburant. Plus précisément, l'invention prévoit d'associer à une telle chambre à col sonique une bougie de préchauffage 6 implantée dans la culasse 1, et de disposer l'extrémité chaude 60 de cette bougie dans le col K, sensiblement sur l'axe moyen 4 du jet de carburant et de préférence à l'endroit où le col K présente sa section minimale. La chambre de combustion ainsi constituée est 20 idéalement applicable à la réalisation d'un moteur diesel présentant une capacité accrue de démarrage à froid. REVENDICATIONS . 1. Chambre de combustion pour moteur thermique, comprenant au moins une culasse (1), un piston (2), et un injecteur (3) implanté dans la culasse (1), le piston (2) étant monté coulissant dans un cylindre suivant un axe (Z) et présentant une face frontale incluant un téton central (21), une couronne périphérique (23), et une dépression (22) ou "bol" définie entre le téton et la couronne, la face frontale du piston (2) et la culasse (1) étant conformés pour donner à la chambre, qu'ils délimitent ensemble dans le cylindre, une forme de Venturi radial présentant en coupe axiale deux zones évasées, respectivement convergente (C) et divergente (D), séparées par un col (K), caractérisée en ce qu'elle comprend en outre une bougie (6) implantée dans la culasse (1), et en ce que l'extrémité chaude (60) de cette bougie (6) est disposée dans le col (K). 2. Application de la chambre suivant la 20 revendication 1 à la réalisation d'un moteur diesel adapté au démarrage à froid.