Brevet FR3106619A1 — publié le 20210730

Moteur thermique (100) à allumage commandé de véhicule automobile comportant un carter-cylindres (50) surmonté d’une culasse (52) dans laquelle est agencée une préchambre (10) de combustion connectée à un injecteur de carburant (13) et à une bougie (12), et communiquant avec une chambre à combustion principale (11) agencée en bas de la préchambre, et délimitée par la paroi d’un cylindre (51), un piston mobile en coulissement dans ledit cylindre et un toit de chambre (14) sensiblement conique, en vis-à-vis du piston, et creusé dans la culasse (52), Caractérisé en ce que la préchambre (10) est connectée à la chambre principale (11) par des conduits de diffusion radiaux (18) rectilignes, s’étendant radialement et débouchant à l’extrémité opposée en périphérie du toit de chambre (14). Figure pour l’abrégé : Figure 3 Pré-chambre multi-sites Domaine technique de l’invention La présente invention concerne un moteur à combustion interne. La présente invention concerne un système d’allumage d’un moteur à combustion interne à allumage commandé. La présente invention concerne plus particulièrement un système d’allumage comportant une préchambre de combustion agencée dans la culasse d’un moteur thermique Etat de la technique De manière connue, un moteur thermique à allumage commandé comporte un carter-cylindres muni de cylindres d’axes parallèles entre eux et sensiblement verticaux dans lesquels coulissent des pistons selon un mouvement de va-et-vient. Sur la face supérieure dudit carter-cylindres aussi appelée face- feu est fixée une culasse dont la face inférieure en vis-à-vis avec la face feu du carter-cylindres ferme les cylindres pour former un toit pour chacun des cylindres. De manière connue, le toit de cylindre pour les moteurs à allumage commandé présente une forme sensiblement conique. Dans le toit de cylindre de chaque cylindre, débouchent des conduits d’admission et d’échappement dont l’ouverture/fermeture est commandée grâce à des soupapes d’admission et d’échappement. Dans le toit de cylindre débouchent également un injecteur de carburant dans le cas d’injection directe de même qu’une bougie d’allumage. L’espace ou volume disposé entre le toit de chambre, la paroi du cylindre et le piston forme une chambre à combustion. Dans ladite chambre à combustion sont injectés de l’air frais ou un mélange carburé ou un mélange d’air frais et de gaz brulés par les conduits d’admission, du carburant par l’injecteur qui sont alors mélangés puis comprimés par une remontée du piston, les conduits d’échappement sont alors obturés par les soupapes d’échappement alors que les conduits d’admission sont ouverts. Un allumage par la bougie permet alors une combustion du mélange et entraine une poussée verticale sur le piston. Les gaz brulés ensuite sont extraits de chambre à combustion par l’ouverture des conduits d’échappement et l’obturation des conduits d’admission. Afin d’améliorer le rendement d’un moteur thermique à allumage commandé, il est connu d’agencer un système de préchambre. Le principe de ce système de pré-chambre est de rajouter dans la chambre de combustion principale une chambre de combustion additionnelle qui communique avec la chambre principale par des canaux de diffusion et qui comporte au moins une bougie et potentiellement un injecteur dédié dans le cas de la préchambre active. Dans le cas de la préchambre active, grâce à cet injecteur dédié, on peut maîtriser la richesse dans la préchambre et on visera une richesse 1 pour laquelle la combustion est rapide et stable. L’avantage de la préchambre passive ou active est double : elle résout les problèmes d’initiation de la combustion et les problèmes de début de combustion grâce à l’éjection des gaz chauds de la préchambre vers la chambre principale. Ce système permet de générer un allumage volumique des gaz dans la chambre principale. Le rendement d’un moteur thermique équipé de préchambre est donc supérieur à celui d’un moteur sans préchambre. Toutefois, on n’a pas un rendement optimal du moteur. En effet, il est proposé des préchambres avec quatre à six canaux de diffusion. Si on définit le taux de couverture de la préchambre comme le ratio entre le volume des gaz chauds éjectés par la préchambre et le volume au PMH, ce nombre limité de canaux conduit à des taux de couverture modérés. La publication WO201675361-A1 propose une préchambre à combustion d’un moteur à allumage commandé. Ladite préchambre communique avec la chambre à combustion principale avec des canaux de diffusion sensiblement parallèles à la surface supérieure du piston. La publication FR2814288-A1 propose une préchambre agencée au-dessus d’une chambre à combustion principale d’un moteur thermique à allumage commandé, ladite préchambre communiquant avec la chambre principale par des trous dont l’axe rencontre une paroi de cylindre, ou de piston ou de culasse après un trajet le plus long que possible. Un inconvénient est que les axes des trous ne sont pas définis de façon formelle et ne permettent pas une combustion optimale dans la chambre de combustion principale, notamment en périphérie de la chambre principale. L’allumage volumique reste perfectible et ces préchambres ne permettent pas d’améliorer les fins de combustion lors de forte dilution qui restent encore trop lentes pouvant conduire à des combustions anormales engendrant des cliquetis. La combustion pousse les gaz frais vers les parois de la chambre principale et la combustion peut ne pas être complète. Ces fins de combustions lentes impliquent la nécessité de conserver un niveau de turbulence encore élevé pénalisant les échanges thermiques aux parois et le rendement du moteur. Le but de l’invention est de remédier à ces problèmes et un des objets de l’invention est un moteur thermique à allumage commandé comportant une préchambre de combustion agencée dans la culasse et communiquant avec une chambre de combustion principale disposée en bas de la préchambre. Présentation de l’invention La présente invention concerne plus particulièrement un moteur thermique à allumage commandé de véhicule automobile comportant un carter-cylindres surmonté d’une culasse dans laquelle est agencée une préchambre de combustion connectée à un injecteur de carburant et à une bougie, et communiquant avec une chambre à combustion principale agencée en bas de la préchambre, et délimitée par la paroi d’un cylindre, un piston mobile en coulissement dans ledit cylindre et un toit de chambre sensiblement conique, en vis-à-vis du piston, et creusé dans la culasse, Caractérisé en ce que la préchambre est connectée à la chambre principale par des conduits de diffusion rectilignes, s’étendant radialement et débouchant à l’extrémité opposée en périphérie du toit de chambre. De manière avantageuse, la préchambre est connectée à la chambre principale par l’intermédiaire de conduits de diffusion rectilignes qui s’étendent radialement et qui débouchent à l’extrémité opposée en périphérie de la chambre à combustion principale pour amener la flamme depuis la préchambre jusqu’en périphérie de la chambre principale et permettre une combustion optimale des gaz en périphérie du toit de chambre et donc de la chambre de combustion principale. Selon d’autres caractéristiques de l’invention : -les conduits de diffusion sont percés dans la culasse. De manière avantageuse, les conduits de diffusion sont percés dans la culasse et permettent une réduction de poids de ladite culasse. -les conduits de diffusion traversent une cavité périphérique disposée à proximité de la périphérie du toit de chambre. De manière avantageuse, une cavité périphérique est agencée à proximité de la périphérie de la chambre principale de combustion, traversée par un des conduits de diffusion. Lesdites cavités périphériques sont sensiblement cylindriques avec un axe parallèle à l’axe de la chambre de combustion principale. -la cavité périphérique est fermée par un bouchon muni d’au moins un orifice débouchant dans la chambre principale de combustion. De manière avantageuse, chacune des cavités périphériques est fermée par un bouchon qui comprend au-moins un orifice débouchant dans la chambre principale pour diriger la flamme en périphérie de la chambre de combustion principale. -la préchambre est oblongue. De manière avantageuse, la préchambre est oblongue pour permettre une meilleure diffusion de la flamme par les conduits de diffusion. - la préchambre est délimitée par un évidement creusé dans la culasse. De manière avantageuse, la préchambre est délimitée par un évidement creusé dans la culasse, convexe tourné en direction opposée au toit de chambre. -l’évidement est connecté à la chambre principale par un conduit vertical d’axe parallèle à l’axe du cylindre. De manière avantageuse, un conduit vertical relie la préchambre à la chambre de combustion principale pour acheminer la flamme au centre de la chambre principale et atteindre les gaz au centre de la chambre principale. -la préchambre est délimitée par une demi-coquille. De manière avantageuse, la préchambre est partie d’un élément d’allumage comprenant une bougie et un injecteur de carburant logés dans la préchambre délimitée par une demi-coquille. Ladite demi-coquille permet une facilité d’assemblage et un renforcement de la culasse. -la demi-coquille comprend des trous traversant disposés sur un même anneau et communiquant avec les conduits de diffusion. De manière avantageuse, des trous traversant radiaux sont percés dans la paroi de la demi-coquille selon un même anneau et communiquant avec les conduits de diffusion. Lesdits trous sont sensiblement oblongs s’étendant selon un arc de cercle de l’anneau pour améliorer la connexion avec les conduits de diffusion. -la demi-coquille comprend un trou central traversant dont l’axe est parallèle à l’axe de la chambre de combustion principale, débouchant dans le conduit vertical. De manière avantageuse, la demi-coquille comporte aussi une ouverture connectée avec le conduit vertical central débouchant dans la chambre de combustion principale. Brève description des figures D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description qui suit de modes particuliers de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemples non limitatifs et représentés sur les dessins annexés, dans lesquels : est une vue schématique de coupe transversale d’un moteur avec un dispositif d’allumage de l’état de l’art. est une vue schématique de coupe transversale d’un moteur avec un dispositif d’allumage selon l’invention. est une vue schématique de coupe transversale d’un moteur avec un dispositif d’allumage selon l’invention. est une vue schématique de vue de dessus du moteur avec le dispositif d’allumage selon l’invention. Dans la description qui va suivre, des chiffres de référence identiques désignent des pièces identiques ou ayant des fonctions similaires. Les termes haut/bas se réfèrent à un axe vertical orthogonal au plan de joint entre une culasse et un carter-cylindres du moteur avec une direction dirigée vers la culasse. Pour les moteurs thermiques ou à combustion et notamment pour les moteurs thermiques à allumage commandé, les challenges à relever sont une amélioration significative de leur rendement thermique, la réduction des émissions polluantes dont des oxydes d’azote, de particules fines et d’oxyde de carbone (CO 2 ), le tout à prix abordable pour le client. Les deux principaux leviers techniques pour améliorer le rendement d’un moteur à combustion interne 4 temps à allumage commandé sont : • l’augmentation de son rapport volumétrique de compression (ou RVC) également appelé taux de compression, En pratique, un taux de compression trop élevé conduirait à l’apparition prématurée de « cliquetis », d’autant plus prématurée que le niveau de suralimentation du moteur est important. Le phénomène de cliquetis ou détonation traduit en réalité l’apparition de combustions anormales correspondant à une auto inflammation massive de la charge carburée non encore atteinte par le front de flamme. Ce phénomène pouvant conduire à la destruction du moteur doit être évité impérativement. En pratique, on dégrade ainsi les avances à l’allumage du moteur par rapport à ses avances de meilleur rendement jusqu’à disparition du cliquetis. Pour augmenter la résistance au cliquetis du moteur et ainsi maximiser son rendement, on peut limiter son taux de compression effectif (fonction du taux de compression géométrique et du calage de la fermeture des soupapes admission). Pour ce faire deux solutions sont généralement mises en œuvre : 1. Limiter le taux de compression géométrique et donc de détente, ce qui se traduit par une limitation des gains possibles sur le rendement. 2. Anticiper significativement la fermeture des soupapes admission (AFA), ce qui permet de conserver un taux de détente très élevé laissant ainsi la perspective d’un rendement élevé. Compte tenu de l’objectif de maximisation du rendement, la seconde stratégie dite de « Millérisation extrême » est privilégiée. Le taux de Millérisation est défini par le rapport volume de détente / volume de compression effectif qui est aussi égal au rapport volumétrique de détente (RVD) / rapport volumétrique de compression effectif (RVCeff). L’utilisation de très forts taux de Millérisation peut permettre de contenir le phénomène de cliquetis, de maximiser le travail de détente, tout en limitant les pertes par transvasement, le tout théoriquement synonyme de rendement élevé. Si l’anticipation de la fermeture des soupapes admission présente l’avantage de réduire le taux de compression effectif du moteur augmentant ainsi sa résistance au cliquetis, elle a en revanche l’inconvénient de limiter la durée de la phase d’admission pénalisant ainsi son remplissage en air frais donc ses performances en pleine charge mais aussi la qualité de la préparation du mélange carburé connu sous l’acronyme de GDI. Cette pénalité sur le remplissage peut être compensée par le redimensionnement de la boucle d’air en vue d’accroître le niveau de suralimentation durant la phase admission. Le principal verrou à la mise en œuvre d’un fort taux de Millérisation réside toutefois dans une forte dégradation des vitesses de combustion, liée à la forte dissipation de l’intensité turbulente dans la chambre en fin de compression (vitesse moyenne piston sur la phase d’admission entre AOA et AFA d’autant plus faible que l’AFA est faible) ainsi qu’à la forte dégradation de la préparation du mélange. Le principal challenge consiste à maintenir des vitesses de combustion élevées, malgré l’application d’un fort taux de Millérisation. • l’augmentation du coefficient adiabatique des gaz. L’augmentation du ratio des chaleurs spécifiques Une dilution aux gaz frais (richesse inférieure à 1) permet d’augmenter le coefficient moyen des gaz lors de la compression, ce qui améliore le rendement. Par ailleurs, cette dilution permet aussi de réduire les échanges thermiques et de réduire le pompage en charge partielle. De la même façon que pour la Millérisation, la dilution conduit à des réductions de vitesse de combustion et des instabilités de combustion. En conclusion, les deux leviers techniques visant à améliorer le rendement (Millérisation et dilution) conduisent à des combustions lentes et instables qu’il est nécessaire de booster. Une réponse pour pallier lesdites combustions lentes peut être un système de préchambre. Notre invention concerne les moteurs thermiques à allumage commandé. De manière connue comme représenté en figure 1, un moteur thermique comprend un carter-cylindres 50 comportant des cylindres 51 de révolution et parallèles entre eux selon un axe vertical X. Dans chaque cylindre 51 est disposé mobile en coulissement un piston 12 selon l’axe X du cylindre. Une culasse 52 est fixée au-dessus du carter-cylindres 50 et ferme chacun des cylindres par un toit de chambre 14 au niveau du plan de joint 53 entre le carter-cylindres 50 et la culasse 52. Le toit de chambre est formé par une partie inférieure de la culasse en vis-à-vis avec le carter-cylindres. Le toit de chambre 14 est sensiblement conique présentant un angle au sommet. Une chambre de combustion dite chambre principale 11 de combustion est ainsi délimitée par le toit de chambre 14, la paroi 54 du cylindre 51 et le piston 12. Dans le toit de chambre débouchent des conduits d’admission d’air 56 et des conduits d’échappement 55 de gaz brulés ainsi qu’un injecteur de carburant et une bougie d’allumage 57. Les conduits d’admission 56 et d’échappement 55 présentent débouchent dans la chambre de combustion principale 11 dont l’ouverture est contrôlée par des soupapes respectivement d’admission 58 et d’échappement 59. Le principe de ce système est de rajouter à la chambre de combustion principale 11 une chambre de combustion additionnelle ou préchambre 10 qui communique avec la chambre principale 11 par des conduits de diffusion 17 comme représenté en figure 2. La préchambre 10 remplace la bougie d’allumage 57 pour la combustion des gaz dans la chambre de combustion principale 11. La préchambre 10 est agencée au-dessus de la chambre à combustion principale 11 selon un axe parallèle à l’axe voire confondu X du cylindre dans l’exposé qui suit pour faciliter la compréhension. Dans la préchambre débouchent au moins une bougie 57 et potentiellement un injecteur dédié 13 dans le cas d’une préchambre active. Grâce à cet injecteur dédié, on peut maîtriser la richesse dans la préchambre et on visera une richesse 1 pour laquelle la combustion est rapide et stable. L’avantage de la préchambre passive ou active est double : elle résout les problèmes d’initiation de la combustion et les problèmes de début de combustion grâce à l’éjection des gaz chauds de la préchambre vers la chambre principale. Ce système permet de générer un allumage volumique des gaz frais dans la chambre principale. De manière préférentielle, la préchambre 10 peut être formée par un évidement 16 sensiblement oblong creusé dans la culasse 52 et convexe tourné vers la direction opposée de la chambre de combustion principale 11. Ledit évidement est disposé entre les soupapes d’admission et d’échappement 58, 59 du cylindre. La préchambre peut comporter des moyens de fixation de la bougie et de l’injecteur d’air et de carburant 13, dont les extrémités sont tournées vers le fond de l’évidement 16 vers la chambre de combustion principale 11. Selon un mode de réalisation de l’invention, les conduits de diffusion 17 sont creusés dans la culasse pour connecter l’évidement à la chambre principale de combustion. Les conduits de diffusion sont de deux types : -des conduits radiaux 18 qui s’étendent depuis l’évidement 16 jusqu’à la périphérie 60 du cylindre 51, -un conduit central vertical 19 qui s’étend selon un axe sensiblement parallèle à l’axe vertical X du cylindre 51. Selon la figure 2 et de manière préférentielle, les conduits radiaux 18 sont au nombre de 4 et rectilignes. L’axe de chacun desdits conduits passe entre deux conduits d’admission 56 ou d’échappement 55 voisins dont les ouvertures sont contrôlées par les soupapes 58, 59 comme représenté en figure 3. Le conduit radial 18 longe la surface du toit de chambre14. L’axe du conduit radial 18 est sensiblement parallèle à la surface conique du toit de chambre 14. De façon plus précise, l’axe du conduit radial 18 forme un petit angle avec sa projection sur la surface conique ou pente du toit de chambre 14 pour faciliter l’obtention du conduit par perçage. Le conduit de diffusion radial 18 débouche ainsi à une première extrémité dans la préchambre 10 et à la seconde extrémité opposée en périphérie du toit de chambre 14. Selon un mode de réalisation, le conduit radial traverse une cavité 20 disposée en périphérie du toit de chambre 14. Ladite cavité 20 peut être obtenue par lamage selon un axe parallèle à l’axe vertical X du cylindre. La cavité est ensuite refermée de façon étanche par un bouchon 21 qui présente au-moins un orifice d’éjection 22. De manière préférentielle, le bouchon comprend deux orifices d’éjection 22 diamétralement opposés. Les deux orifices d’éjection 22 sont ainsi disposés par exemple sur un même diamètre du toit de chambre 14 pour obtenir des jets de flamme léchant la périphérie du cylindre 51. Plus précisément, les orifices d’éjection 22 sont disposés en périphérie du toit de chambre 14, à une même distance du bord circulaire dudit toit de chambre 14. Le fond de l’évidement 16 est percé par le conduit central 19 dont l’axe est parallèle à l’axe vertical X du cylindre. De manière préférentielle, une demi-coquille oblongue 30 enveloppe les extrémités de la bougie 12 et de l’injecteur 13 de carburant et d’air et délimite la préchambre 10. Ladite demi-coquille est de forme sensiblement complémentaire de l’évidement oblong 16 dans la culasse au jeu d’assemblage près. Ladite demi-coquille est prévue pour être insérée dans ledit évidement oblong 16. Ladite demi-coquille comprend ainsi des orifices traversant radiaux et un orifice central disposé dans le fond de ladite demi-coquille. Les orifices sont adaptés pour être en regard des débouchés des conduits radiaux et du conduit central. La demi-coquille est apte à supporter des températures importantes dues à la combustion des gaz dans la préchambre. Ainsi, la demi-coquille est issue de matière différente à celle de la culasse, notamment en acier alors que la culasse peut être en aluminium. Dans la préchambre 10, un mélange gazeux stœchiométrique est injecté puis brulé par le déclenchement de la bougie 12. La flamme formée se propage par le conduit central 19 selon l’axe du cylindre vers le centre de la chambre de combustion principale 11 et par les conduits radiaux 18 jusqu’à la cavité périphérique 20 puis au travers des orifices d’éjection 22 du bouchon pour lécher la périphérie de la chambre de combustion principale 11. On obtient donc un allumage homogène des gaz compressés dans la chambre de combustion principale L’objectif est atteint : Comme il va de soi, l'invention ne se limite pas aux seules formes d'exécution de cette prise, décrites ci-dessus à titre d'exemples, elle en embrasse au contraire toutes les variantes. Par exemple, le bouchon de la cavité périphérique peut présenter un orifice tourné vers le centre du toit de chambre pour diriger la flamme également de puis la périphérie de chambre de combustion vers son centre. Moteur thermique (100) à allumage commandé de véhicule automobile comportant un carter-cylindres (50) surmonté d’une culasse (52) dans laquelle est agencée une préchambre (10) de combustion connectée à un injecteur de carburant (13) et à une bougie (12), et communiquant avec une chambre à combustion principale (11) agencée en bas de la préchambre, et délimitée par la paroi d’un cylindre (51), un piston mobile en coulissement dans ledit cylindre et un toit de chambre (14) sensiblement conique, en vis-à-vis du piston, et creusé dans la culasse (52), Caractérisé en ce que la préchambre (10) est connectée à la chambre principale (11) par des conduits de diffusion radiaux (18) rectilignes, s’étendant radialement et débouchant à l’extrémité opposée en périphérie du toit de chambre (14) Moteur thermique (100) selon la revendication 1, caractérisé en ce que les conduits de diffusion radiaux (18) sont percés dans la culasse (52). Moteur thermique (100) selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les conduits de diffusion radiaux (18) traversent une cavité périphérique (20) disposée à proximité de la périphérie du toit de chambre (14). Moteur thermique (100) selon la revendication 3 précédente, caractérisé en ce que la cavité périphérique (20) est fermée par un bouchon (21) muni d’au moins un orifice d’éjection (22) débouchant dans la chambre principale de combustion (11). Moteur thermique (100) selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la préchambre (10) est oblongue. Moteur thermique (100) selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la préchambre (10) est formée par un évidement (16) creusé dans la culasse (52). Moteur thermique (100) selon la revendication 6 précédente , caractérisé en ce que l’évidement (16) est connecté à la chambre de combustion principale (11) par un conduit vertical (19) d’axe parallèle à l’axe X du cylindre. Moteur thermique (100) selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la préchambre (10) est délimitée par une demi-coquille (30). Moteur thermique (100) selon la revendication 8 précédente, caractérisé en ce que la demi-coquille (30) comprend des trous traversant disposés sur un même anneau et communiquant avec les conduits de diffusion radiaux (18). Moteur thermique (100) selon la revendication 9 précédente, caractérisé en ce que la demi-coquille (30) comprend un trou central traversant dont l’axe est parallèle à l’axe X de la chambre de combustion principale (11).