Brevet FR2927121A1 — publié le 20090807

"Moteur à combustion interne comportant un bol de combustion à double cavité pour un injecteur ultrasonore" L'invention concerne un moteur à combustion interne comportant un bol de combustion à double cavité pour un 5 injecteur ultrasonore. L'invention concerne plus particulièrement un moteur à combustion interne à injection directe, notamment pour véhicule automobile, comportant au moins un cylindre et une chambre de combustion qui est délimitée axialement, dans sa partie to supérieure, par une face inférieure d'une culasse du moteur et, dans sa partie inférieure, par une face supérieure d'un piston d'axe vertical qui coulisse alternativement dans le cylindre, dans lequel le piston comporte un bol de combustion qui est délimité par un bord annulaire dans la face supérieure du piston et par une 15 paroi interne qui s'étend depuis ce bord jusqu'à un fond, ledit bord annulaire formant avec la face supérieure du piston une zone de chasse, dans lequel la culasse porte au moins un dispositif d'injection apte à injecter le carburant vers le bol de combustion. 20 On connaît de nombreux moteurs à combustion interne comportant une chambre de combustion et plus particulièrement un bol de combustion dans le piston qui est conformée en fonction du dispositif d'injection du moteur auquel il est associé. La géométrie du bol de combustion est déterminée en 25 fonction des caractéristiques du dispositif d'injection de manière à obtenir un mélange air-carburant propre à optimiser le fonctionnement du moteur, notamment une réduction de la consommation de carburant comme des émissions de polluants. Le document EP-A-0.849.448 décrit par exemple une 30 chambre de combustion pour un moteur à combustion interne comportant un injecteur apte à injecter le carburant vers le bol de combustion sous la forme de jets discrets. Dans un tel injecteur, les moyens obturateurs sont par exemple constitués par un pointeau ou une aiguille et sont commandés pour réaliser l'injection, le carburant étant pulvérisé sous la forme de jets discrets par l'intermédiaire de trous disposés à l'extrémité inférieure de la buse de l'injecteur. Le bol de combustion du piston associé à un tel injecteur est dit "large" en ce qu'il présente une ouverture et un diamètre important qui sont complémentaires des jets déterminant une nappe d'injection présentant un grand angle d'ouverture qui, ~o déterminé par l'intersection d'un jet et de l'axe vertical X-X du piston, est par exemple supérieur à 60°. Un tel bol de combustion se caractérise encore géométriquement par une faible profondeur et la présence d'un bossage central qui s'étend verticalement à partir du fond du bol 15 vers l'injecteur. Dans une telle chambre de combustion, le carburant issu de chacun des jets pénètre à l'intérieur du volume du bol jusqu'à atteindre la paroi interne et chaque jet dispose alors de deux chemins pour se mélanger avec l'air d'admission. 20 Suivant un premier chemin, une partie du jet de carburant remonte verticalement au dessus de la zone d'impact avec la paroi interne du bol de combustion de sorte que cette partie du carburant est dirigée vers la zone de chasse et la face supérieure du piston. 25 Suivant un deuxième chemin, l'autre partie du carburant s'enroule en suivant la paroi interne du tore extérieur du bol de combustion puis se dirige vers le centre du bol comportant le bossage central dont il parcourt la surface externe globalement tronconique pour se diriger verticalement vers la culasse portant 30 l'injecteur. Le document EP-A-1.172.552 décrit un exemple d'injecteur de carburant de type ultrasonore apte à injecter le carburant sous la forme d'une nappe d'injection et non pas de jets discrets. La mise en oeuvre d'un tel injecteur de type ultrasonore dans une chambre de combustion comportant par exemple un bol de combustion dans le piston du type de celui décrit dans le document EP-A-0.849.448 n'est pas satisfaisante. Avec un tel injecteur ultrasonore, la pénétration du carburant dans un bol de ce type est insuffisante et par conséquent l'exploitation de l'air d'admission n'est pas optimale ce qui conduit à une qualité de mélange dégradée par rapport à un moteur comportant un injecteur de carburant à jets discrets. to En effet, la pénétration du carburant injecté par un injecteur ultrasonore s'effectue avec une moindre quantité de mouvement, c'est-à-dire une masse de carburant supérieure injectée à une vitesse inférieure, de sorte que l'enroulement du carburant dans la partie toroïdale du bol de combustion selon le 15 deuxième chemin précité ne se produit pas ou peu. L'air présent dans le bol de combustion est donc mal ou peu exploité et le mélange de l'air d'admission et du carburant résulte principalement de l'aspiration du carburant par la zone de chasse selon le premier chemin précité. 20 Toutefois, le phénomène d'effet de chasse ne se produisant que dans des conditions déterminées, notamment plus ou moins 30° degré autour du point moteur haut ou PMH par rapport au vilebrequin, il est insuffisant pour obtenir une qualité de mélange satisfaisante propre à améliorer les performances du 25 moteur tout en réduisant les émissions de polluants. L'invention a donc notamment pour but de résoudre ces inconvénients et de proposer un moteur à combustion interne comportant une chambre de combustion propre à être utilisée en combinaison avec un injecteur de type ultrasonore. 30 Dans ce but, l'invention propose un moteur à combustion interne du type décrit précédemment, caractérisé en ce que le dispositif d'injection comporte au moins un injecteur du type ultrasonore et en ce que le bol de combustion associé à l'injecteur 4 ultrasonore comporte respectivement une première cavité concave qui, agencée centralement, forme une chambre principale et une deuxième cavité annulaire qui, entourant la première cavité, forme une chambre auxiliaire. Avantageusement, la valeur de l'angle d'ouverture de la nappe d'injection est faible de manière à obtenir une nappe d'injection présentant un angle fermé propre à augmenter la pénétration du carburant en optimisant la répartition spatiale de la quantité de mouvement. io Grâce à la combinaison selon l'invention caractérisée par l'association du bol de combustion à double cavité avec un injecteur ultrasonore, on optimise l'exploitation de l'air contenu d'une part dans la première cavité du bol qui se mélange avec le carburant suivant des mouvements tourbillonnaires provoqués par 15 l'interaction entre la nappe de carburant et la paroi interne globalement sphérique de la première cavité et, d'autre part, dans la deuxième cavité formant une "réserve" d'air. Avantageusement, le mélange de l'air et du carburant est donc obtenu par l'intermédiaire d'un premier parcours du 20 carburant suivant les mouvements tourbillonnaires précités et d'un second parcours correspondant à la partie du carburant aspirée vers la zone de chasse, l'aspiration étant amplifiée par la présence de la deuxième cavité. Selon d'autres caractéristiques de l'invention 25 - la première cavité du bol de combustion comporte une paroi interne sphérique qui, en coupe axiale, présente un profil globalement curviligne, tel qu'un arc de cercle ; - la deuxième cavité du bol de combustion comporte une paroi interne qui, en coupe axiale, présente un profil curviligne ; 30 - la paroi interne de la deuxième cavité, s'étendant verticalement à partir du fond du côté de la première cavité, présente en coupe axiale un profil tronconique ; . 2927121 5 -l'injecteur ultrasonore est apte à injecter le carburant sous la forme d'une nappe d'injection sensiblement conique présentant un faible angle d'ouverture qui, déterminé par l'intersection d'un axe moyen d'injection de la nappe d'injection et s de l'axe du piston, a une valeur comprise entre 20° et 50° de manière à favoriser la pénétration du carburant de la nappe dans le bol de combustion. - le moteur est du type à allumage par compression ; - la première cavité du bol de combustion est centrée par to rapport au sommet de la nappe d'injection et l'injecteur ultrasonore est centré sur l'axe du piston ; - l'injecteur ultrasonore comporte un actuateur apte à commander sélectivement des moyens obturateurs pour injecter le carburant et l'actuateur est formé par un transducteur apte à être 15 commandé pour réaliser sélectivement l'injection de carburant dans le bol de combustion de la chambre de combustion ; - l'actuateur comporte au moins un élément piézoélectrique, tel que des céramiques piézo-électriques. - l'actuateur comporte au moins un élément électrostatique 20 ou au moins un élément magnétostrictif. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit pour la compréhension de laquelle on se reportera à la figure unique annexée. 25 La figure unique est une vue schématique en coupe axiale représentant une chambre de combustion d'un moteur à combustion interne équipé d'un injecteur de type ultrasonore. Dans la description qui va suivre et les revendications, on utilisera à titre non limitatif les termes, tels que "supérieure" et 3o "inférieure", "axial" et "radial" et les orientations "longitudinale", "verticale" et "transversale" pour désigner respectivement des éléments selon les définitions données dans la description et par rapport au trièdre (L, V, T) représenté sur la figure. . 2927121 6 On a représenté sur la figure, un moteur 10 à combustion interne, notamment pour véhicule automobile, qui est un moteur du type à injection directe. De préférence, le moteur 10 à combustion interne est 5 moteur à allumage par compression, en particulier en un moteur Diesel. Le moteur 10 comporte au moins un cylindre 12 et une chambre de combustion 14 associée. La chambre de combustion 14 est délimitée axialement, lo dans sa partie supérieure, par une face inférieure 16 d'une culasse 18 du moteur 10 et, dans sa partie inférieure, par une face supérieure 20 d'un piston 22 d'axe vertical X-X qui coulisse alternativement dans le cylindre 12. Le piston 22 comporte un bol de combustion 24 qui est 1s délimité par un bord 26, de préférence annulaire, dans la face supérieure 20 du piston 22. Le bord annulaire 26 forme, avec la face supérieure 20 du piston 22, une zone de chasse 28. La culasse 18 du moteur 10 porte au moins un dispositif 20 d'injection 30 comportant au moins un injecteur apte à injecter le carburant vers le bol de combustion 24. Conformément à l'invention, le dispositif d'injection 30 constitué par au moins un injecteur 32 du type ultrasonore et le bol de combustion 24 associé à l'injecteur ultrasonore 32 25 comporte respectivement une première cavité 34 concave qui, agencée centralement, forme une chambre principale et une deuxième cavité 36 annulaire qui, entourant la première cavité, forme une chambre auxiliaire. La première cavité 34 du bol de combustion 24 comporte 30 une paroi interne 38 de forme sphérique qui, en coupe axiale, présente un profil globalement curviligne, tel qu'un arc de cercle. Avantageusement, la paroi interne 38 de la première cavité 34 présente en coupe axiale un profil circulaire. En variante non représentée, la paroi interne 38 de la première cavité 34 présente en coupe axiale un profil globalement circulaire avec un fond 35 sensiblement plat ou rectiligne. Avantageusement, la deuxième cavité 36 du bol de s combustion 24 comporte une paroi interne 37 qui, en coupe axiale, présente un profil curviligne. De préférence, la paroi interne 37 de la deuxième cavité 36 s'étend verticalement de part et d'autre d'un fond 39, la partie radialement interne de la paroi interne 37 disposée du côté de la ~o première cavité 34 présentant avantageusement, en coupe axiale, un profil tronconique comme illustré sur la figure. La nappe d'injection 44 est constituée comme dans le brevet EP-B1-1.172.552 d'un nuage de gouttes de carburant dont les tailles sont très voisines et suffisamment petites. 15 L'injecteur ultrasonore 32 comporte au moins un actuateur 40 apte à commander à fréquence d'excitation ultrasonore sélectivement des moyens obturateur 42 pour injecter le carburant sous la forme d'une nappe d'injection 44 sensiblement conique présentant un faible angle d'ouverture "a". 20 L'angle d'ouverture a de la nappe d'injection 44 est déterminé par l'intersection d'un axe moyen d'injection A de la nappe d'injection 44 avec l'axe vertical X-X du piston 22. L'angle a de la nappe d'injection 44 est un angle, dit fermé, dont la valeur est avantageusement comprise entre 20° et 50° de 25 manière à favoriser la pénétration du carburant de la nappe 44 dans la première cavité 34 du bol de combustion 24 en optimisant l'exploitation faite de la quantité de mouvement du carburant. De préférence, les première et deuxième cavités 34, 36 du bol de combustion 24 sont centrées par rapport au sommet de la 30 nappe d'injection 44. Avantageusement, l'injecteur ultrasonore 32 est ici centré sur l'axe vertical X-X du piston 22 et donc centré par rapport à la première cavité 34 du bol de combustion 24. Avantageusement, un tel bol de combustion 24 à double cavité est une forme susceptible d'être obtenue par des opérations d'usinage simples et peu coûteuses. Avantageusement, la paroi sphérique 38 de la première 5 cavité 34 est conformée avec une concavité déterminée en fonction des paramètres de la nappe d'injection 44 de l'injecteur ultrasonore 32 associé. Conformément aux enseignements de l'invention, la paroi sphérique 38 du bol de combustion 24 est conformée de manière to que, après leur entrée en contact avec la surface de la paroi interne 38, au moins une partie du carburant s'enroule sur lui-même suivant des mouvements tourbillonnaires illustrés sur la figure par les flèches I et Il et qu'une autre partie du carburant parcourt, suivant la flèche III illustrée sur la figure, la surface 38 1s jusqu'à atteindre la zone de chasse 28 pour s'y mélanger avec l'air compris dans la deuxième cavité 36 agencée en périphérie du cylindre 12. Avantageusement, les mouvements tourbillonnaires illustrés par les flèches I et Il sont obtenus grâce à la 20 conformation sphérique spécifique de la paroi interne 38 de la cavité centrale 34 du bol de combustion 24 qui est déterminée pour optimiser le mélange du carburant injecté par l'injecteur ultrasonore 32 avec l'ensemble de l'air présent centralement dans le bol 24. 25 On décrira maintenant de manière plus détaillée l'injecteur ultrasonore 32 représenté schématiquement sur la figure qui n'est donné qu'à titre d'exemple de réalisation et de manière non limitative. L'injecteur ultrasonore 32 comporte principalement, outre 30 l'actuateur 40 et les moyens obturateurs 42, un boîtier 46 présentant une cavité intérieure 48 destinée à être remplie de carburant sous pression par l'intermédiaire d'un perçage axial 49 d'amenée du carburant apte à être relié à un circuit d'alimentation (non représenté). Le boîtier 46 comporte à son extrémité inférieure une buse 50 qui est pourvue d'un orifice d'injection 52 du carburant avec 5 lequel communique la cavité intérieure 48. Le boîtier 46 comporte au voisinage de la partie supérieure de la buse 50 une partie étagée 54 sur laquelle est de préférence disposée un élément d'appui 56 en matériau amortissant avec lequel coopère une partie de l'actuateur 40. 10 Avantageusement, l'actuateur 40 de l'injecteur ultrasonore 32 est formé par un transducteur 58 apte à être commandé pour réaliser sélectivement l'injection de carburant dans la chambre 14 à l'intérieur de la première cavité 34 du bol de combustion 24. Avantageusement, un tel transducteur 58 constitue un 15 actuateur 40 qui est apte à générer des vibrations dans un mode vertical à des fréquences ultrasonores, de l'ordre de quelques dizaines de kilohertz, par exemple comprises entre 10 et 50 kHz pour permettre des temps d'ouverture minimum de l'ordre de 20ps. 20 De préférence, le transducteur 58 comporte une partie étagée 60 servant d'amplificateur mécanique et se terminant dans sa partie supérieure par un tube 62 dans lequel sont transmises les vibrations provenant du transducteur 58. L'extrémité supérieure du tube 62 comporte une zone de 25 solidarisation avec une tige 64 et à laquelle sont transmises les vibrations axiales selon la direction verticale du transducteur 58. La tige 64 est montée mobile verticalement à l'intérieur de la buse 50 et comporte une extrémité inférieure 66 de forme tronconique destinée à coopérer sélectivement avec un siège 30 complémentaire 68 entourant l'orifice d'injection 52 pour former un clapet apte à constituer des moyens obturateurs 42 selon qu'il occupe une position d'ouverture ou de fermeture. io Avantageusement, l'élément d'appui 56 est apte à exercer une force de rappel élastique tendant à écarter le transducteur 58 de la buse 50 pour rappeler élastiquement l'extrémité tronconique 66 de la tige 64 contre le siège 68. De préférence, l'actuateur 40 formé par le transducteur 58 comporte au moins un élément piézoélectrique 70, tel que des céramiques piézo-électriques. En variante, l'actuateur 40 formé par le transducteur 58 comporte au moins un élément électrostatique ou au moins un io élément magnétostrictif. De tels éléments sont susceptibles de se déformer selon la direction verticale en réponse à l'application d'un champ électrique ou magnétique. REVENDICATIONS 1. Moteur (10) à combustion interne à injection directe, notamment pour véhicule automobile, comportant au moins un cylindre (12) et une chambre de combustion (14) qui est délimitée axialement, dans sa partie supérieure, par une face inférieure (16) d'une culasse (18) du moteur (10) et, dans sa partie inférieure, par une face supérieure (20) d'un piston (22) d'axe vertical (X-X) qui coulisse alternativement dans le cylindre (12), dans lequel le piston (22) comporte un bol de combustion (24) qui est délimité par un bord annulaire (26) dans la face supérieure (20) du piston (22) et par une paroi interne (38) qui s'étend depuis ce bord (26) jusqu'à un fond (35), ledit bord annulaire (26) formant avec la face supérieure (20) du piston (22) une zone de chasse (28), dans lequel la culasse (18) porte au moins un dispositif d'injection (30) apte à injecter le carburant vers le bol de combustion (24), caractérisé en ce que le dispositif d'injection (30) comporte au moins un injecteur (32) ultrasonore et en ce que le bol de combustion (24) associé à l'injecteur ultrasonore (32) comporte respectivement une première cavité (34) concave qui, agencée centralement, forme une chambre principale et une deuxième cavité (36) qui, entourant la première cavité, forme une chambre auxiliaire. 2. Moteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la première cavité (34) du bol de combustion (24) comporte une paroi interne sphérique (38) qui, en coupe axiale, présente un profil globalement curviligne, tel qu'un arc de cercle. 3. Moteur selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la deuxième cavité (36) du bol de combustion (24) comporte une paroi interne (37) s'étendant 3o verticalement de part et d'autre d'un fond (39) qui, en coupe axiale, présente un profil curviligne. 4. Moteur selon la revendication 3, caractérisé en ce que la partie radialement interne de la paroi interne (37) de la deuxièmecavité (36) disposée à partir du fond (39) du côté de la première cavité (34) présente, en coupe axiale, un profil tronconique. 5. Moteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'injecteur ultrasonore (32) est apte à injecter le carburant sous la forme d'une nappe d'injection (44) sensiblement conique présentant un faible angle d'ouverture (ci) qui, déterminé par l'intersection d'un axe moyen (A) d'injection de la nappe d'injection et de l'axe (X-X) du piston (22), a une valeur comprise entre 20° et 50° de manière à favoriser la pénétration du Io carburant de la nappe (44) dans le bol de combustion (24, 34). 6. Moteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le moteur (10) est du type à allumage par compression. 7. Moteur selon la revendication 5, caractérisé en ce que la 15 première cavité (34) du bol de combustion (24) est centrée par rapport au sommet de la nappe d'injection (44) et en ce que l'injecteur ultrasonore (32) est centré sur l'axe (X-X) du piston (22). 8. Moteur selon l'une quelconque des revendications 20 précédentes, caractérisé en que l'injecteur ultrasonore (32) comporte un actuateur (40) apte à commander sélectivement des moyens obturateurs (42) pour injecter le carburant et en ce que l'actuateur (40) est formé par un transducteur (58) apte à être commandé pour réaliser sélectivement l'injection de carburant 25 dans le bol de combustion (24, 34) de la chambre de combustion (14). 9. Moteur selon la revendication 8, caractérisé en que l'actuateur (40, 58) comporte au moins un élément piézoélectrique (70), tel que des céramiques piézo-électriques. 30 10. Moteur selon la revendication 8, caractérisé en que l'actuateur (40, 58) comporte au moins un élément électrostatique ou au moins un élément magnétostrictif.