Brevet FR3017421A1 — publié le 20150814

La présente invention se rapporte à un moteur à combustion à injection directe de combustible et plus particulièrement à un moteur à allumage par compression et à un procédé utilisant un tel moteur. Elle concerne plus particulièrement un tel moteur utilisable dans le domaine aéronautique ou routier ou dans le domaine des installations stationnaires, comme un groupe électrogène. Ce type de moteur comprend généralement au moins un cylindre, un piston comprenant un téton disposé dans un bol concave et coulissant dans ce cylindre en un mouvement rectiligne alternatif, des moyens d'admission d'un comburant, des moyens d'échappement de gaz brûlés, une chambre de combustion, et des moyens d'injection pour injecter un combustible dans la chambre de combustion. Comme cela est généralement admis, lors de la conception d'un moteur, les contraintes de performances, d'émissions de polluants et de tenue mécanique de la chambre de combustion sont de plus en plus fortes alors que les moyens de les satisfaire sont opposés. Ainsi l'augmentation des performances entrainent généralement une augmentation des émissions de polluants et des contraintes mécaniques plus fortes. Pour pallier ces contraintes et de manière à garantir une émission de polluants limitée et une tenue mécanique satisfaisante sur toute la plage de fonctionnement du moteur et en particulier à très forte charge, l'utilisation de la totalité du comburant présent dans la chambre de combustion, par exemple un comburant comprenant de l'air à pression ambiante, de l'air suralimenté, ou un mélange d'air (suralimenté ou non) et de gaz brûlés recirculés, est d'une grande importance. En effet, il est nécessaire que le mélange carburé (comburant/combustible) dans la chambre de combustion soit le plus homogène possible. En pratique, le combustible reste confiné dans le bol et ne peut pas se mélanger au comburant situé notamment dans la chasse, c'est-à-dire dans le volume localisé dans la partie haute de la chambre de combustion délimité par la paroi du cylindre et la face de la culasse en regard du piston. Ceci a pour inconvénients de créer des zones à fortes richesse dans la chambre de combustion engendrant une forte production de suies, d'oxyde de carbone (CO) et d'hydrocarbures imbrûlés (HC) lors de la combustion de ce mélange carburé. De plus, la charge thermique est concentrée sur le réentrant du piston, c'est- à-dire le col ou la restriction de diamètre de bol qui marque la transition entre le bol du piston et la zone supérieure englobant la chasse, ce qui peut être limitant en termes de tenue mécanique à très fortes charges. Pour pallier ces inconvénients, et comme cela est mieux décrit dans la demande de brevet français N° 13 60426 du demandeur, il est prévu d'utiliser un moteur à combustion interne comprenant des moyens d'injection de combustible avec des jets selon au moins deux angles de nappe et un piston comportant un bol muni d'un téton avec deux volumes de zones de combustion et une aérodynamique interne améliorant sensiblement la qualité de la combustion. Ceci permet d'utiliser une plus grande quantité de comburant comparé aux moteurs traditionnels et de répartir la charge thermique sur une plus grande surface de la chambre de combustion. Néanmoins, même si cette solution apporte un gain en performance, l'utilisation d'un système d'injection à double angle de nappe doit être spécifique pour injecter des quantités de combustible en rapport avec les volumes des zones de combustion. En effet, les volumes de ces zones de combustion sont sensiblement différents et un système d'injection à double angle de nappe conventionnel va injecter une quantité identique de combustible dans chacune de ces deux zones. De ce fait, le mélange et la richesse dans chacune des zones seront différents. En particulier, la zone de chasse, qui présente un faible volume utile de comburant, sera trop riche par rapport à la richesse dans le fond du bol, ce qui engendre une production de suies et d'hydrocarbures imbrûlés trop importante. La présente invention se propose de remédier aux inconvénients mentionnés ci-dessus grâce à un moteur et à un procédé qui permettent d'obtenir un meilleur mélange entre le fluide gazeux (comburant) et le combustible injecté et un meilleur contrôle de la richesse dans la chambre de combustion grâce à l'utilisation d'un système d'injection spécifique à au moins deux angles de nappe. A cet effet, l'invention concerne un moteur à combustion interne à injection directe à allumage par compression comprenant au moins un cylindre, une culasse portant des moyens d'injection de combustible, un piston coulissant dans ce cylindre, une chambre de combustion délimitée sur un côté par la face supérieure du piston comportant un téton s'érigeant en direction de la culasse et disposé au centre d'un bol concave avec au moins deux zones de mélange, lesdits moyens d'injection projetant du combustible selon au moins deux nappes de jets de combustible d'angles de nappe différents, une nappe inférieure d'axe de jet Cl pour la zone et une nappe supérieure d'axe de jet C2 pour la zone, caractérisé en ce que le moteur comprend des moyens d'injection introduisant du combustible dans la chambre de combustion avec un débit différencié pour chacune des nappes pour un ciblage dédié dans les zones de mélange distinctes de ladite chambre de combustion. Le débit de la nappe supérieure de jets peut être inférieur à celui de la nappe inférieure de jets. Le débit de la nappe supérieure peut être inférieur d'au moins 10% à celui de la nappe inférieure. Le débit de la nappe supérieure peut être inférieur de 20 à 40% à celui de la nappe inférieure. Les moyens d'injections peuvent comprendre un injecteur projetant du combustible selon au moins deux nappes de jets de combustible situées axialement l'une au-dessus de l'autre avec un angle de nappe différent l'un de l'autre. Les moyens d'injection peuvent comporter au moins deux injecteurs projetant du combustible selon une nappe de jets de combustible d'angle de nappe différent l'un de l'autre. Les injecteurs peuvent comporter une perméabilité différente l'un de l'autre. L'angle de nappe de l'une des nappes peut être au plus égal à 130° alors que l'angle de nappe de l'autre des nappes peut être au moins égale à 130°. L'invention concerne également un procédé d'injection pour un moteur à combustion interne à injection directe à allumage par compression comprenant au moins un cylindre, une culasse portant des moyens d'injection de combustible, un piston coulissant dans ce cylindre, une chambre de combustion délimitée sur un côté par la face supérieure du piston comportant un téton s'érigeant en direction de la culasse et disposé au centre d'un bol concave, ledit procédé consistant à injecter le combustible selon au moins deux nappes de jets de combustible d'angle de nappe différents, une nappe inférieure d'axe de jet Cl et une nappe supérieure d'axe de jet C2, caractérisé en ce qu'il consiste à injecter une quantité de combustible différente pour chaque zone de combustion par les deux nappes de jets. Le procédé peut consister à injecter le combustible avec une différence de quantité d'au moins 10% entre les deux nappes. 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 montre un moteur à combustion interne selon l'invention ; - la figure 2 qui est une vue partielle à grande échelle d'une demi-section du profil du bol de piston du moteur de la figure 1 et - la figure 3 qui illustre à plus grande échelle les moyens d'injection de combustible pour le moteur des figures 1 et 2. En se référant à la figure 1, un moteur à combustion interne à injection directe à allumage par compression comprend au moins un cylindre 10, une culasse 12 fermant le cylindre en partie haute, des moyens d'injection de combustible 14 portés par la culasse et un piston 16 d'axe XX' coulissant dans le cylindre en un mouvement rectiligne alternatif. Par combustible, il est entendu un carburant liquide, comme du gazole, du kérosène ou tout autre combustible ayant les caractéristiques physico-chimiques permettant le fonctionnement d'un moteur de type allumage par compression incluant un système d'injection directe de ce combustible. Ce moteur comprend également un moyen d'échappement 18 des gaz brûlés avec au moins une tubulure d'échappement 20 dont l'ouverture peut être contrôlée par tous moyens, comme par exemple une soupape d'échappement 22 et un moyen d'admission 24 d'un comburant avec au moins une tubulure d'admission 26 dont l'ouverture peut être contrôlée par tous moyens, comme par exemple une soupape d'admission 28. Par le terme comburant, il est compris de l'air à pression ambiante ou de l'air suralimenté ou encore un mélange d'air (suralimenté ou non) avec des gaz brûlés. Les moyens d'injection comprennent au moins un injecteur de combustible 30, de préférence disposé dans l'axe XX' du piston dont le nez 32 comporte une multiplicité d'orifices au travers desquels le combustible est pulvérisé et projeté en 25 direction de la chambre de combustion 34 du moteur. C'est à partir de ces moyens d'injection que le combustible projeté forme au moins deux nappes de jets de combustible, ici deux nappes 36 et 38 de jets de combustibles 40 et 42, qui, dans l'exemple montré, ont un axe général confondu 30 avec celui du piston 16 tout en étant situées axialement l'une au-dessus de l'autre. Plus précisément, la nappe 36, qui est située le plus prés du piston 16, est dénommée dans la suite de la description nappe inférieure alors que la nappe 38 placée le plus loin de ce piston est appelée nappe supérieure. Comme visible sur la figure 1, ces deux nappes forment des angles de nappe Al et A2 différents l'un de l'autre. Par angle de nappe, il est entendu l'angle au sommet que forme le cône issu de l'injecteur et dont la paroi périphérique fictive passe par tous les axes Cl ou C2 des jets de combustible 40 ou 42. Avantageusement, l'angle de nappe Al de la nappe basse est au plus égal à 130°, de préférence compris entre 40° et 130°, alors que l'angle de nappe A2 de la nappe haute est au plus égale à 180°, de préférence compris entre 150° et 180°. Pour des raisons de simplification dans la suite de la description l'angle al correspond à A1/2 alors que l'angle a2 correspond à A2/2 (Voir figure 2). L'écart entre les deux angles de nappe est donc d'au moins 50°. Ceci permet ainsi de limiter les recouvrements de jets de combustible entres les deux nappes et donc la formation de polluants, tels que les suies. Bien entendu, il peut être prévu que les moyens d'injection ne soient pas disposés dans l'axe XX', mais dans ce cas, l'axe général des nappes de jets de combustible issues de l'injecteur de combustible est pour le moins sensiblement parallèle à cet axe XX'. De même, il peut être prévu que chaque nappe soit portée par un injecteur distinct (injecteur simple nappe) avec un ciblage dédié dans des zones distinctes de la chambre de combustion. La chambre de combustion 34 est délimitée par la face interne de la culasse 12 en vis à vis du piston, la paroi interne circulaire du cylindre 10 et la face supérieure 44 du piston 16. Cette face supérieure du piston comporte un bol concave 46, ici d'axe confondu avec celui du cylindre, dont la concavité est tournée vers la culasse et qui loge un téton 48 situé sensiblement au centre du bol, qui s'élève vers la culasse 12, en étant de préférence coaxial avec l'axe des nappes de combustible issues de l'injecteur 30. Bien entendu, il peut être prévu que l'axe du bol ne soit pas coaxial avec celui du cylindre mais l'essentiel réside dans la disposition selon laquelle l'axe de la nappe de jets de combustible, l'axe du téton et l'axe du bol soient de préférence confondus. En se rapportant en plus à la figure 2, le téton 48, de forme générale tronconique, comporte un sommet 50 de préférence arrondi, se poursuivant, en s'écartant symétriquement de l'axe XX' vers l'extérieur du piston 16, par une surface inclinée 52 sensiblement rectiligne se poursuivant par un flanc inclinée 54 pour arriver à un fond 56 du bol. Bien entendu et cela sans sortir du cadre de l'invention, la surface inclinée 52 peut être inexistante (longueur nulle) et le flanc incliné 54 raccorde alors le sommet du téton au fond du bol. Dans l'exemple de la figure 2, le fond de ce bol est arrondi avec une surface arrondie concave 58 en arc de cercle de rayon R1, dite surface arrondie interne, raccordée au bas du flanc incliné 54 et une autre surface arrondie concave 60 en arc de cercle de rayon R2, dite surface arrondie externe, raccordée par une de ses extrémités à l'extrémité basse de la surface arrondie interne à un point M et par l'autre de ses extrémités à une paroi latérale 62, ici sensiblement verticale, à un point N. Les deux surfaces arrondies 58 et 60 délimitent ainsi la partie basse d'un volume torique, ici un tore de section sensiblement cylindrique 64 et de centre B dont le rôle sera explicité dans la suite de la description. La paroi latérale 62 se poursuit, toujours en s'écartant de l'axe XX', par une surface arrondie convexe 66 en arc de cercle de rayon R3, dite réentrant, aboutissant à un plan inclinée 68 relié à une surface d'inflexion concave 69 raccordée à une surface sensiblement plane 70. Cette surface plane se continue par une surface convexe externe 72 en arc de cercle de rayon R5 qui arrive à une surface plane 74 s'avançant jusqu'au voisinage de la paroi du cylindre. La chambre de combustion comprend ainsi deux zones distinctes Z1 et Z2 dans lesquelles s'effectue le mélange entre le comburant qu'elles contiennent (air - suralimenté ou non - ou mélange d'air et de gaz brûlés recirculés) et le combustible provenant de l'injecteur ainsi que la combustion du mélange carburé ainsi formé. La zone Z1, délimitée par le téton 48, le tore 64 du fond du bol, la paroi 62 et la surface arrondie convexe 66, forme la zone basse de la chambre de combustion qui est associée à la nappe inférieure 36 de jets de combustible d'axe C1. La zone Z2, démarquée par le plan incliné 68, la surface concave 69, la surface sensiblement plane 70, la surface convexe 72, la surface plane 74, la paroi interne périphérique du cylindre et la culasse 12, constitue la zone haute de cette chambre qui est associée à la nappe supérieure 38 de jets de combustible d'axe C2. Dans cette configuration, le bol comprend, pour une position du piston proche du point mort haut : - un diamètre externe de fond de bol FD avec un rayon considéré entre l'axe XX' et le point M le plus bas du bol, c'est à dire à l'intersection entre les surfaces de rayons R1 et R2, - un diamètre de l'ouverture de bol BD avec un rayon considéré au voisinage du fond du bol et correspondant à une distance prise entre l'axe XX' et le point le plus éloigné de la surface concave externe 60, - un diamètre de col GD avec un rayon qui correspond à la distance entre l'axe XX' et la paroi verticale 62 qui délimite la section de sortie de ce bol, - un diamètre d'injection haut Dl avec un rayon qui correspond à la distance entre l'axe XX' et le début de la surface d'inflexion 69 au point P entre le plan incliné 68 et la surface convexe 66 en délimitant une longueur L6 des jets 38 entre l'origine T2 de l'axe C2 des jets sur l'axe du nez de l'injecteur et le point P et qui répond à la formule 'Dl isin(a2), - une longueur développée de la demi-coupe diamétrale Cb du bol, constituée par la longueur depuis l'intersection du sommet du téton avec l'axe XX' jusqu'à la paroi du cylindre, - une hauteur H de téton entre le fond du bol au point M jusqu'au sommet du téton, - une hauteur L du bol entre le fond du bol au point M jusqu'à la surface plane 74, - une hauteur de jonction L3, qui correspond à l'étendu de la paroi latérale 62, considérée entre la fin de la surface arrondie externe 60 au point N et le début de la surface arrondie externe 66, - une hauteur L4 considérée entre le point P et le point M, - un angle d'inclinaison a3 par rapport à une verticale pour le flanc incliné 54, - un angle d'inclinaison a4 formé par l'axe principal Cl des jets de combustible de la nappe inférieure 36 impactant le tore avec la tangente au point d'impact F en délimitant une longueur L5 des jets 40 entre l'origine T1 de l'axe Cl des jets sur l'axe du nez de l'injecteur et le point F. Cette longueur L5 répond à la formule ID2/sin(al ) avec ID2 qui correspond à un diamètre d'injection bas avec un rayon qui correspond à la distance entre l'axe XX' et le point F, - un angle d'inclinaison a5 considéré à la tangence de la surface arrondie externe 60 avec la paroi latérale 62 au point N, - un angle d'inclinaison a6 par rapport à l'horizontal et la tangente à la paroi sensiblement plane 70, - un angle d'inclinaison a7 par rapport à l'horizontale et le plan incliné 68 au point d'intersection P. Tous ces paramètres sont appréciés pour une position du piston 16 au voisinage du point mort haut qui correspond à une distance D considérée entre le point M et l'origine T2 de l'axe C2 des jets 42. Plus précisément, cette distance D est égale à la somme de la hauteur L4 et de la hauteur C, hauteur C qui correspond à la hauteur axiale entre l'origine T2 et le point P. Cette hauteur correspond à la formule ID1/tan(a2). Ainsi, les paramètres dimensionnels et angulaires de ce bol satisfont à au moins l'une des conditions suivantes : - l'angle a4 est supérieur à 80°. Ceci revient à faire passer plus de la moitié du jet de combustible entre le centre B du tore 64 et le téton et plus précisément la 30 partie basse au niveau du point M et donc d'assurer un mouvement aérodynamique dans le tore remontant vers le haut du cylindre, - l'angle a5 doit être positif et inférieur à 90°. Préférentiellement, il doit être de l'ordre de 30° à 40° afin de diriger les jets de combustible 40 de la nappe inférieure 36 vers le volume de comburant S1 pour utiliser le comburant de cette zone tout en limitant la remontée de ce combustible vers la nappe supérieure 38, - le volume S1 de comburant situé entre les jets 40 de combustible de la nappe inférieure est minimisé, toujours dans le souci d'optimiser l'utilisation du 5 comburant dans la chambre, - la position du haut du téton 48 est la plus proche possible du nez 32 de l'injecteur 30 afin de limiter le volume de comburant sous l'injecteur qui ne sera pas impacté par les jets de combustible, ce qui revient encore une fois à minimiser le volume S1. Ainsi le rapport H/L est supérieur à 40% et préférentiellement 10 supérieur à 60%, - l'angle a3 est sensiblement égal ou supérieur à l'angle al de la nappe inférieure (-10° 1 et Dl De plus, l'interaction des jets de la nappe supérieure avec les jets de la nappe inférieure est limitée, ce qui permet d'homogénéiser le mélange comburant/combustible tout en respectant des contraintes de tenue mécanique à forte charge. On se rapporte maintenant à la figure 3 qui illustre un exemple des moyens d'injection de combustible dans la chambre de combustion avec un débit de combustible différencié pour chacune des nappes 36 et 38. Ces moyens sont formés par un injecteur de combustible 30 qui porte au niveau de son nez 32 au moins deux séries 80, 82 d'orifices radiaux 84, 86 d'injection de combustible placées sensiblement parallèle l'une à l'autre. Les orifices sont disposés circonférentiellement sur le nez et les séries sont placées l'une au-dessus de l'autre. L'une 80 des séries comporte des orifices 84 de diamètre dl au travers desquels le combustible est injecté en formant la nappe inférieure de jets 36 d'axe Cl pour la zone de mélange Zl. L'autre 82 des séries comporte des orifices 86 de diamètre d2 pour l'injection de combustible formant la nappe supérieure 38 de jets d'axe C2 pour la zone de mélange Z2. Avantageusement, le diamètre d2 des orifices 86 est plus petit que le diamètre dl des orifices 84. Comme la pression d'injection est identique dans la région du nez de l'injecteur, ceci a pour effet de réaliser deux nappes de jets de combustible avec des débits différents. Plus précisément, la nappe supérieure 38 a un débit inférieur à celui de la nappe inférieure 36. De manière préférentielle, le débit de la nappe supérieure est inférieur d'au moins 10% à celui de la nappe supérieure et idéalement de 20 à 40%. L'avantage d'une telle disposition est que la vitesse d'injection théorique est identique pour chaque rangée d'orifices ce qui permet aux jets de combustible des deux nappes d'impacter sensiblement en même temps la surface du piston. Ainsi, l'utilisation d'une injection de combustible à débit différencié sur chacune des nappes permet d'ajuster la quantité de combustible au volume de la zone de combustion associée et ainsi améliore la qualité de la combustion. De plus, un écart minimum de 10% de perméabilité entre les nappes permet d'obtenir une combustion procurant un maximum de puissance au moteur tout en améliorant la qualité de la combustion, ce qui diminue, à la source, les émissions d'hydrocarbures imbrûlés et de particules de suies. Il est à noter que le rapport entre les débits injectés dépend du débit total de combustible à injecter et du nombre de trous souhaités pour l'injecteur, ainsi que du rapport de volume entre les deux zones de mélange. A titre uniquement d'exemple, pour un diamètre dl d'orifices 84 de 150 microns pour former la nappe inférieure 36 et un diamètre de trou d2 d'orifices 86 de 130 microns pour la nappe supérieure 38, l'écart de débit et donc de masse (ou de quantité) de combustible injectée est d'environ 25%. Bien entendu et cela sans sortie du cadre de l'invention, il peut être prévu que chaque nappe soit portée par un injecteur distinct (injecteur simple nappe) avec un ciblage dédié dans les zones distinctes Z1 et Z2 de la chambre de combustion. Dans cette configuration, l'un des injecteurs a un angle de nappe et une perméabilité (débit statique sous une pression donnée) différente de l'autre injecteur ou les deux injecteurs ont un angle de nappe différents et une même perméabilité mais avec une pression d'injection différente pour chaque injecteur. REVENDICATIONS1) Moteur à combustion interne à injection directe à allumage par compression comprenant au moins un cylindre (10), une culasse (12) portant des moyens d'injection de combustible (14), un piston (16) coulissant dans ce cylindre, une chambre de combustion (34) délimitée sur un côté par la face supérieure (44) du piston comportant un téton (48) s'érigeant en direction de la culasse et disposé au centre d'un bol concave (46) avec au moins deux zones de mélange (Z1, Z2), lesdits moyens d'injection projetant du combustible selon au moins deux nappes (36, 38) de jets de combustible d'angles de nappe différents (A1, A2), une nappe inférieure (36) d'axe de jet Cl pour la zone (Z1) et une nappe supérieure (38) d'axe de jet C2 pour la zone (Z2), caractérisé en ce que le moteur comprend des moyens d'injection (14) introduisant du combustible dans la chambre de combustion avec un débit différencié pour chacune des nappes pour un ciblage dédié dans les zones de mélange distinctes (Z1, Z2) de ladite chambre de combustion. 2) Moteur à combustion interne selon la revendication 1, caractérisé en ce que le débit de la nappe supérieure (38) de jets est inférieur à celui de la nappe inférieure (36) de jets. 3) Moteur à combustion interne selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le débit de la nappe supérieure (38) est inférieur d'au moins 10% à celui de la nappe inférieure (36). 4) Moteur à combustion interne selon la revendication 3, caractérisé en ce que le débit de la nappe supérieure (38) est inférieur de 20 à 40% à celui de la nappe inférieure (36). 5) Moteur à combustion interne selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens d'injections comprennent un injecteur projetant du combustible selon au moins deux nappes de jets de combustible (36, 38) situées axialement l'une au-dessus de l'autre avec un angle de nappe différent l'un de l'autre. 6) Moteur à combustion interne selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens d'injection comportent au moins deux injecteurs projetant du combustible selon une nappe de jets de combustible d'angle de nappe différent l'un de l'autre. 7) Moteur à combustion interne selon la revendication 6, caractérisé en ce que les injecteurs comportent une perméabilité différente l'un de l'autre. 8) Moteur à combustion interne selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'angle de nappe (A1) de l'une (36) des nappes est au plus égal à 130° alors que l'angle de nappe (A2) de l'autre (38) des nappes est au moins égale à 130°. 9) Procédé d'injection pour un moteur à combustion interne à injection directe à allumage par compression comprenant au moins un cylindre (10), une culasse (12) portant des moyens d'injection de combustible (14), un piston (16) coulissant dans ce cylindre, une chambre de combustion (34) délimitée sur un côté par la face supérieure (44) du piston comportant un téton (48) s'érigeant en direction de la culasse et disposé au centre d'un bol concave (46), ledit procédé consistant à injecter le combustible selon au moins deux nappes de jets de combustible d'angle de nappe différents (A1, A2), une nappe inférieure (36) d'axe de jet Cl et une nappe supérieure (38) d'axe de jet C2, caractérisé en ce qu'il consiste à injecter une quantité de combustible différente pour chaque zone de combustion (Z1, Z2) par les deux nappes de jets (36, 38). 10) Procédé d'injections selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il consiste à injecter le combustible avec une différence de quantité d'au moins 10% entre les deux nappes (36, 38).30