Brevet FR2918114A1 — publié le 20090102

MOTEUR A COMBUSTION INTERNE [0001 La présente invention concerne un moteur à combustion interne. Elle concerne également un procédé de mise en oeuvre d'un tel moteur. L'invention s'applique notamment aux moteurs dont l'allumage est obtenu par compression.. 2] Les motorisations à allumage par compression, aussi appelées motorisations Diesel, bénéficient généralement d'un rendement supérieur aux motorisations à allumage commandé, ce qui conduit à des consommations en carburant moindres et donc à des émissions de gaz 1 o carbonique plus faibles par kilomètre parcouru. Cependant, leurs émissions de particules et de gaz polluants tels que les oxydes d'azote posent un problème dans le cadre de fortes contraintes environnementales. 3] Concernant les émissions de gaz polluants tels que les hydrocarbures imbrûlés, monoxyde de carbone, et oxydes d'azotes, le 15 principal atout des motorisations à allumage commandé est de permettre le fonctionnement au mélange air-carburant stoechiométrique. La stoechiométrie est la proportion air-carburant pour laquelle la réaction chimique d'oxydation des hydrocarbures est complète. Or, seul ce fonctionnement au mélange stoechiométrique permet d'utiliser un système de 20 post-traitement catalytique dit à trois voies . Ce type de catalyseur, très efficace, permet de transformer les éléments polluants précités en composés chimiques inoffensifs. II est donc très largement employé sur les véhicules comportant un moteur à allumage commandé. 4] Les moteurs Diesel, par contre, fonctionnent en mélange pauvre, 25 c'est à dire avec un mélange air-carburant contenant une quantité d'air plus importante que dans le mélange stoechiométrique correspondant à la réaction de combustion. Ce fonctionnement n'autorise pas l'utilisation des systèmes catalytiques à trois voies. Seule l'oxydation des hydrocarbures et du monoxyde de carbone reste alors possible sur un support catalytique. Des solutions de traitement des oxydes d'azote existent, comme les pièges à NOx ou la catalyse SCR, en référence au sigle anglo-saxon Selective Catalytic Reduction mais leur coût et leur complexité de fonctionnement constituent aujourd'hui un obstacle à leur développement dans le domaine des véhicules motorisés. 5] Afin d'associer un système de post-traitement efficace et peu coûteux, il serait donc souhaitable d'opérer avec un mélange 1 o stoechiométrique, autrement dit une richesse 1. Malheureusement, le niveau d'émission de particules d'une motorisation Diesel est très sensible à la richesse du mélange air-carburant et lorsque la proportion de ce mélange approche du niveau stoechiométrique, l'émission de particules devient inacceptable au regard des limites admises par les normes. 15 [0006] Une solution connue pour éviter cet inconvénient est d'ajouter un filtre à particules. Ce type de filtre permet une réduction drastique de ces émissions mais imposent des cycles de régénération de leurs éléments actifs. 7] Une autre solution connue pour réduire les particules émises par les 20 motorisations Diesel est d'augmenter le délai entre l'injection de carburant et son inflammation. Ce délai, appelé délai d'auto-inflammation, est augmenté afin de laisser le carburant se mélanger avec l'air de la chambre de combustion. L'homogénéisation du mélange air-carburant ainsi obtenue permet de diminuer la présence de zones de fortes richesses de carburant, 25 donc la formation de particules. 8] Cependant, l'augmentation du délai d'auto inflammation entraîne une perte du contrôle sur la combustion qu'offre généralement le système d'injection. L'instant de début de combustion est rendu plus aléatoire. Or, un bon calage de la combustion par rapport au cycle du moteur est nécessaire pour obtenir un bon rendement. 9] Un autre inconvénient de l'allongement du délai d'auto-inflammation est le risque que les parois de la chambre de combustion soient atteintes par le carburant, ce qui entraîne une production importante d'hydrocarbures imbrûlés et de monoxyde de carbone. 0] La figure 1 présente une vue en coupe verticale d'un exemple d'injection de carburant dans une chambre de combustion selon l'art 1 o antérieur. Un cylindre 1 comporte une culasse 2 et un piston 3 mobile verticalement. Des jets 4 de carburant sont envoyés par un injecteur 5 dans une chambre de combustion 6. La chambre de combustion 6 est composée d'une chambre principale 6a formée entre le piston 3 et la culasse 2, et d'une cavité 6b façonnée dans la partie supérieure du piston 3. Le mélange air- 15 carburant est assuré par les jets de carburant 4, qui lors de leur propagation dans la chambre de combustion 6, entraînent de l'air sur leur périphérie. 1] Pour optimiser le mélange entre l'air et le carburant, on peut utiliser un injecteur 5 pourvu de nombreux trous de petit diamètre. II est également possible d'utiliser de fortes pressions d'injection, et d'adapter la forme de la 20 cavité 6b aux jets 4, comme le montre la figure 1 dans laquelle les deux jets 4 sont chacun propulsés dans un lobe de la cavité 6b. 2] De plus, pour améliorer le mélange du carburant avec l'air de la chambre de combustion 6, un mouvement d'air tourbillonnaire représenté sur la figure 1 par des flèches 7 est parfois provoqué dans la chambre de 25 combustion 6. Le mouvement d'air tourbillonnaire 7, souvent appelé mouvement de swirl , est initié lors de la phase d'admission de l'air dans la chambre de combustion 6 par un arrangement particulier des soupapes 8 et des conduits d'admission 9. 3] Toutefois, le mouvement tourbillonnaire 7 est d'une intensité relativement faible par rapport à l'intensité des jets 4 de carburant. Ainsi, le mélange air-carburant est provoqué beaucoup plus par la nature des jets 4 de carburant que par le mouvement tourbillonnaire 7. Par ailleurs, une limitation importante à ce type de chambre de combustion réside dans le fait qu'il est difficile pour les jets de carburant d'atteindre tout l'air disponible dans la chambre de combustion. En conséquence, si les proportions globales d'air 1 o et de carburant dans la chambre de combustion correspondent à la stoechiométrie, cet équilibre de proportions n'est pas réalisé localement dans la chambre de combustion. II existe des zones où le carburant est en excès et des zones où l'air est en excès. Les zones en excès de carburant sont alors à l'origine d'une importante production de particules pendant la 15 combustion. 4] Un but de l'invention est de pallier les inconvénients précités en permettant au moteur de réaliser un mélange air-carburant proche de la stoechiométrie sans perte de contrôle sur la combustion et sans production massive de particules. 20 [0015] A cet effet, l'invention a pour objet un moteur à combustion interne comportant un cylindre, un piston, une culasse fermant le cylindre et un injecteur de carburant, le piston étant mobile dans un mouvement de va et vient à l'intérieur du cylindre, une chambre de combustion principale étant formée entre le haut du piston et la culasse, une cavité étant façonnée dans 25 la partie supérieure du piston et l'un injecteur de carburant étant monté sur la culasse au-dessus de la cavité, caractérisé en ce que la cavité communique avec la chambre principale à travers un col de passage formé par un rétrécissement de la cavité permettant, lors d'une injection de carburant et d'un rapprochement du piston à la culasse, d'obtenir un épluchage du carburant par des gaz s'écoulant entre la chambre principale et la cavité. 6] Selon un mode de réalisation avantageux, le diamètre de la section de passage est inférieur au quart du diamètre du piston c'est-à-dire de l'alésage du moteur. Un col étroit permet ainsi de minimiser la section de transfert entre la chambre de combustion et la cavité de sorte que la section de transfert est petite par rapport à la surface des parois de la cavité. En effet, une surface de transfert trop grande pourrait entraîner une diminution de l'effet d'épluchage du carburant par les gaz, nécessaire à une bonne 1 o homogénéité du mélange gaz-carburant. 7] Avantageusement, la surface interne de la cavité est sensiblement sphérique. Pour rappel, les transferts de chaleur vers les parois de la chambre de combustion sont à éviter car ils conduisent à des pertes de rendement du moteur. II est donc souhaitable de réduire le plus possible la 15 surface des parois de la pré-chambre. Or, la forme géométrique offrant la plus petite surface de contact à volume équivalent est la sphère. D'autres formes de cavités sont bien sûr possibles à condition notamment qu'elles restent suffisamment simples à fabriquer. 8] Avantageusement, le col de passage entre la cavité et la chambre de 20 combustion principale comporte un chanfrein arrondi pour réduire les pertes de charges lors de l'écoulement des gaz entrant et sortant de la cavité. D'une part, le diamètre du col est choisi suffisamment petit de manière à garantir une bonne vitesse d'écoulement des gaz autour du col et suffisamment grand pour ne pas entraîner des pertes de charges trop grandes. D'autre 25 part, les bords du col sont arrondis au moins du côté intérieur et du côté extérieur de la cavité pour réduire les pertes de charges. Ainsi, taille et forme du col sont optimisées afin de minimiser les pertes de charge. [0019] Avantageusement, l'injecteur de carburant est adapté à la projection d'au moins un jet vers la cavité selon un angle d'ouverture inférieur à 900. 0] Selon un mode de réalisation préféré, le moteur est de type Diesel pour lequel aucune bougie d'allumage n'est présente puisque c'est la compression du carburant qui entraîne son auto-inflammation. La difficulté de placer une bougie d'allumage au niveau de la pré-chambre est ainsi évitée. 1] L'invention a également pour objet un procédé de mise en oeuvre du moteur selon lequel l'injecteur projète le carburant pendant le transvasement des gaz de la chambre principale vers la cavité, le débit du carburant projeté 1 o variant en fonction du débit des gaz au col entre la chambre de combustion principale et la cavité. En effet, c'est le mouvement simultané du carburant et des gaz sur le col de passage qui permet de les mélanger plus efficacement. Pour conserver cette efficacité, une partie importante de l'injection doit donc être effectuée lorsque le transvasement des gaz se produit. De plus, afin 15 d'obtenir un mélange optimal, le débit de carburant est adapté au débit des gaz au col. 2] D'autres caractéristiques et avantages apparaîtront à la lecture de la description détaillée donnée à titre d'exemple et non limitative qui suit faite en regard de dessins annexés qui représentent : 20 • figure 1, une vue en coupe verticale d'un exemple d'injection dans une chambre de combustion selon l'art antérieur, cette figure a déjà été décrite plus haut, • figure 2, une illustration d'un mouvement de transvasement d'air dans la chambre de combustion, 25 • figure 3, une vue en coupe verticale d'une mise en oeuvre de l'invention. [0023] La figure 2 illustre un mouvement de transvasement d'air produit lors de la remontée 21 du piston 3 dans le cylindre 1. Lorsque dans le cylindre 1, le piston 3 remonte vers sa position extrême supérieure appelée point mort haut, un transvasement d'air apparaît. En effet, le volume de la chambre de combustion principale 6a étant réduit, l'air présent entre le piston 3 et la culasse 2 est poussé vers la cavité 6b, la seule partie de la chambre de combustion 6 dont le volume reste constant au cours du temps. Ce phénomène de transvasement d'air décrit selon les flèches 20a et 20b est généralement appelé mouvement de squish . A l'aide d'une configuration 1 o particulière de la cavité 6b et de l'injecteur de carburant 5, l'invention permet d'exploiter pleinement le mouvement de squish en vue d'améliorer le mélange air-carburant. 4] La figure 3 présente une vue en coupe verticale d'une mise en oeuvre de l'invention. Dans ce mode de réalisation, la cavité 6b est 15 sensiblement sphérique. La cavité 6b communique avec la chambre principale 6a via une surface de transfert, qui dans cet exemple est un disque 31. Plus précisément, la surface de transfert est la surface horizontale la plus petite de passage de l'air, plus généralement des gaz comburants, entre la cavité 6b et la chambre principale 6a. Le contour du disque 31 20 constitue un col 30 de passage entre la cavité 6b et la chambre principale 6a. 5] Pendant la phase de compression du cycle moteur, lorsque le piston remonte vers le haut du cylindre, les gaz présents dans la chambre principale 6a sont transvasés selon le mouvement 32, vers la cavité 6b en passant sur le col 30. L'injecteur 5 projète alors du carburant simultanément 25 à ce transvasement de gaz 32. La cavité constituant la cavité 6b comprend un rétrécissement important, présent dans cet exemple sous l'aspect du col 30, qui permet d'intensifier l'écoulement des gaz admis dans la chambre de combustion 6. De cette manière, les jets 4 de carburant sont épluchés par les gaz circulant vers la cavité 6b. [0026] De plus, l'injection de carburant est réalisée selon un angle d'ouverture 33 resserré, de manière à viser l'intérieur de la cavité 6b. L'angle d'ouverture 33 est fonction de la dimension de la surface de transfert, c'est à dire du diamètre du disque 31 dans cet exemple. II faut en effet que les jets 4 de carburant passent près du col 30 pour bénéficier pleinement du mouvement de gaz 32, sans toutefois toucher les parois de la cavité 6b. L'angle d'ouverture 33 est beaucoup plus petit que les angles d'ouverture utilisés généralement dans des chambres de combustion classiques telle que celle présentée en figure 1. Ainsi, le passage simultané des gaz et du 1 o carburant au niveau du col 30 produit un mélange gaz-carburant assez homogène. 7] Par ailleurs, afin d'effectuer un mélange stoechiométrique, le débit de carburant fourni par l'injecteur est adapté au débit de gaz au col 30. Or, l'évolution du débit de gaz au col 30 en fonction de la position du piston est 15 connue. L'évolution du débit de gaz au col 30 peut être déterminée par un calculateur 34 et dépend principalement de la masse de gaz admise dans la chambre de combustion 6 et du régime moteur, c'est à dire de la fréquence de va-et-vient du piston 3. Le calculateur 34 calcule la quantité de carburant à injecter selon le débit de gaz au col 30 et le bloc de commande 35 envoie 20 les signaux 36 à l'injecteur 5 permettant ainsi une régulation du débit de carburant. 8] Enfin, il existe un compromis à trouver entre la vitesse du mouvement de gaz 32 et les pertes de charges créées lors du passage des gaz au col. Plus la vitesse du mouvement de gaz 32 est grande, meilleur est 25 le mélange gaz-carburant. Cependant, une augmentation de la vitesse du mouvement des gaz 32 engendre des pertes de charges plus importantes au niveau du col 30. Selon le compromis recherché, le diamètre du disque 31 est choisi. Pour réduire les pertes de charge, il convient d'agrandir ce diamètre. Par contre, un diamètre du disque 31 plus petit permet d'augmenter la vitesse du mouvement des gaz 32. En outre, pour réduire les pertes de charges, il est préférable de façonner le col 30 selon une forme arrondie en entrée et en sortie du disque 31. 9] L'utilisation d'une configuration particulière de la chambre de combustion 6 couplée judicieusement avec une injection adaptée à la forme de la cavité 6b permet de fonctionner à la stoechiométrie et donc d'utiliser un catalyseur trois voies. 0] Par ailleurs, l'épluchage des jets 4 de carburant par le mouvement de gaz 12 au passage du col 11 est similaire à celui obtenu par des 1 o injecteurs assistés par air. Ces derniers sont très efficaces en terme d'atomisation du carburant mais ils sont également très coûteux. L'invention permet donc de produire un effet semblable à moindre coût. 1] Un autre avantage de l'invention est de diminuer les contraintes de dimensionnement de l'injecteur 5. En effet, le mélange gaz-carburant étant 15 amélioré par le passage simultané des gaz et du carburant au col 11, il n'est pas nécessaire d'utiliser des injecteurs comportant de multiples trous de petit diamètre pour favoriser le mélange. II est par exemple possible d'utiliser des injecteurs monos-trous. 2] Un autre avantage de l'invention est de pouvoir facilement adjoindre 20 un matériau quasi-adiabatique sur les parois de la cavité 6b pour réduire les pertes thermiques aux parois. Le piston 3 peut par exemple être réalisé avec un insert de matériau isolant thermiquement, dans une pièce de fonderie de piston classique. 3] Le moteur selon l'invention peut également bien sûr bénéficier d'une 25 suralimentation par compresseur, par turbocompresseur, ou de manière plus générale de toute combinaison de système de suralimentation. [0034] Dans une variante de réalisation, le moteur peut également posséder un circuit de recirculation des gaz d'échappement pour réduire les émissions d'oxydes d'azotes grâce à la dilution de l'air admis par des gaz brûlés. 5] Enfin, dans une réalisation particulière, le moteur peut posséder un 5 système de distribution variable permettant d'optimiser le remplissage des cylindres. REVENDICATIONS 1. Moteur à combustion interne comportant un cylindre (1), un piston (3), une culasse (2) fermant le cylindre et un injecteur (5) de carburant, le piston étant mobile dans un mouvement de va et vient à l'intérieur du cylindre, une chambre de combustion principale (6a) étant formée entre le haut du piston (3) et la culasse (2), une cavité (6b) étant façonnée dans la partie supérieure du piston (3) et l'un injecteur (5) de carburant étant monté sur la culasse (2) au-dessus de la cavité (6b), caractérisé en ce que la cavité (6b) communique avec la chambre principale (6a) à 1 o travers un col (30) de passage formé par un rétrécissement de la cavité (6b) permettant, lors d'une injection de carburant et d'un rapprochement (21) du piston (3) à la culasse (2), d'obtenir un épluchage du carburant par des gaz s'écoulant entre la chambre principale (6a) et la cavité (6b). 15 2. Moteur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'une section de passage entre la chambre principale (6a) et la cavité (6b) a un diamètre inférieur au quart du diamètre du piston. 3. Moteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce 20 que la surface interne de la cavité (6b) est sensiblement sphérique. 4. Moteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le col (30) de passage entre la cavité (6b) et la chambre de combustion principale (6a) comporte un chanfrein arrondi pour réduire 25 les pertes de charges lors de l'écoulement des gaz entrant et sortant de la cavité (6b). 5. Moteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'injecteur (5) de carburant est adapté à la projection d'un ou de 30 plusieurs jets (4) vers la cavité (6b) selon un angle d'ouverture (33) inférieur à 90 . 6. Moteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le moteur est de type Diesel. 7. Procédé de mise en oeuvre du moteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'injecteur (5) projète le carburant pendant le transvasement des gaz de la chambre principale (6a) vers la cavité (6b), le débit du carburant projeté variant en fonction du débit des gaz au col (30) entre la chambre de combustion principale (6a) et la cavité (6b).