Brevet FR3034137A1 — publié le 20160930

La présente invention se rapporte à un moteur à combustion interne à injection directe de carburant à bas transfert thermique, notamment pour véhicule automobile. Les développements des systèmes de combustion des moteurs à combustion interne doivent répondre aux demandes de réduction des émissions de polluants, d'augmentation du couple et de la puissance spécifique ainsi que de la réduction du bruit de combustion, tout en restant compatible avec les critères de tenue en endurance. Pour pouvoir répondre à cette demande, il est déjà possible de modifier des paramètres de conception de tout ou partie de la chambre de combustion, tel que le bol, aménagée dans la partie supérieure du piston, dans le but de faciliter le mélange air/carburant. Cependant, ces modifications ont des limites et elles peuvent entraîner des résultats inverses à ceux qui sont attendus. En effet, le piston comprend généralement un bol creux à l'intérieur duquel est placé une partie de forme conique ou tronconique, dénommée téton, pointant vers la culasse et de même axe que lui et au centre de ce bol. Dans une configuration d'injection de carburant, ce carburant est injecté par un injecteur multi-trous placé dans l'axe du cylindre avec un angle de nappe tel que les jets de carburant soient émis sensiblement vers les parois extrêmes du bol puis sont dirigés vers le fond du bol et suivent ensuite les pentes du cône pour être déviées vers le haut du cylindre Dans une autre configuration et comme cela est illustré dans les demandes de brevet WO 2012/173688 et EP 2500543, l'angle de nappe est tel que les jets de carburant sont émis sensiblement suivant les pentes du cône du téton puis déviés par elles et l'arrondi du fond du bol vers le haut du cylindre en se vaporisant. Cependant, durant ce cheminement, le carburant sous forme gazeuse est au contact avec les différentes surfaces du bol et du téton. Il se produit donc un échange thermique, généré principalement durant la phase de combustion du mélange carburé et autour du Point Mort Haut du piston, entre les gaz chauds et les surfaces métalliques de la chambre de combustion, 3034137 2 comme les surfaces du bol, la face de la culasse en regard du piston et la chemise du cylindre. Notamment, dans chacune de ces deux configurations, les gaz chauds sont plus particulièrement au contact du fond du bol, ce qui entraîne un refroidissement 5 accru et une perte d'énergie conséquente. Cet échange thermique a pour inconvénient majeur de refroidir les gaz chauds résultant de la combustion, ce qui ne peut que perturber le déroulement de cette combustion tout au long de la phase de détente du moteur. 10 La présente invention se propose de remédier à ces inconvénients en limitant fortement le contact entre les gaz chauds de la combustion et les surfaces du bol. A cet effet, la présente invention concerne un moteur à combustion interne à injection directe comprenant au moins un cylindre d'axe XX et de diamètre D, une 15 culasse, un piston coulissant dans ce cylindre, des moyens d'admission d'un fluide et d'échappement de gaz brûlés, des moyens d'injection de carburant pour injecter du carburant avec des jets de carburant selon un angle de nappe de jets, une chambre de combustion délimitée sur un des côtés par la face de la culasse en regard du piston et sur un des autres cotés par la face supérieure du piston 20 comprenant un bol concave, ledit bol comprenant une paroi latérale formant une ouverture de bol de diamètre D2, caractérisé en ce que le rapport des diamètres de l'ouverture du bol et du cylindre (D2/D) est supérieur ou égal à 0.65 et inférieur ou égal à 0.85 et en ce que l'angle de nappe de jets de carburant est inférieur de 10° à 30° à l'angle d'un cône dont le sommet est cwifondu avec un point 25 d'intersection entre l'axe (XX) du cylindre et la face de la culasse et dont la base correspond au diamètre d'ouverture du bol, cet angle de cône étant sensiblement égal à 2Arctg(R2/L) où R2 correspond à D2/2 et L est la distance comprise entre le haut du piston et la face de la culasse en regard de ce piston, distance considérée pour une position du piston d'environ 10° d'angle de vilebrequin par 30 rapport au point mort haut. Le bol peut comporter une proéminence s'érigeant en direction de l'ouverture du bol. 3 0 3 4 1 3 7 3 Le bol peut comporter une paroi latérale rectiligne sensiblement verticale. Le bol peut comporter une zone de combustion située entre la proéminence et la paroi latérale. 5 Le diamètre nominal des trous de l'injecteur peut être inférieur ou égal au treize millionième du diamètre du cylindre. Le diamètre nominal des trous de l'injecteur peut être inférieur ou égal à 10 95pm. Le nombre de trous de l'injecteur peut être supérieur ou égal à 10% du diamètre du cylindre pour un diamètre inférieur ou égal à 100mm et supérieur ou égal à 8% du diamètre du cylindre pour un diamètre supérieur à 100mm. 15 Le nombre de trous de l'injecteur peut être supérieur ou égal à 8. Le taux de rotation du fluide autour de l'axe XX (Taux de swirl) introduit dans la chambre de combustion du moteur peut être inférieur ou égal à 2. 20 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 schématiquement une coupe transversale d'un 25 moteur à combustion interne selon l'invention ; - la figure 2 qui est un graphique illustrant les échanges thermique (H) entre un moteur de l'art antérieur (AA) et un moteur selon l'invention (Inv) et - la figure 3 qui est un autre graphique montrant la consommation en carburant (C) entre un moteur de l'art antérieur (AA) et un moteur selon 30 l'invention (Inv). Sur la figure 1, le moteur à combustion interne à injection directe, notamment de type Diesel, comprend au moins un cylindre 10 d'axe XX et de diamètre intérieur D, une culasse 12, au moins un moyen d'admission avec une tubulure 3034137 4 d'admission 14 d'au moins un fluide gazeux, tel que de l'air (suralimenté ou non) ou un mélange d'air et de gaz recirculés (EGR), contrôlée par une soupape d'admission 16, au moins une tubulure d'échappement 18 des gaz brûlés contrôlée par une soupape d'échappement 20, un piston 22 coulissant dans le 5 cylindre 10 et un injecteur de carburant multi-trous 24. L'injecteur de carburant, qui est préférentiellement disposé dans l'axe XX' du cylindre, comporte au voisinage de son nez une multiplicité d'orifices ou trous 26 régulièrement répartis sur le pourtour du nez. Le carburant est pulvérisé, dans la 10 chambre de combustion, au travers de ces trous selon des jets 28 dont l'axe général est symbolisé par le trait 30 en formant un angle de nappe de jets 13. 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 30 des jets de carburant. 15 Bien entendu, il peut être prévu que l'injecteur ne soit pas disposé dans l'axe XX, mais, dans ce cas, l'axe général de la nappe de jets de carburant issus de cet injecteur de carburant est coaxial à cet axe XX. 20 La chambre de combustion 31 que comprend ce moteur est délimitée par la face interne 33 de la culasse 12, la paroi circulaire du cylindre 10 et la face supérieure du piston 22. Cette face supérieure du piston comporte un bol concave 32 et à l'intérieur duquel est disposé une proéminence en forme de dôme 34 d'axe coaxial avec 25 l'axe de la nappe de carburant et qui s'élève vers la culasse 12 en se situant au centre de ce bol. La section diamétrale du bol 32 est curviligne et comprend, depuis le haut du dôme 34 en s'écartant symétriquement vers l'extérieur du piston, de part et d'autre de son axe (ici confondu avec l'axe XX'), le sommet 36 de ce dôme qui se poursuit 30 par une partie curviligne convexe 38 de grand rayon de courbure, une deuxième partie curviligne concave 40 de rayon de courbure moindre et qui se termine par une paroi latérale rectiligne 42 sensiblement verticale rejoignant la partie sensiblement horizontale 44 de la face supérieure du piston. 3034137 5 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 carburant, l'axe du dôme et l'axe du bol soient coaxiaux. Selon cette configuration, le bol présente une ouverture 43 avec un diamètre 5 de bol D2 qui est considéré au raccordement entre la partie latérale 42 de ce bol et la partie horizontale 44 du piston. Avantageusement, le rapport des diamètres D2/D est supérieur ou égal à 0.65 et inférieur ou égal à 0.85. De plus, comme illustré à la figure 1, l'angle de nappe 13 de l'injecteur de 10 carburant est choisi pour que la combustion se concentre dans la zone B située dans la partie curviligne concave 40 entre la partie convexe 38 et la paroi latérale 42. Par cela, les surfaces de partie centrale du bol avec le dôme 34 se caractérisent alors par des échanges thermiques fortement diminués par rapport à 15 une configuration d'un moteur conventionnel. A partir de la figure 1, qui montre une position du piston avant le point mort haut (PMH) à environ 10° d'angle de vilebrequin pots la phase d'injection choisie par rapport au PMH et pour obtenir une combustion à haut rendement, l'angle 13 de la nappe de jets de carburant est inférieur de 10° à 30° à l'anglea d'un cône 20 dont le sommet est confondu avec le point d'intersection O entre l'axe XX et la face interne 33 de la culasse et dont la base correspond au diamètre d'ouverture de bol D2. Ainsi cet angle a est sensiblement égal 2Arctg(R2/L) où L est la distance comprise entre le haut 44 du piston et la face 33 de la culasse en regard de ce 25 piston et R2 correspond à D2/2. Grâce à cela, les échanges thermiques avec les différentes surfaces du bol sont limités de par l'augmentation de la distance qui sépare les gaz chauds au cours de la combustion des parois de ce bol et plus particulièrement au niveau de 30 sa partie centrale. En outre, le carburant est distribué vers le haut et vers le bas du bol, ce qui ne peut qu'optimiser l'utilisation de l'air disponible dans la chambre de combustion. 303 4 1 3 7 6 De manière à diminuer encore plus les échanges thermiques et à limiter l'impact des jets de carburant avec les surfaces du bol, l'injecteur est caractérisé par la définition d'un couple optimal nombre de trous nt - diamètre de trous dt. 5 Dans un premier temps, le diamètre nominal dt d'un trou 26 de l'injecteur 24 est défini en fonction du rapport entre la pénétration vapeur (en mm) et le diamètre du bol D2 (en mm). En effet, ce rapport doit être optimal afin de garantir que la zone de combustion et les échanges thermiques associés restent localisés dans la zone B et ne se propagent pas à la zone centrale du bol. 10 Pour cela, le diamètre dt est inférieur ou égal au treize millionième de D, préférentiellement ce diamètre est inférieur ou égal à 95pm (microns). Le nombre de trous doit également être optimisé afin de garantir les performances requises et la distribution du carburant de manière homogène dans la chambre de combustion. 15 Pour un diamètre D du cylindre qui est inférieur ou égal à 100mm, le nombre de trous nt sera choisi à une valeur supérieure ou égale à 10% du diamètre D alors que pour un diamètre D du cylindre qui est supérieur à 100mm, le nombre de trous nt sera choisi à une valeur supérieure ou égale à 8% du diamètre D. 20 Préférentiellement, le nombre de trous nt sera choisi à une valeur supérieure ou égale à 9. Enfin, afin de garantir une utilisation optimale du fluide introduit dans le bol, tout en limitant le recouvrement entre deux jets de carburant attenants, le niveau 25 global du taux de rotation du fluide autour de l'axe XX (dénommé swirl) du moteur est inférieur ou égal à 2, préférentiellement inférieur ou égal à 1,5. Bien entendu et cela sans sortir du cadre de l'invention, il peut être prévu que le bol ne comporte pas de dôme 34 et que son fond soit sensiblement plat. 30 A titre d'exemple, les graphiques des figures 2 et 3 illustrent les résultats d'un tel moteur. 3034137 7 Ainsi pour les transferts thermiques (figure 2) entre les gaz chauds et les surfaces du bol, le moteur selon l'invention permet de réduire d'environ 35% (colonne Inv) ces transferts par rapport à un moteur conventionnel (colonne AA). Pour ce qui est de la consommation, le moteur selon l'invention réduit la 5 consommation en carburant d'environ 7% (colonne Inv) par rapport à un moteur conventionnel (colonne AA). REVENDICATIONS1) Moteur à combustion interne à injection directe comprenant au moins un cylindre (10) d'axe XX et de diamètre D, une culasse (12), un piston (22) coulissant dans ce cylindre, des moyens d'admission (14, 16) d'un fluide et d'échappement (18, 20) de gaz brûlés, des moyens d'injection de carburant (24) pour injecter du carburant avec des jets de carburant (28) selon un angle ((3) de nappe de jets, une chambre de combustion (31) délimitée sur un des côtés par la face (33) de la culasse en regard du piston et sur un des autres cotés par la face supérieure du piston comprenant un bol concave (32), ledit bol comprenant une paroi latérale (42) formant une ouverture de bol (43) de diamètre D2, caractérisé en ce que le rapport des diamètres de l'ouverture, du bol et du cylindre (D2/D) est supérieur ou égal à 0.65 et inférieur ou égal à 0.85 et en ce que l'angle (p) de nappe de jets de carburant est inférieur de 10° à 30° à l'angle (a) d'un cône dont le sommet est confondu avec un point d'intersection (0) entre l'axe (XX) du cylindre et la face (33) de la culasse et dont la base correspond au diamètre d'ouverture (D2) du bol, cet angle de cône étant sensiblement égal à 2Arctg(R2/L) où R2 correspond à D2/2 et L est la distance comprise entre le haut du piston et la face de la culasse en regard de ce piston, distance considérée pour une position du piston d'environ 10° d'angle de vilebrequin par rapport au point mort haut. 2) Moteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le bol (32) comporte une proéminence (34) s'érigeant en direction de l'ouverture (43) du bol. 3) Moteur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le bol (32) comporte une paroi latérale rectiligne (42) sensiblement verticale. 4) Moteur selon la revendications 2, caractérisé en ce que le bol (32) comporte une zone de combustion (B) située entre la proéminence (34) et la paroi latérale (42). 5) Moteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le diamètre nominal des trous (26) de l'injecteur (24) est inférieur ou égal au treize millionième du diamètre D du cylindre (10). 3034137 9 6) Moteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le diamètre nominal des trous (26) de l'injecteur (24) est inférieur ou égal à 95pm. 5 7) Moteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le nombre de trous (26) de l'injecteur (24) est supérieur ou égal à 10% du diamètre D du cylindre pour un diamètre D inférieur ou égal à 100mm et supérieur ou égal à 8% du diamètre D du cylindre pour un diamètre D supérieur à 100mm. 10 8) Moteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le nombre de trous (26) de l'injecteur (24) est supérieur ou égal à 8. 9) Moteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le taux de rotation du fluide autour de l'axe XX (Taux de swirl) introduit dans la 15 chambre de combustion du moteur est inférieur ou égal à 2.