Moteur à allumage par compression
La présente invention concerne un moteur à allumage par compression du type comportant à la partie supérieure du cylindre une préchambre dans laquelle débouche l'injecteur de combustible et qui communique avec la chambre principale de combustion par un canal de transfert, avec un piston muni d'un prolongement ou bossage adapté à pénétrer dans le canal de transfert en fin de course de compression.
L'objet essentiel de l'invention est de réaliser un moteur de ce type, fréquemment qualifié dans la suite de moteur du type considéré , dont le rendement de combustion se rapproche de sa valeur maximale pour chaque valeur de la charge en combustible dans l'intervalle de variation prévu pour celle-ci.
Dans les moteurs du type considéré, l'air de combustion admis dans la chambre principale est repoussé vers la préchambre pendant la course ascendante du piston et forme, en s'écoulant dans l'espace annulaire entre la paroi du bossage et la paroi du canal de transfert, des filets d'air dans lesquels on injecte le combustible.
L'homogénéisation du mélange formé par l'air et le combustible injecté est obtenue grâce à une forme appropriée du bossage et de la préchambre donnant des trajectoires tourbillonnaires aux filets d'air admis dans cette dernière.
Un moteur du type considéré se comporte au début de la phase de combustion comme un moteur à préchambre peu ouverte, puisque sa préchambre ne communique alors que par un étroit passage avec la partie supérieure du cylindre constituant la chambre principale de combustion.
Il en résulte que la combustion se propage de la préchambre à la chambre principale par un effet de torche accroissant la turbulence dans la chambre principale et homogénéisant ainsi l'alimentation, ce qui, à pleine charge, rend la combustion plus complète et permet de faire fonctionner le moteur avec une alimentation plus riche en combustible que dans le cas des moteurs à injection directe (sans préchambre), ce qui se traduit par un accroissement de la puissance maximale.
Le type de moteur considéré présente par rapport aux moteurs classiques à préchambre peu ouverte, c'està-dire communiquant avec la chambre principale par un passage étroit dont la section reste invariable tout au long du cycle de travail, l'avantage d'une réduction des pertes d'énergie dues au passage des gaz de la préchambre à la chambre principale, puisque dans les moteurs du type considéré la section de passage offerte aux gaz augmente lorsque le bossage du piston se retire du canal de transfert au fur et à mesure de la détente des gaz de combustion.
Cette perte d'énergie est cependant loin d'être négligeable dans les moteurs du type considéré antérieurement proposés où le volume mort de l'espace de combustion (volume résiduel au point mort haut du piston) est essentiellement constitué par la préchambre.
Dans ces moteurs, la préchambre renferme au début de la combustion la quasi-totalité de la charge du combustible et de l'air de combustion et la combustion s'accompagne donc du transfert d'un volume important de gaz de la préchambre à la chambre principale. Les pertes thermiques lors de ce transfert restent par suite notables.
Un autre inconvénient des moteurs du type considéré antérieurement proposés est qu'il ne permettent pas un degré d'homogénéisation de l'alimentation (combustible + air) décroissant progressivement de façon continue lorsque la quantité totale de combustible injectée décroît.
Or on a constaté expérimentalement que si, pour la pleine charge en combustible, la richesse maximale d'alimentation d'un moteur à allumage par compression (audelà de laquelle apparaissent dans les gaz d'échappement des fumées traduisant une combustion incomplète), c'est-à-dire la richesse correspondant au maximum de puissance, est obtenue avec une répartition aussi homo gène que possible du combustible dans l'air de combustion, aux très faibles charges au contraire les consommations spécifiques optimales (exprimées en quantité de combustible consommée par unité de travail produit) sont obtenues pour des répartitions hétérogènes du combustible dans l'air admis.
Le moteur selon la présente invention ne présente pas les inconvénients des moteurs du type considéré antérieurement proposés, puisqu'il permet d'une part de limiter le plus possible les pertes thermiques accompagnant le transfert de gaz de combustion de la préchambre à la chambre principale et d'autre part de réaliser un degré d'homogénéisation de l'alimentation du moteur diminuant progressivement de façon continue lorsque la charge décroît.
Le moteur selon l'invention est un moteur à allumage par compression comportant à la partie supérieure du cylindre une préchambre dans laquelle débouche l'injecteur de combustible et qui communique avec la chambre principale de combustion par un canal de transfert, avec un piston muni à sa partie supérieure d'un prolongement ou bossage adapté à pénétrer dans ce canal de transfert en fin de compression, caractérisé par un injecteur adapté à réaliser l'injection du combustible sensiblement suivant une nappe conique orientée vers le canal de transfert, des formes sensiblement coniques complémentaires des parois du bossage et du canal de transfert, adaptées à se conformer sensiblement à la nappe de combustible au voisinage du point mort haut,
avec une hauteur de bossage assurant le début de pénétration de ce dernier dans le canal de transfert pour une position angulaire du vilebrequin comprise entre 35 degrés et 15 degrés avant le point mort haut, et d'une cavité annulaire périphérique ménagée sur la face supérieure du piston, cette cavité se raccordant tangentiellement au bossage et délimitant avec le fond du cylindre, au point mort haut, un volume résiduel de la chambre principale de combustion, qui constitue au moins 70 % du volume résiduel dans le cylindre et la préchambre.
Dans ce moteur selon l'invention, I'injection à pleine charge ne commencera pas notablement avant le début de pénétration du bossage dans le canal de transfert et, en pratique, l'écart maximal toléré entre le début d'injection à pleine charge et le début de pénétration du bossage dans le canal de transfert ne dépassera pas 10 degrés d'angle de rotation du vilebrequin.
L'injection se terminera de préférence avant le point mort haut et au plus tard au moment du cycle qui correspond à un écart de position du vilebrequin de 5 degrés après le point mort haut.
Des exemples de réalisation de l'invention sont décrits ci-après, à titre purement illustratif, en se référant aux figures annexées où:
la fig. 1 illustre en coupe partielle un premier mode de réalisation de l'invention, dans lequel l'injecteur et le bossage sont disposés suivant l'axe du cylindre:
:
les fig. 2A et 2B montrent schématiquement la répartition homogène du combustible dans l'espace total de combustion obtenue à pleine charge et correspondent respectivement au début et à la fin d'injection à pleine charge;
les fig. 2C et 2D montrent le piston dans les positions qu'il occupe sur la fig. 2A et sur la fig. 2B respectivement, mais sont relatives à l'injection d'une très faible charge, cette injection ne commençant qu'en position d'obturation presque complète de la préchambre, d'où il résulte une répartition très hétérogène du combustible dans l'espace total de combustion;
la fig. 3 illustre un second mode de réalisation de l'invention dans lequel le bossage est excentré par rapport à l'axe du cylindre et incliné sur cet axe;
;
la fig. 3a est une vue de dessous agrandie d'un type d'injecteur pouvant avantageusement être utilisé dans ce second mode de réalisation.
Dans le premier exemple de réalisation de l'invention, illustré par la fig. 1, la préchambre 3 ménagée dans la culasse 1 du cylindre 2 a une forme de révolution autour de l'axe de ce cylindre.
Cette préchambre communique par le canal de transfert 4 avec le haut du cylindre qui constitue la chambre principale de combustion 5.
L'injecteur 6 débouchant dans la préchambre est aussi sensiblement de même axe que le cylindre, de même que le bossage ou prolongement 8 du piston 7, ce bossage étant adapté à pénétrer dans le canal de transfert 4 lorsque le piston vient en position haute.
L'air de combustion est admis par la soupape 11,
I'échappement étant commandé par la soupape 12.
L'injecteur 6 est d'un type permettant de réaliser un jet de combustible ayant la forme d'une nappe conique dirigée vers l'espace annulaire formé en fin de course de compression entre la paroi du bossage 8 et celle du canal de transfert 4.
On pourra par exemple utiliser un injecteur conique à téton, du type décrit dans Injection and controls for internal combustion engines > , chapitre 9, en particulier page 112, fig. 146 (Editeurs Simon Boardman Publishing
Corp.).
Dans l'exemple de réalisation illustré, le bossage 8 et la paroi 9 de l'orifice 4 épousent sensiblement la forme de troncs de cône de révolution ayant sensiblement le même angle au sommet, que la nappe de combustible, lequel est, dans le cas considéré, voisin de 600.
Plus généralement, dans un moteur selon l'invention, la paroi du bossage 8 et la paroi 9 du canal de transfert 4 auront des formes complémentaires se conformant à celle de la nappe de combustible, c'est-à-dire sensiblement parallèles à celle, mais ces parois auront de préférence les formes tronconiques du mode de réalisation illustré à la fig. 1 avec des angles d'ouverture des deux troncs de cône (angles au sommet des cônes) compris entre 200 et 140 et ne différant pas entre eux de plus de 200.
Pour un angle d'ouverture inférieur à 200 de ces troncs de cônes et du jet de combustible, les filets de fluide qui passent de la préchambre à la chambre principale à travers l'espace annulaire formé entre le bossage et la paroi du canal de transfert 4, lorsque le piston est au voisinage du point mort haut, rencontrent la face supérieure du piston avec une inclinaison trop faible sur l'axe de ce piston. ns sont par suite brutalement arrêtés par la surface de raccordement au bossage du haut du piston et ne peuvent atteindre la périphérie de la chambre principale de combustion.
La section de passage des gaz de la préchambre 3 à la chambre principale de combustion 5 à travers l'espace annulaire compris entre le bossage 8 et la paroi 9 du canal 4 croît de manière continue très progressive lorsque le piston s'écarte du point mort haut.
Au point mort haut cette section de passage ne dépassera pas 1% de l'alésage du cylindre et atteindra par exemple 5 % de cet alésage lorsque le bossage s'est entièrement retiré du canal 4.
En vue d'obtenir un effet de préchambre marqué au voisinage du point mort haut, cette section de passage restera inférieure à 5 % de l'alésage pour un déplacement du piston par rapport au point mort haut correspondant à une rotation du vilebrequin de + 200.
La section maximale offerte au passage des gaz par le canal de transfert 4 ne dépassera pas en tout cas 10 % de l'alésage et la section annulaire de passage entre les parois du bossage et celles du canal 4 sera inférieure à 8 % de l'alésage lorsque le sommet du bossage affleure le niveau inférieur du canal 4 (commence à pénétrer dans celui-ci).
La faible valeur de la section de passage offerte au gaz entre préchambre 3 et chambre principale 5 au voisinage du point mort haut permet d'obtenir une perte de charge suffisante pour créer une bonne turbulence de l'air de combustion refoulé dans la préchambre en fin de compression et des gaz entrant dans la chambre principale au début de la combustion (préchambre peu ouverte au voisinage du point mort haut). La limite inférieure sera fixée par des considérations technologiques (jeu suffisant entre le bossage et la paroi de l'orifice de la préchambre pour permettre le fonctionnement du moteur) mais également en tenant compte du fait que pour des sections de passage trop faibles les pertes de charges deviennent excessives.
La paroi du bossage sera avantageusement pourvue d'une ou plusieurs rainures hélicoïdales 13, pouvant éventuellement(fig. 1) se prolonger sur la face supérieure du piston, qui favorisent la turbulence de l'air refoulé dans la préchambre en fin de compression et des gaz de combustion sortant de cette préchambre au début de la phase de combustion.
Ces rainures seront de préférence orientées de façon à avoir une composante tangentielle dans le sens donné au flux d'air admis par la tubulure d'admission associée à la soupape 11, afin de renforcer ou tout au moins de ne pas gêner le mouvement tourbillonnaire autour de l'axe du cylindre qu'il est habituel de donner à l'air de combustion au moment de son admission par la soupape 1 1 par une forme appropriée de la tubulure d'admission, mouvement qui est ainsi conservé par les gaz pendant le cycle de travail, ce qui permet d'améliorer encore 1' ho- mogénéité du mélange combustible à pleine charge. Les rainures hélicoïdales 13 sur la paroi du bossage pourront avantageusement coopérer avec des rainures 14 sur la paroi 9 du canal 4.
L'injection étant réalisée au voisinage du point mort haut, le moteur se comporte comme un moteur à préchambre peu ouverte au début de la phase de combustion et les gaz de combustion, passant de la préchambre à la chambre principale par l'intermédiaire de l'espace annulaire entre le bossage et la paroi 9 de l'orifice de la préchambre (flèches), créent une forte turbulence dans la chambre principale 5, turbulence encore augmentée par la forme donnée à la face supérieure du piston 7 dans laquelle est ménagée une cavité annulaire 10 entourant le bossage 8 et se raccordant tangentiellement à celui-ci. Cette cavité 10 est adaptée à créer dans la chambre principale 5 de combustion un volume mort (volume résiduel au point mort haut du piston) qui représente au moins 70 % du volume mort total.
Lorsque le piston descend, la section de passage des gaz entre la préchambre 3 et la chambre principale 5 augmente en tendant vers la surface totale d'ouverture de l'orifice de communication 4, ce qui, en réduisant les pertes de charge des gaz en écoulement, diminue les pertes thermiques.
Lorsque le bossage 8 a entièrement découvert l'orifice 4, le moteur se comporte comme un moteur à injection directe, la préchambre étant alors largement ouverte.
Un moteur selon l'invention bénéficie, par rapport aux moteurs du type considéré antérieurement proposés dans lesquels la préchambre constitue la quasi-totalité du volume mort au point mort haut, d'une réduction des pertes thermiques lors du transfert de gaz de combustion de la préchambre à la chambre principale de combustion.
Cette réduction résulte de ce que dans un moteur selon l'invention le volume de la préchambre ne dépasse pas 30 % du volume mort total de l'espace de combustion, et par suite le transfert de gaz de combustion de la préchambre à la chambre principale au début de la combustion porte sur un volume de gaz limité.
L'avantage qui en résulte n'a cependant pas pour contrepartie, dans un moteur selon l'invention, une homogénéité du mélange air + combustible et, par suite, une puissance massique moins bonne à pleine charge que dans les moteurs du type considéré où la préchambre forme pratiquement la totalité du volume mort, c'està-dire dans lesquels la totalité du mélange gazeux est brassée dans la préchambre par les filets d'air refoulés dans cette dernière en fin de compression et où l'effet de torche prenant naissance dans la préchambre et augmentant encore l'homogénéité de ce mélange gazeux en début de combustion porte sur un plus grand volume de gaz de combustion.
En effet, comme le montrent les fig. 2A et 2B, I'injec- tion à pleine charge commençant un peu avant la pénétration du bossage dans le canal de transfert ou au début de cette pénétration, le combustible injecté se répartit à la fois dans la préchambre et dans la chambre principale grâce à la conformation, selon l'invention, des parois respectives du bossage et du canal de transfert à la nappe conique suivant laquelle le combustible est admis par un injecteur approprié et à la forme même de la cavité annulaire ménagée dans la face supérieure du piston.
Cette cavité annulaire se raccorde en effet tangentiellement au bossage et se conforme elle aussi à la direction de la nappe de combustible, dirigeant celui-ci jusque dans les endroits de la chambre principale de combustion les plus éloignés de l'axe du cylindre, le jet de combustible n'étant pas arrêté par un impact sur la paroi du bossage ou celle de la face supérieure du piston.
Dans ces conditions, le combustible injecté se répartit, à pleine charge, à la fois dans la chambre principale (en début d'injection principalement, voir fig. 2A, où le canal de transfert est largement ouvert) et dans la préchambre (surtout en fin d'injection au voisinage du point mort haut quand le bossage obture en grande partie le canal de transfert, voir fig. 2B).
Par suite, le moteur selon l'invention assure, à pleine charge, une répartition très homogène du combustible dans l'air de combustion emplissant tout l'espace de combustion (chambre principale et préchambre), ce qui est favorable à l'obtention d'une puissance massique élevée.
Au fur et à mesure que la charge ou quantité de combustible faisant l'objet de l'injection décroît, le début d'injection est retardé par rapport au début d'injection à pleine charge, en supposant une fin d'injection fixe ou peu variable avec la charge.
En d'autres termes, I'injection commence d'autant plus tard, au cours de la pénétration du bossage dans le canal de transfert, que la quantité de combustible (charge) à injecter est plus faible.
Il en résulte que la section moyenne de passage offerte à la nappe de combustible injectée entre le bossage et la paroi du canal de transfert décroît lorsque la charge diminue.
Pour les très faibles charges (fig. 2C et 2D), ce passage est très peu ouvert pendant l'injection et par suite la quasi-totalité de combustible reste dans la préchambre, ce qui donne une grande hétérogénéité de répartition du combustible dans l'air emplissant le volume mort total (préchambre + volume mort de la chambre principale).
Une augmentation continue de la charge réalisée avec une avance continue du début d'injection par rapport au point mort haut est ainsi associée à une augmentation progressive et continue de la section moyenne de passage offerte pendant l'injection à la nappe de combustible entre le bossage et la paroi du canal de transfert, en raison des formes appropriées et se conformant au jet de combustible de ce bossage et de ce canal dans un moteur selon l'invention.
Il en résulte donc dans un moteur selon l'invention, une augmentation progressive et continue de l'homogénéité de répartition du combustible dans l'air de combustion lorsque la charge croît de façon continue, ce qui permet d'obtenir le meilleur rendement de combustion pour chaque valeur de la charge.
Cette variation continue en fonction de la charge de l'homogénéité de l'alimentation d'un moteur selon l'invention pourra être obtenue sur la plus grande partie, ou même la totalité, de la gamme des charges utilisées en adoptant une fin d'injection sensiblement indépendante de la charge et en ne commençant l'injection à pleine charge que 10 degrés au plus avant le début de pénétration du bossage dans le canal de transfert (degrés de rotation du vilebrequin). Comme indiqué précédemment,
I'injection se terminera, au plus tard, pour la position angulaire du vilebrequin de 4 degrés après le point mort haut, la fin d'injection se produisant de préférence avant le point mort haut.
Le canal de transfert et le bossage associé seront de préférence disposés suivant l'axe du cylindre ainsi que l'injecteur, avec une préchambre ayant une forme de révolution autour de cet axe, comme dans l'exemple de réalisation représenté à la fig. 1, toutes les fois que l'alésage sera suffisant pour permettre une telle disposition, compte tenu de la place occupée par les sièges de soupape sur la paroi de la culasse.
En donnant au bossage du piston et à la préchambre sensiblement le même axe que le cylindre, on obtient en effet les importants avantages suivants: 1. On réalise une répartition régulière de la charge ther
mique sur le piston (les courbes isothermes admettent
l'axe du piston comme axe de symétrie), ce qui
entraîne des dilatations périphériques régulières et
éloigne des segments la partie la plus chaude du
piston.
2. Il est possible d'obtenir un niveau de turbulence
satisfaisant des gaz, même aux points de la chambre
principale de combustion les plus éloignés de l'orifice
de communication avec la préchambre, avec une
énergie initiale des gaz sortant de la préchambre plus
faible que si celle-ci était excentrée par rapport à
l'axe du cylindre, pour un même diamètre de l'orifice
de communication.
Il en résulte que cette disposition axiale de la préchambre permet d'améliorer au voisinage de la pleine charge le mélange air-combustible dans les zones de la chambre principale de combustion les plus éloignées de l'orifice de communication avec la préchambre.
Ceci se traduit, toutes choses égales par ailleurs, par une réduction de la teneur en imbrûlés aux richesses élevées en combustible et par une meilleure utilisation de l'air de combustion admis.
Il sera également possible de réaliser un moteur selon l'invention dans lequel le bossage 8 occupera une position excentrée etlou inclinée par rapport à l'axe du cylindre.
La fig. 3 illustre un exemple de réalisation dans lequel la préchambre 3, le bossage 8 et l'injecteur 6 sont excentrés par rapport à l'axe du cylindre et inclinés sur cet axe, avec conservation des caractéristiques essentielles de l'invention, à savoir une injection de combustible sensiblement suivant une nappe conique et une conformation à cette nappe de la paroi 9 du canal de transfert 4, de la paroi du bossage 8 et de la cavité annulaire périphérique 10 creusée dans la face supérieure du piston.
Un tel mode de réalisation pourra par exemple être adopté pour les petites cylindrées lorsque la place prise par les soupapes sur la culasse interdira une disposition du bossage conforme à celle représentée à la fig. 1.
Afin que dans un mode de réalisation tel que celui illustré par la fig. 3, I'excentration du bossage 8 et de l'injecteur 6 n'entraîne une moins bonne homogénéité de répartition'du combustible à pleine charge dans la partie du volume mort située dans la chambre principale de combustion, il sera avantageux d'utiliser un injecteur adapté à envoyer davantage de combustible dans la zone 5a de cette chambre principale, dont le volume est supérieur à celui de la zone 5b, ces deux zones étant délimitées par le plan contenant l'axe de l'injecteur et perpendiculaire au plan passant par le sommet du bossage et contenant l'axe du cylindre.
Un exemple d'injecteur 6 utilisable à cet effet est représenté à la fig. 3a, vue de dessous par le canal de transfert 4, à une échelle plus grande que celle de la fig. 3.
Dans cet injecteur, les orifices de sortie du combustible ont une section totale plus grande (orifices 15a) du côté correspondant à l'injection dans la zone 5a de la chambre principale que du côté correspondant à l'injection dans la zone 5b (orifices 15b).