Brevet FR2925115A1 — publié le 20090619

La présente invention se rapporte à un moteur à combustion interne à injection directe de carburant et à un procédé pour réaliser un mélange carburé utilisé pour ce moteur à combustion interne. Elle concerne plus particulièrement les moteurs à injection directe à autoallumage, notamment de type Diesel, mais n'écarte en aucune manière les moteurs à injection directe de type Essence et en particulier ceux à allumage commandé. Elle s'applique également à des moteurs à deux temps ou à quatre temps comportant au moins un cylindre dans lequel coulisse un piston en un mouvement translatif alternatif, une culasse fermant le cylindre, une chambre de combustion, et un injecteur de carburant permettant d'introduire du carburant dans la chambre de combustion. Comme cela est connu pour les moteurs à autoallumage, les performances de ces moteurs à injection directe sont très fortement dépendantes de la qualité du mélange carburé. Ce mélange carburé est obtenu grâce à la combinaison de l'aérodynamique créée lors de l'admission de l'air dans la chambre et de celle créée par l'injection dans cet air admis. Dans la description qui va suivre l'air est, soit de l'air extérieur ou de l'air suralimenté, soit un mélange d'air extérieur (ou d'air suralimenté) additionné à 25 des gaz d'échappement recirculés (EGR). Généralement, la maîtrise de l'aérodynamique créée par l'injection de carburant est obtenue par le choix de la forme de la ou des parois vers lesquelles est dirigé le carburant et de la direction de l'axe de l'injection 30 relativement à ces parois. Dans la plupart des configurations utilisées actuellement, les parois vers laquelle l'injection est dirigée sont la face supérieure du piston, et plus précisément dans le cas de moteurs à autoallumage de type Diesel, le bol que comporte ce piston. Durant le cycle de fonctionnement du moteur, lors des phases de compression et détente de ce moteur avec injection de carburant, la position du piston dans le cylindre varie, entre une position haute, dite Point Mort Haut, où il est le plus près de la culasse et par conséquent de l'injecteur et une position basse, dite Point Mort Bas, où il en est le plus éloigné. Durant cétte course, il se produit une position relative variable des jets de carburant vis-à-vis des parois de guidage du bol, et cela pendant toute la durée de cette injection de carburant. Ainsi, au cours d'une injection ou pour des calages différents de l'injection 15 dans le cycle, les conditions de formation du mélange carburé changent ce qui rend plus difficile l'optimisation de la combustion. En outre, l'injection de carburant en direction de la surface périphérique interne du cylindre est à proscrire, car il en résulte un risque de dilution par ce carburant du lubrifiant nécessairement présent sur cette paroi. 20 Pour pouvoir remédier à ces inconvénients, il est connu, notamment par le document JP 2006-328999 de prévoir un évidement autour de l'injecteur avec une paroi périphérique inclinée de façon à ce que les jets de carburant soient déviés par cette paroi en direction du bol, cette paroi jouant le rôle d'un 25 déflecteur. Cette disposition, bien que donnant satisfaction, présente des inconvénients non négligeables. En effet, l'évidement décrit dans le document précité ne permet d'éviter 30 que la projection de carburant sur la surface périphérique du cylindre. L'élaboration de l'évidement dans la culasse nécessite de prévoir une paroi périphérique de cet évidement avec un angle d'inclinaison qui est un compromis pour que, pendant la majeure partie de la course du piston, le carburant soit redirigé vers le bol. Cependant, pour une course minime de ce piston, du carburant est injecté en dehors de ce bol et se mélange difficilement avec l'air. De ce fait, des hydrocarbures imbrûlés (HC) sont rejetés à l'échappement lors de la combustion de ce mélange carburé. En outre, l'air présent dans la chasse, c'est-à-dire dans la zone située au dessus du piston et comprise entre le rebord de l'ouverture du bol et la paroi du cylindre n'est pas totalement utilisé. L'injection du carburant initialement dirigé dans ce bol ne permet pas d'avoir une dynamique suffisante pour que ce carburant puisse ressortir du bol et se mélanger avec l'air présent dans cette chasse. La présente invention se propose de remédier aux inconvénients ci- dessus mentionnés grâce à un moteur et à un procédé utilisé pour ce moteur 15 qui permettent d'assurer les meilleurs conditions possibles de mélange entre le carburant et l'air, de manière simple et peu coûteuse. A cet effet, la présente invention concerne un moteur à combustion interne à injection directe comprenant au moins un cylindre d'axe XX, un piston 20 coulissant dans ce cylindre, une culasse fermant ledit cylindre, des moyens d'admission avec une soupape d'admission, des moyens d'échappement avec une soupape d'échappement, une chambre de combustion délimitée par la partie supérieure du piston, la surface périphérique du cylindre et la paroi de la culasse en vis-à-vis du piston, et des moyens d'injection pour injecter du 25 carburant selon des jets avec un angle de nappe de jets, caractérisé en ce que la paroi de la chambre de combustion présente une cavité comportant au moins un flanc incliné avec un angle de cavité qui correspond sensiblement à celui de l'angle de nappe de jets des moyens d'injection. 30 Avantageusement, le flanc peut faire partie d'une cavité comportant au moins deux flancs. Les flancs peuvent faire partie d'une cavité en forme de toit ou d'une cavité pyramidale à au moins trois flancs. De manière préférentielle, les flancs peuvent être en forme de pans sensiblement plans. De manière avantageuse, chaque flanc peut intégrer au moins une soupape. Alternativement, le flanc peut faire partie d'une cavité conique. Les moyens d'injection peuvent être placés dans l'axe XX du cylindre. La face supérieure du piston peut comprendre un bol à l'intérieur duquel est logé un téton saillant en direction de la culasse. L'invention concerne également un procédé pour réaliser un mélange carburé dans une chambre de combustion d'au moins un cylindre dans lequel coulisse un piston et fermé par une culasse, ladite chambre de combustion étant délimitée par la face supérieure du piston, la surface périphérique du cylindre et la paroi de la culasse en vis-à-vis du piston, caractérisé en ce qu'il consiste à injecter le carburant sensiblement le long de la paroi de la culasse. Les autres caractéristiques et avantages de l'invention vont apparaître maintenant à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre uniquement illustratif et non limitatif, et à laquelle sont annexées : -la figure 1 qui est une vue schématique en coupe axiale montrant un moteur à combustion interne utilisant le procédé selon l'invention ; - la figure 2 qui est une vue selon les flèches AA de la figure 1 montrant une partie de la chambre de combustion du moteur selon l'invention et - les figures 3 et 4 qui sont respectivement une première et une deuxième variantes de la figure 2. Sur la figure 1, le moteur illustré est un moteur à combustion interne à injection directe et à autoallumage, de type Diesel. Ceci n'écarte pas les moteurs à injection directe fonctionnant avec un autre type de carburant, comme le GNV (Gaz Naturel de Véhicule), ainsi que les moteurs à injection directe à allumage commandé et pouvant utiliser un carburant de type Essence. Ce moteur comprend au moins un cylindre 10 avec un corps de cylindre 12 d'axe longitudinal médian XX à l'intérieur duquel coulisse un piston 14 en un mouvement translatif alternatif sous l'effet d'un ensemble bielle manivelle (non représenté). Dans l'exemple illustré, l'axe XX du corps du cylindre est confondu avec celui du cylindre 10 et dans la suite de la description il ne sera fait mention que de l'axe XX du cylindre. Le cylindre est fermé en partie haute par une culasse 16 en formant une chambre de combustion 18 délimitée par la face supérieure 20 du piston, la surface périphérique 22 du cylindre et la paroi 24 de la culasse en vis-à-vis du piston. La culasse porte au moins un moyen admission, ici deux, avec une soupape d'admission 26 et une tubulure d'admission symbolisée par le trait 25 d'axe 28. De même, cette culasse porte au moins un moyen d'échappement, ici deux, avec une soupape d'échappement 30 et une tubulure d'échappement également symbolisée par un trait d'axe 32. Des moyens d'injection de carburant à l'intérieur de la chambre de 30 combustion sont disposés dans la culasse en étant disposé dans l'axe XX. Ces moyens d'injection comporte un injecteur de carburant 34, de préférence un injecteur multi-jets. Cet injecteur comporte au voisinage de son nez 36, une multiplicité d'orifices ou trous, ici au nombre de six, à travers desquels est pulvérisé le carburant selon des jets 38 dont l'axe général est symbolisé par un trait d'axe. Ces jets sont régulièrement répartis circonférentiellement et forment un angle de nappe de jets A qui est avantageusement compris entre 120° et 180°. Par angle de nappe de jets, il est entendu l'angle au sommet que forme le cône fictif issu de l'injecteur 34 et dont la paroi périphérique fictive passe par tous les axes des jets de carburant 38. Bien entendu, il peut être prévu que l'axe de l'injecteur ne soit pas disposé dans l'axe XX, mais, dans ce cas, l'axe général de symétrie de la nappe de jets de carburant issus de cet injecteur est coaxial à cet axe XX. 15 Il est prévu que la paroi 24 ne soit pas une paroi plane mais présente une cavité 40 qui comporte au moins un flanc incliné 42 à partir de l'axe XX et qui permet de former un angle de cavité défini entre ce flanc incliné et toutes autres surfaces venant rejoindre ce flanc au niveau de l'axe XX. La cavité a donc un axe général de symétrie qui est commun avec celui de l'axe général de 20 symétrie de la nappe de jets de carburant, qui est ici confondu avec l'axe XX. Comme illustré sur la figure 1, la cavité 40 présente, par ce plan passant par l'axe XX, deux flancs inclinés 42 sécants, symétriques par rapport à l'axe XX et qui forment ainsi, au niveau de l'injecteur 34, un angle de cavité B entre eux. Cet angle B est adapté sensiblement à l'angle de nappe A de jets de 25 carburant, de façon à ce que le carburant soit injecté sensiblement le long des flancs 42 en direction de la face supérieure du piston et sans que les jets de carburant ne touchent ces flancs. L'angle B de cette paroi peut être avantageusement compris entre 120° et 180°. Ainsi, l'axe général de symétrie de l'angle de nappe A est ici confondu avec l'axe général de symétrie de 30 l'angle B entre les flancs inclinés.10 En se référant à la figure 2, le flanc incliné fait partie d'une paroi d'une cavité de forme proche d'une forme de révolution dont l'axe est confondu avec l'axe XX. Plus précisément, le flanc incliné fait partie d'une paroi conique 44 d'une cavité conique 45 d'axe général de symétrie confondu avec l'axe XX, dont le sommet du cône est situé au niveau de l'injecteur 34 et dont la base de ce cône passe au voisinage du plan de jonction entre la culasse 16 et le corps de cylindre 12. L'angle au sommet de ce cône ainsi formé correspond à l'angle de cavité B tel que défini précédemment. De manière préférentielle, le diamètre de la base du cône 45 est inférieur à celui du diamètre du cylindre. Pendant les phases de compression et/ou de détente du moteur, il est réalisé un mélange carburé entre le carburant provenant de l'injecteur 34 et l'air contenu dans la chambre de combustion 18 et qui a été admis au travers des soupapes d'admission 26. Pour cela, le carburant est injecté selon les jets 38 d'une manière telle que le carburant se déplace le long de la paroi conique 44 en direction du piston 14, comme indiqué par flèches de la figure 1, sans qu'il y ait contact entre la phase liquide du jet et cette paroi. Au cours de ce déplacement, le carburant se mélange avec l'air présent dans la chambre de combustion. De par la différence de diamètres entre la base du cône et du cylindre, les jets de carburant ne peuvent pas venir au contact de la surface périphérique de ce cylindre tout en ayant la possibilité de se mélanger avec l'air présent au voisinage de cette surface du cylindre. Lorsque les caractéristiques physico-chimiques voulues du mélange carburé sont atteintes (pression et température notamment), le mélange carburé s'autoenflamme, principalement à proximité de la culasse, alors que l'injection de carburant se poursuit. De par l'aérodynamique de ce mélange, celui-ci poursuit sa combustion et parachève son mélange en se combinant avec l'air ainsi qu'avec les produits résultant de la combustion présents au voisinage de la surface périphérique du cylindre et de la face supérieure du piston. Grâce à l'invention, l'interaction entre les jets de carburant et la paroi ne dépend quasiment pas du calage de l'injection de carburant, car la paroi qui participe à la formation du mélange carburé ne bouge pas. Il en résulte une optimisation plus aisée de la forme de la paroi, une 5 interaction des jets de carburant avec cette paroi moins sensible aux conditions de fonctionnement et en particulier au calage de l'injection. Par cela, il est possible de mieux maîtriser la formation du mélange carburé ainsi que son indépendance vis-à-vis du point de fonctionnement ce qui conduit à une amélioration du compromis oxydes d'azote (NOX) I particules / 10 consommation de carburant / bruit de combustion. La localisation de la combustion à proximité de la culasse plutôt qu'à proximité du piston permet de diminuer la charge thermique du piston et de limiter ainsi son besoin en refroidissement. De plus, le mouvement du carburant de la culasse 16 vers le piston 14 et 15 le mouvement descendant du piston facilite le mouvement de ce carburant vers l'air présent au niveau de la zone comprise entre la face supérieure du piston et la surface périphérique du cylindre et qui est comparable à la chasse. Dans la variante de la figure 3, il est prévu que la paroi forme une cavité 20 en forme de toit 46 avec deux flancs inclinés en forme de pans sensiblement plans 48, 50, symétriques par rapport à un plan passant par l'axe XX, et qui constituent l'angle de cavité B au niveau de l'arête de toit 52 qui passe par ce plan. C'est sur cette arête de toit qu'est placé, de manière sensiblement orthogonale, l'injecteur 34. Les pans intègrent les soupapes d'admission 26 25 pour l'un 48 et les soupapes d'échappement 30 pour l'autre 50. Comme pour l'exemple de la figure 2, le carburant est injecté par l'injecteur 34 selon les jets 38 d'une manière telle que le carburant se déplace le long des pans 48, 50 sans les toucher. Au cours de ce déplacement, le carburant se mélange avec l'air présent dans la chambre de combustion en 30 formant un mélange carburé qui s'enflamme, lorsque les caractéristiques physico-chimiques voulues du mélange carburé sont atteintes (pression et température notamment). Pour l'exemple de la figure 4, la paroi forme une cavité 54 qui comporte une multiplicité de flancs inclinés en forme de faces 56 ou pans, préférentiellement sensiblement planes, correspondant au nombre de soupapes. Ainsi dans le cas du moteur illustré avec quatre soupapes, la cavité 54 comporte une forme pyramidale à quatre faces 56 dont le sommet de la pyramide est confondu avec l'axe XX et porte l'injecteur 34. Ainsi, chaque face 56 de la pyramide intègre une soupape, telle qu'une soupape d'admission 26 pour les faces 56 considérées à droite de la figure 4 et une soupape d'échappement 30 pour celles à gauche de cette figure. L'angle au sommet de cette pyramide, considéré entre deux faces 56 en vis-à-vis, correspond à l'angle de cavité B, comme mentionné ci-dessus. Comme pour les exemples précédents, le carburant est injecté selon les jets 38 pour se déplacer le long des faces 56 et cela sans les toucher. Au cours de ce déplacement, le carburant se mélange avec l'air présent dans la chambre de combustion en formant un mélange carburé qui s'enflamme, lorsque les caractéristiques physico-chimiques voulues du mélange carburé sont atteintes. La présente invention n'est pas limitée aux exemples décrits ci-dessus 20 mais englobe toutes variantes et tous équivalents. Ainsi, il peut être prévu que la face supérieure 20 du piston 14 comporte un bol dont la concavité de ce bol est tournée vers la culasse et d'axe coaxial avec l'axe de la nappe de jets de carburant issue de l'injecteur. A l'intérieur et 25 au centre de ce bol, est logé un téton saillant également d'axe coaxial avec l'axe de la nappe de jets de carburant et qui s'érige vers la culasse 16. Grâce à l'invention, le bol peut avoir un diamètre maximal plus important que ceux existant actuellement. Ceci a pour avantage de réduire le volume de la chasse et donc de réduire les possibilités d'avoir de l'air inusité. 30 REVENDICATIONS 1) Moteur à combustion interne à injection directe comprenant au moins un cylindre (10) d'axe XX, un piston (14) coulissant dans ce cylindre, une culasse (16) fermant ledit cylindre, des moyens d'admission (26, 28) avec une soupape d'admission (26), des moyens d'échappement (30, 32) avec une soupape d'échappement (30), une chambre de combustion (18) délimitée par la partie supérieure (20) du piston, la surface périphérique (22) du cylindre et la paroi (24) de la culasse en vis-à-vis du piston, et des moyens d'injection (34) pour injecter du carburant selon des jets (38) avec un angle de nappe de jets (A), caractérisé en ce que la paroi (24) de la chambre de combustion présente une cavité (40) comportant au moins un flanc incliné (42 ; 44 ; 48 , 50 ; 56) avec un angle de cavité (B) qui correspond sensiblement à celui de l'angle de nappe de jets (A) des moyens d'injection. 2) Moteur à combustion interne selon la revendication 1, caractérisé en ce que le flanc fait partie d'une cavité comportant au moins deux flancs (48, 50 ; 56). 3) Moteur à combustion interne selon la revendication 2, caractérisé en ce 20 que les flancs (48, 50) font partie d'une cavité en forme de toit (46). 4) Moteur à combustion interne selon la revendication 2, caractérisé en ce que les flancs (56) font partie d'une cavité pyramidale (54) à au moins trois flancs (56). 5) Moteur à combustion interne selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les flancs sont en forme de pans sensiblement plans (48, 50 ; 56). 25 6) Moteur à combustion interne selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que chaque flanc (48, 50 ; 56) intègre au moins une soupape (26, 30). 7) Moteur à combustion interne selon la revendication 1, caractérisé en ce que le flanc (44) fait partie d'une cavité conique (45). 8) Moteur à combustion interne selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens d'injection (34) sont placés dans l'axe XX du cylindre. 9) Moteur à combustion interne selon la revendication 1, caractérisé en ce que la face supérieure (20) du piston (14) comprend un bol à l'intérieur duquel est logé un téton saillant en direction de la culasse. 15 10) Procédé pour réaliser un mélange carburé dans une chambre de combustion d'au moins un cylindre (10) dans lequel coulisse un piston (14) et fermé par une culasse (16), ladite chambre de combustion étant délimitée par la face supérieure (20) du piston, la surface périphérique (22) du cylindre et la paroi (24) de la culasse en vis-à-vis du piston, caractérisé en ce qu'il consiste à 20 injecter le carburant sensiblement le long de la paroi (24) de la culasse.10