Brevet FR3012522A1 — publié le 20150501

La présente invention se rapporte à un moteur à combustion à injection directe de carburant 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 automobile 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 faible émission de polluants 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 de 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 à très fortes charges. Comme cela est mieux décrit dans la demande de brevet JP 5-71347, une des solutions pour remédier aux inconvénients précités consiste à utiliser des moyens d'injection de combustible avec des jets selon au moins deux angles de nappe et un piston comportant un bol avec deux volumes de 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 20 surface de la chambre de combustion. Cependant, cette configuration ne permet pas d'optimiser l'aérodynamique interne pour utiliser tout le comburant disponible dans les deux volumes de combustion et de minimiser le recouvrement entre les jets de combustibles 25 provenant des différentes nappes. Enfin, cette configuration ne minimise pas le dépôt de combustible liquide sur la paroi. La présente invention vise à améliorer la qualité du mélange de manière à obtenir des gains en performances accompagnés de gains importants en 30 consommation et émissions de polluants (CO, oxydes d'azote, imbrûlés, suies). 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, lesdits moyens d'injection projetant du combustible selon au moins deux nappes de jets de carburant d'angle de nappe différents, une nappe inférieure d'axe de jet Cl et une nappe supérieure d'axe de jet C2, au moins deux zones de mélange de la chambre de combustion, caractérisé en ce que l'une des zones comporte un volume torique de centre B dans lequel sont injectés les jets de combustible de la nappe inférieure d'une manière telle que l'axe Cl des jets de la nappe inférieure soit situé entre le centre B et le téton. Les nappes de jets de carburant peuvent être situées axialement l'une au-dessus de l'autre. Les moyens d'injection peuvent comporter au moins deux injecteurs projetant du carburant selon une nappe de jets de carburant d'angle de nappe différent l'un de l'autre. L'angle de nappe de l'une des nappes est au plus égal à 130° alors que l'angle de nappe de l'autre des nappes est au moins égale à 130°. Le bol peut comprendre un volume torique de rayon R1 et R2, un diamètre de fond de bol FD, un diamètre de l'ouverture de bol BD, un diamètre de col GD, un diamètre d'injection haut Dl , une longueur développée de la coupe diamétrale 2*Cb du bol, une hauteur H de téton, et une hauteur L du bol et les dimensions du bol peuvent satisfaire à au moins l'une des condition suivantes : - le rapport BD/L est inférieur à 6, préférentiellement inférieur à 4, - le rapport FD/BD est inférieur à 1, - le rapport 2*Cb/BD est inférieur à 2, - le rapport GD/BD est compris entre 0.7 et 1, - le rapport H/L est supérieur à 50%, préférentiellement supérieur à 60°/0, - le rapport R2/R1 est inférieur à 1, préférentiellement inférieur à 0.6, - le rapport ID1/GD est supérieur à 1, - Dl est inférieur à (GD+(2*Cb-GD)*2/3). Le bol peut comprendre un angle d'inclinaison (a3) pour le flanc incliné du téton, un angle d'inclinaison (a4) formé par l'axe principal Cl des jets de combustible de la nappe inférieure injectés dans le tore en impactant le tore en un point (M) et par la tangente au point d'impact (M), un angle d'inclinaison (a5) considéré à la tangence de la surface arrondie externe avec la paroi latérale et le bol peut satisfaire à au moins l'une des conditions suivantes : - a3 est sensiblement égale à a1, - a4 est supérieur à 80°, - a5 est compris entre 0° et 90°, de préference sensiblement de 30° à 40°, - a6 est compris entre 15° et 75°. 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 carburant 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, pour une position D du piston considérée entre le fond du bol et l'origine des jets de carburant de la nappe supérieure et qui correspond sensiblement à D=L4 + ID1/tangente a2 où L4 est la hauteur entre le fond du bol et le point d'impact des jets de carburant de la nappe supérieure, Dl est le diamètre d'injection haut considéré entre les points d'impact et a2 est le demi angle au sommet de la nappe supérieure, à injecter le combustible de la nappe inférieure dans une zone qui comporte un volume torique de centre B d'une manière telle que l'axe Cl des jets de carburant de la nappe soit situé entre le centre B et le téton. 3012 522 5 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 et 5 - 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. 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 10 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 Diesel, du 15 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 20 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. 25 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 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 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 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 et C2 des jets de combustible 40 et 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 130° 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 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 10 coaxiaux. 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 15 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 20 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 25 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 30 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 3012 522 8 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. 5 La chambre de combustion comprend ainsi deux zones distinctes Z1 et Z2 qui assurent 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 1, 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, et 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 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 concave 70 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 1D1/sinus a2, 3012 522 9 - 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 5 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 10 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 15 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/sinus 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 20 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. 25 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 30 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/tangente 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 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 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 supérieur à 60%, - l'angle a3 est sensiblement égal ou supérieur à l'angle al de la nappe inférieure (-10 ° 1 et ID1 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), lesdits moyens d'injection projetant du combustible selon au moins deux nappes de jets de carburant 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, au moins deux zones de mélange (Z1, Z2) de la chambre de combustion, caractérisé en ce que l'une des zones comporte un volume torique (64) de centre B dans lequel sont injectés les jets de combustible (40) de la nappe inférieure d'une manière telle que l'axe Cl des jets de la nappe inférieure soit situé entre le centre B et le téton (48). 2) Moteur à combustion interne selon la revendication 1, caractérisé en ce que les nappes de jets de carburant (24, 26) sont situées axialement l'une au-dessus de l'autre. 3) Moteur à combustion interne selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les moyens d'injection comportent au moins deux injecteurs projetant du carburant selon une nappe de jets de carburant d'angle de nappe différent l'un de l'autre. 4) Moteur à combustion interne selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'angle de nappe (A1) de l'une (24) des nappes est au plus égal à 130° alors que l'angle de nappe (A2) de l'autre des nappes est au moins égale à 130°. 5) Moteur selon l'une des revendication précédentes dans lequel le bol comprend un volume torique (64) de rayon R1 et R2, un diamètre de fond de bol FD, un diamètre de l'ouverture de bol BD, un diamètre de col GD, un diamètre d'injection haut Dl , une longueur développée de la coupe diamétrale 2*Cb du bol,une hauteur H de téton, et une hauteur L du bol, caractérisé en ce que les dimensions du bol satisfont à au moins l'une des condition suivantes : - le rapport BD/L est inférieur à 6, préférentiellement inférieur à 4, - le rapport FD/BD est inférieur à 1, - le rapport 2*Cb/BD est inférieur à 2, - le rapport GD/BD est compris entre 0.7 et 1, - le rapport H/L est supérieur à 50%, préférentiellement supérieur à 60%, - le rapport R2/R1 est inférieur à 1, préférentiellement inférieur à 0.6, - le rapport ID1/GD est supérieur à 1, - ID1 est inférieur à (GD-F(2*Cb-GD)*2/3). 6) Moteur selon l'une des revendication précédentes dans lequel le bol comprend un angle d'inclinaison (a3) pour le flanc incliné (54) du téton (48), un angle d'inclinaison (a4) formé par l'axe principal (C1) des jets de combustible (40) de la nappe inférieure (36) injectés dans le tore (64) en impactant le tore en un point (M) et par la tangente au point d'impact (M), un angle d'inclinaison (a5) considéré à la tangence de la surface arrondie externe (60) avec la paroi latérale (62) et un angle d'inclinaison (a6) par rapport à l'horizontale et la tangente à la paroi sensiblement plane (70), caractérisé en ce qu'il satisfait à au moins l'une des conditions suivantes : - a3 est sensiblement égale au demi-angle de nappe de jets (A1/2) de la nappe basse, - a4 est supérieur à 80°, - a5 est compris entre 0° et 90°, de préference sensiblement de 30° à 40°, - a6 est compris entre 15° et 75°. 7) 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 3012 52 2 15 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 carburant 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 5 consiste, pour une position D du piston (16) considérée entre le fond du bol (M) et l'origine (T2) des jets de carburant de la nappe supérieure et qui correspond sensiblement à D=L4 1D1/tangente a2 où L4 est la hauteur entre le fond du bol et le point d'impact (P) des jets de carburant de la nappe supérieure, ID1 est le diamètre d'injection haut considéré entre les points d'impact (P) et a2 est le demi 10 angle au sommet de la nappe supérieure, à injecter le combustible de la nappe inférieure dans une zone qui comporte un volume torique (64) de centre B d'une manière telle que l'axe Cl des jets de carburant de la nappe soit situé entre le centre B et le téton (48). 15