Brevet FR2927120A1 — publié le 20090807

"Moteur à combustion interne comportant un bol de combustion pour un injecteur de type ultrasonore" L'invention concerne un moteur à combustion interne comportant un bol de combustion pour un injecteur de type 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 io 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. 2 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, io 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 chemin 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. 3 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. Or, avec un tel injecteur ultrasonore, la pénétration du carburant dans le bol 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. io 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 comportant un actuateur apte à commander 4 sélectivement des moyens obturateurs pour injecter le carburant sous la forme d'une nappe d'injection sensiblement conique présentant un faible angle d'ouverture et en ce que le bol de combustion associé à l'injecteur ultrasonore comporte une paroi interne formée par une surface concave globalement sphérique. 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 io quantité de mouvement. Grâce à la combinaison selon l'invention caractérisée par l'association du bol de combustion de forme globalement sphérique avec un injecteur de type ultrasonore, on optimise l'exploitation de l'air contenu dans le bol qui se mélange avec le 15 carburant suivant des mouvements tourbillonnaires provoqués par l'interaction entre la nappe de carburant et la paroi interne globalement sphérique. Avantageusement, le mélange de l'air et du carburant est donc obtenu par l'intermédiaire d'un chemin suivant les 20 mouvements tourbillonnaires précités et d'un autre chemin correspondant à la partir du carburant dirigée vers la zone de chasse. Selon d'autres caractéristiques de l'invention : - le bol de combustion comporte une paroi interne qui, en 25 coupe axiale, présente un profil circulaire ; - le bol de combustion comporte une paroi interne qui, en coupe axiale, présente un fond plat qui se raccorde au bord annulaire par une portion présentant un profil curviligne ; - l'angle de la nappe d'injection déterminé par l'intersection 30 d'un axe moyen d'injection de la nappe d'injection et de l'axe du piston est un angle, dit fermé, dont la valeur est 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 surface globalement sphérique formant la paroi interne du bol de combustion est conformée avec une concavité déterminée de manière que, après leur entrée en contact avec la 5 surface, au moins une partie du carburant s'enroule sur lui-même suivant des mouvements tourbillonnaires aptes à optimiser le mélange du carburant avec l'air présent centralement dans le bol et qu'une autre partie du carburant parcourt la surface jusqu'à atteindre la zone de chasse pour s'y mélanger avec l'air compris io en périphérie du cylindre ; - le bol de combustion est centré par rapport au sommet de la nappe d'injection et que l'injecteur ultrasonore est centré sur l'axe du piston ; - l'actuateur de l'injecteur ultrasonore est formé par un 15 transducteur apte à être 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 ; 20 - l'actuateur comporte au moins un élément électrostatique 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 25 annexée. 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 30 utilisera à titre non limitatif les termes, tels que "supérieure" et "inférieure", "axial" et "radial" et les orientations "longitudinale", "verticale" et "transversale" pour désigner respectivement des 6 éléments selon les définitions données dans la description et par rapport au trièdre (L, V, T) représenté sur la figure. 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 moteur à allumage par compression, en particulier un moteur Diesel. Le moteur 10 comporte au moins un cylindre 12 et une io chambre de combustion 14 associée. La chambre de combustion 14 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 15 alternativement dans le cylindre 12. Le piston 22 comporte un bol de combustion 24 qui est délimité par un bord 26, de préférence annulaire, dans la face supérieure 20 du piston 22 et par une paroi interne 28 qui s'étend depuis ce bord 26 jusqu'à un fond 30. 20 Le bord annulaire 26 forme, avec la face supérieure 20 du piston 22, une zone de chasse 32. La culasse 18 du moteur 10 porte au moins un dispositif d'injection 34 comportant au moins un injecteur 36 apte à injecter le carburant vers le bol de combustion 24. 25 Conformément à l'invention, le dispositif d'injection 34 constitué par au moins un injecteur 36 du type ultrasonore et le bol de combustion 24 associé à cet injecteur ultrasonore 36 comporte une paroi interne 28 qui est formée par une surface concave 38 globalement sphérique. 30 L'injecteur ultrasonore 36 comporte au moins un actuateur 40 apte à commander à fréquence d'excitation ultrasonore sélectivement des moyens obturateur 42 pour injecter le carburant 7 sous la forme d'une nappe d'injection 44 sensiblement conique présentant un faible angle d'ouverture "a". 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. 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, io dont la valeur est avantageusement comprise entre 20° et 50° de manière à favoriser la pénétration du carburant de la nappe 44 dans le bol de combustion 24 en optimisant l'exploitation faite de la quantité de mouvement du carburant. De préférence, le bol de combustion 24 est centré par 15 rapport au sommet de la nappe d'injection 44. Avantageusement, l'injecteur ultrasonore 36 est ici centré sur l'axe vertical X-X du piston 22 et donc centré par rapport au bol de combustion 24. Selon un mode de réalisation préféré de l'invention illustré 20 sur la figure, le bol de combustion 24 comporte une paroi interne 28 qui, en coupe axiale, présente un profil sensiblement circulaire. Avantageusement, un tel bol de combustion 24 est une forme susceptible d'être obtenue par des opérations d'usinage 25 simples et peu coûteuses. Avantageusement, la surface sphérique 38 selon l'invention qui forme la paroi interne 28 du bol de combustion 24 est conformée avec une concavité déterminée en fonction des paramètres de la nappe d'injection 44 de l'injecteur ultrasonore 36 30 associé. Conformément aux enseignements de l'invention, la surface sphérique 38 du bol de combustion 24 est conformée de manière que, après leur entrée en contact avec la surface 38 de 8 la paroi interne 28, au moins une partie du carburant s'enroule sur lui-même suivant des mouvements tourbillonnaires illustrés sur la figure par les flèches I et II et qu'une autre partie du carburant parcourt, suivant la flèche III illustrée sur la figure, la surface 38 jusqu'à atteindre la zone de chasse 32 pour s'y mélanger avec l'air compris en périphérie du cylindre 12. Avantageusement, les mouvements tourbillonnaires illustrés par les flèches I et II sont obtenus grâce à la conformation sphérique spécifique de la paroi interne 28 du bol de io combustion 24 qui est déterminée pour optimiser le mélange du carburant injecté par l'injecteur ultrasonore 36 avec l'ensemble de l'air présent centralement dans le bol 24. Selon une variante non représentée, le bol de combustion 24 comporte une paroi interne 28 qui, en coupe axiale, présente 15 un fond 30 plat ou rectiligne qui se raccorde au bord annulaire 26 par un tore présentant un profil curviligne, de préférence globalement circulaire. On décrira maintenant de manière plus détaillée l'injecteur ultrasonore 36 représenté schématiquement sur la figure qui n'est 20 donné qu'à titre d'exemple de réalisation et de manière non limitative. L'injecteur ultrasonore 36 comporte principalement, outre l'actuateur 40 et les moyens obturateurs 42, un boîtier 46 présentant une cavité intérieure 48 destinée à être remplie de 25 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 30 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 9 disposée un élément d'appui 56 en matériau amortissant avec lequel coopère une partie de l'actuateur 40. Avantageusement, l'actuateur 40 de l'injecteur ultrasonore 36 est formé par un transducteur 58 apte à être commandé pour réaliser sélectivement l'injection de carburant dans la chambre 14 à l'intérieur du bol de combustion 24. Avantageusement, un tel transducteur 58 constitue un actuateur 40 qui est apte à générer des vibrations dans un mode vertical à des fréquences ultrasonores, de l'ordre de quelques io dizaines de kilohertz, par exemple comprises entre 10 et 50 kHz pour permettre des temps d'ouverture minimum de l'ordre de 20ps. De préférence, le transducteur 58 comporte une partie étagée 60 servant d'amplificateur mécanique et se terminant dans 15 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 solidarisation avec une tige 64 et à laquelle sont transmises les vibrations axiales selon la direction verticale du transducteur 58. 20 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 complémentaire 68 entourant l'orifice d'injection 52 pour former un clapet apte à constituer des moyens obturateurs 42 selon qu'il 25 occupe une position d'ouverture ou de fermeture. 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. 30 De préférence, l'actuateur 40 formé par le transducteur 58 comporte au moins un élément piézoélectrique 70, tel que des céramiques piézo-électriques. i0 En variante, l'actuateur 40 formé par le transducteur 58 comporte au moins un élément électrostatique ou au moins un élément magnétostrictif. De tels éléments sont susceptibles de se déformer selon la 5 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 io est délimité par un bord annulaire (26) dans la face supérieure (20) du piston (22) et par une paroi interne (28) qui s'étend depuis ce bord (26) jusqu'à un fond (30), ledit bord annulaire (26) formant avec la face supérieure (20) du piston (22) une zone de chasse (32), dans lequel la culasse (18) porte au moins un 15 dispositif d'injection (34) apte à injecter le carburant vers le bol de combustion (24), caractérisé en ce que le dispositif d'injection (34) comporte au moins un injecteur (36) ultrasonore comportant un actuateur (40) apte à commander à fréquence d'excitation ultrasonore sélectivement des moyens obturateurs (42) pour 20 injecter le carburant sous la forme d'une nappe d'injection (44) sensiblement conique présentant un faible angle d'ouverture (a) et en ce que le bol de combustion (24) associé à l'injecteur ultrasonore (36) comporte une paroi interne (28) formée par une surface concave (38) globalement sphérique. 25 2. Moteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le bol de combustion (24) comporte une paroi interne (28, 38) qui, en coupe axiale, présente un profil circulaire. 3. Moteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le bol de combustion (24) comporte une paroi interne (28, 38) qui, 30 en coupe axiale, présente un fond (30) plat qui se raccorde au bord annulaire (26) par une portion présentant un profil curviligne. 4. Moteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'angle (a) de la nappe d'injection (44)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) est un angle, dit fermé, dont la valeur est comprise entre 20° et 50° de manière à favoriser la pénétration du carburant de la nappe (44) dans le bol de combustion (24). 5. Moteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le moteur (10) est du type à allumage par compression. 6. Moteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la surface globalement sphérique (38) formant la paroi interne (28) du bol de combustion (24) est conformée avec une concavité déterminée de manière que, après leur entrée en contact avec la surface (38), au moins une partie du carburant s'enroule sur lui-même suivant des mouvements tourbillonnaires (I, II) aptes à optimiser le mélange du carburant avec l'air présent centralement dans le bol (24) et qu'une autre partie du carburant (III) parcourt la surface (38) jusqu'à atteindre la zone de chasse (32) pour s'y mélanger avec l'air compris en périphérie du cylindre (12). 7. Moteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le bol de combustion (24) est centré par rapport au sommet de la nappe d'injection (44) et en ce que l'injecteur ultrasonore (36) est centré sur l'axe (X-X) du piston (22). 8. Moteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en que l'actuateur (40) de l'injecteur ultrasonore (36) est formé par un transducteur (58) apte à être commandé pour réaliser sélectivement l'injection de carburant dans le bol de combustion (24) de la chambre de combustion (24). 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.13 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.