FR2908824A1 - Dispositif permettant de demarrer la combustion d'un melange air/carburant extrement pauvre dans les moteurs a allumage commande et injection directe haute pression - Google Patents

Dispositif permettant de demarrer la combustion d'un melange air/carburant extrement pauvre dans les moteurs a allumage commande et injection directe haute pression Download PDF

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Abstract

Dans les moteurs à allumage commandé et injection directe à forte pression, ce dispositif permet de démarrer la combustion d'un mélange carburant/air extrêmement pauvre en carburant. Il est constitué d'un bossage (4) solidaire du dessus du piston qui, à l'approche du point-mort-haut, isole pratiquement du reste de la cylindrée (13), la petite chambre (2) dans la culasse (9), où en fin de compression, le court instant de son isolement par le bossage (4) du piston, la quantité précise de carburant injecté par un injecteur (5), y crée le taux idéal carburant/air facile à allumer par une bougie ordinaire (6). Puis le piston (3) redescend pendant le temps moteur et la petite chambre (2) cesse d'être isolée par le bossage (4) du piston (3), l'injection continue au même débit, et entretient l'incandescence dans le grand volume d'air de la cylindrée générale (13), à un taux de richesse extrêmement pauvre.

Description

1 Dans les moteurs à explosion à deux temps ou à quatre temps, à allumage
commandé et injection de carburant sous pression, il n'est pas possible, ordinairement, de diminuer d'une façon importante la consommation en carburant et la pollution dues aux gaz d'échappement sans réduire le rapport carburant/air. Mais en dessous d'un certain taux de richesse du mélange en carburant, le démarrage de la combustion par une bougie ne se fait pas.
L'objet du présent brevet est un dispositif destiné aux moteurs à explosion à deux temps ou à quatre temps, à allumage commandé et injection directe de carburant liquide sous forte pression, qui permet, en fin de compression, le démarrage de la combustion d'un mélange carburant/air, globalement très pauvre en carburant, en commençant sa combustion dans une petite chambre de faible volume située dans la culasse, et dans laquelle, à proximité du pointmort-haut du piston, au point d'allumage, le taux idéal de richesse du mélange carburant/air, dit taux stoechiométrique, est atteint, ce qui permet son allumage facile par une bougie ordinaire, le court moment de son isolement du reste de la cylindrée par la position du bossage solidaire du dessus du piston. Cette incandescence se poursuit alors dans la très grande masse d'air sous pression de la cylindrée générale qui se trouve, par le débit constant de l'injecteur, à un taux global de richesse très pauvre en carburant.
En référence aux dessins en annexe, les figures 1, 2, 3, 4 et 5 représentent en coupe un élément piston/cylindre/culasse d'un moteur à explosion à deux temps ou à quatre temps. La figure 5 est à une échelle plus grande pour faciliter la vision des détails.
Les soupapes, lorsqu'il y en a, n'y sont pas représentées. La culasse (9) est représentée de façon schématisée. De façon classique, ]Le point d'avance à l'injection 2908824 2 précède, de quelques degrés d'angle du vilebrequin, le point d'avance à l'allumage. La pression d'injection du carburant doit être un peu supérieure à la pression régnant dans le cylindre pendant 5 le temps moteur. On remarque figure 1, d'une part le piston (3) qui se déplace dans son cylindre (1) et qui comporte sur sa surface du dessus (7) un bossage (4) solidaire, de 10 construction, du piston (3), d'autre part la petite chambre (2) située dans la culasse (9) du moteur qui est ouverte, de construction, en face de la cylindrée générale (13). Dans le fond (12) de la petite chambre (2), se trouve 15 une bougie (6), alimentée par un système d'allumage électrique classique, non représenté sur ces figures. En fin de course au point-mort-haut du piston (3) figure 3, le bossage (4) vient pénétrer dans la petite chambre (2) de la culasse (9), sans aucun contact de ses parois {11) avec les 20 parois (10) de la petite chambre (2); le bossage (4) du dessus du piston (3), et la petite chambre (2) dans la culasse (9) sont de formes coordonnées, leurs dimensions sont homothétiques. À proximité du point-mort-haut du piston (3), le bossage (4) pénètre puis ressort 25 cycliquement de la petite chambre (2), sans aucun contact entre les flancs des parois. Les parois (11) du bossage (4) sont les génératrices élevées latéralement à partir de la forme de la surface de base du bossage (4) sur le dessus du piston (3). Ces 30 génératrices ont pour directrice une parallèle à l'axe du cylindre. Les parois latérales (10) de la petite chambre (2) sont similaires à celles des parois (11) du bossage (4) mais sont de dimension légèrement plus grandes pour 35 ménager, au moins à la base ouverte de la petite chambre (2), un espace (15) entre les parois (11) du bossage (4) et les parois (10) de la petite chambre (2) comme indiqué figure 3.
2908824 3 L'espace (15), figure 3, est un espace qui assure une conductance faible mais nécessaire entre l'intérieur de la petite chambre (2) et le reste de l'air de la cylindrée générale (13).
5 A titre démonstratif et non limitatif, cet espace (15) (mesuré perpendiculairement à l'axe de déplacement du bossage (4) du piston (3)) est pratiquement de l'ordre d'un millimètre à quelques millimètres selon la cylindrée et selon les régimes maximum des moteurs équipés IO du dispositif objet du présent brevet. Dans la petite chambre (2), se trouve un injecteur (5), orienté de façon à diriger son jet de carburant sous forte pression, selon la direction (14) figure 4 directement dans la cylindrée générale (13), ce :L5 qui se produit lorsque le piston (3) et son bossage (4) qui lui est solidaire, sont éloignés du point-mort-haut et que la petite chambre (2) n'est pas isolée du reste de la cylindrée générale (13) au-dessus du piston (3).
20 Fonctionnement Dans la figure 1, le piston (3) est représenté, venant de son point-mort-bas, en cours de remontée dans son cylindre (1) vers son point-mort-haut, pendant la phase de compression, alors que le bossage (4) du piston (3) est 25 encore loin d'isoler la petite chambre (2) dont le volume intérieur fait ainsi encore partie intégrante de la cylindrée générale (13) en cours de compression. Les gaz, l'air ou le mélange carburant/air, selon la phase du moteur: en compression ou en échappement, dans la petite 30 chambre (2) et l'air de la cylindrée générale (13) au-dessus du piston (3) suivent dans ces conditions les mêmes variations de pression et de température. Lorsque le piston (3) approche de son point-morthaut, position illustrée figure 2, le dessus (8) du 35 bossage (4) solidaire du piston (3), se présente à l'entrée de la petite chambre (2) située dans la culasse (9) et commence à isoler pratiquement cette petite chambre (2) du reste de la cylindrée générale (13).
2908824 4 En fin de compression, l'injecteur (5) commence alors à débiter régulièrement le carburant, sous forte pression, dans la petite chambre (2): dans cette configuration, son jet de carburant sous pression qui suit la direction 5 indiquée par (14) est dévié dans la direction indiquée par (16) figure 2, c'est-à-dire vers l'intérieur de la petite chambre (2), par l'effet de déflexion du dessus (8) du bossage (4) qui se présente devant la trajectoire du jet du carburant arrivant de l'injecteur (5), comme indiqué 10 par (14) figure 2. Le piston (3) continue sa course vers son point-mort-haut qui sera atteint comme illustré figure 3 où le bossage (4) aura pénétré profondément dans la petite chambre (2), sans aucun contact de ses parois latérales extérieures (11) avec les parois latérales 15 intérieures (10) de la petite chambre (2). Depuis le début de l'injection, figure 3, la quantité précise de carburant sous forte pression, injecté à débit pratiquement constant, dans la petite masse d'air isolée un court instant dans la petite chambre (2) -dont le petit 20 volume est connu de construction - jusqu'au moment précis de l'inflammation du mélange par la bougie (6), atteint le taux idéal carburant/air, dit taux stoechiométrique, facile à enflammer par une bougie ordinaire (6). Le taux idéal carburant/air qui est, par exemple pour 25 l'essence, donné ici à titre d'exemple non limitatif, de l'ordre de 1 à 14 (dit taux stoechiométrique), est assuré dans la petite chambre (2), par le débit contrôlé du carburant sous forte pression envoyé dans la petite chambre (2) par l'injecteur (5), dont le même débit 30 régulier a commencé au point d'avance à l'injection. La figure 5, dont le cartouche en cercle est à une plus grande échelle, montre le point d'avance à l'allumage, quelques degrés avant le point-mort-haut, la bougie (6) enflamme le mélange carburant/air dans la petite 35 chambre (2). Sous l'effet de la bougie (6), l'inflammation du mélange dans la petite chambre (2) au cours de son isolement par le bossage (4), fait augmenter brutalement la 2908824 pression dans la petite chambre (2). Le jeu (15) entre les parois latérales extérieures (11) du bossage (4) et les parois latérales intérieures (10) de la petite chambre (2), permet aux gaz incandescents sous forte pression dans la 5 petite chambre (2) de se répandre dans le grand volume d'air de la chambre (13) du reste de la cylindrée (13): ainsi, l'expansion violente des gaz en cours de combustion, oblige les gaz incandescents à s'échapper de la petite chambre (2) vers le reste de la cylindrée générale (13), 10 par un effet de chalumeau, selon les trajectoires représentées par (17) et (18) figure 5. Avec ce jet des gaz incandescents, le carburant sous forte pression venant de l'injecteur (5), à débit resté pratiquement constant, est entraîné dans le très important volume d'air comprimé (13) 15 entre la culasse (9) et la surface du dessus (7) du piston (3), et entretient, pendant le temps moteur, la combustion dans ce mélange très pauvre. Pendant la descente du piston vers son point-mort-bas figure 4, en phase moteur, l'injection dure le temps 20 correspondant à la puissance demandée au moteur par l'utilisateur. Depuis son point-mort-haut, le piston (3) a commencé sa course vers son point-mort-bas, figure 4: d'abord le bossage (4) solidaire du piston (3) est ressorti de 25 l'intérieur de la petite chambre (2), (dans la position symétrique à sa position de début de son isolement avant le point-mort-haut figure 2). Lorsque le bossage (4) du dessus du piston (3) s'est éloigné complètement de la petite chambre (2) celle-ci 30 n'est plus isolée du reste de la cylindrée générale (13), alors que l'injecteur (5) peut continuer son jet, dans la direction indiquée par (14) figure 4, plus ou moins longtemps selon la puissance demandée, vers la masse importante d'air comprimé de la cylindrée générale (13) 35 pendant le temps moteur et y détermine un taux de richesse carburant/air très pauvre. Après son point-mort-bas, le cycle du moteur reste 2908824 6 celui des moteurs classiques c'est-à-dire "échappement" - "admission" "compression" etc. Le temps d'injection du carburant par l'injecteur (5) dure plus ou moins longtemps pendant le temps moteur selon 5 la puissance demandée par l'utilisateur du moteur. Au minimum, pour le ralenti, ce temps d'injection se limite au tout début de la descente du piston (3) depuis son point-mort-haut, environ jusqu'à ce que la petite chambre (2) cesse d'être isolée du reste de la cylindrée IO générale (13). Au maximum, ce temps d'injection s'arrête très tard au cours du temps moteur, pratiquement il dure jusqu'à proximité de son point-mort-bas: le moteur développe alors sa puissance maximum.
15 Le contrôle de la puissance du moteur par l'utilisateur du moteur se fait ainsi par la modulation de la durée d'injection, temps d'injection dont le début commence toujours un peu avant le point d'allumage, au point appelé point d'avance à l'injection.
20 Le dispositif, objet du présent brevet, est particulièrement destiné aux moteurs dont le carburant peut être de l'essence, ou de l'alcool, ou des gaz liquéfiés. Selon une variante du présent brevet, illustrée 25 figure 6, la hauteur restée libre, en fin de compression, au point-mort-haut, entre la surface (8) du bossage (4) solidaire du piston (3) et la surface du fond (12) de la petite chambre (2) est une hauteur plus importante que la hauteur restée libre entre la surface du dessus (7) du 30 piston (3) (en dehors de son bossage (4)) et la surface du fond de la culasse (9) (hors de la petite chambre (2)). Cette disposition particulière n'empêche pas le volume d'air dans la petite chambre (2) et le volume d'air du reste de la cylindrée {13) au-dessus (7) du piston (3), 35 de suivre les mêmes variations de pression, jusqu'à ce que le dessus (8) du bossage (4) solidaire du piston (3) arrive à hauteur de l'entrée de la petite chambre (2) dans la culasse (9) puis y pénètre sans contact, lorsque le 2908824 7 piston (3) s'approche de son point-mort-haut. Dès que la petite chambre (2) dans la culasse (9) commence à être isolée du reste de la cylindrée (13) au-dessus (7) du piston (3), les variations de pression sont 5 différentes, dans cette disposition particulière, entre la petite quantité d'air comprimé de la petite chambre (2) et le reste important d'air comprimé (13) au-dessus du piston (3). Progressivement et jusqu'au point-mort-haut, l'air de 10 la cylindrée (13) au-dessus du piston (3) atteint une pression supérieure à la pression de l'air dans la petite chambre (2) de la culasse (9). Entre les parois latérales {10) de la petite chambre (2) et les parois latérales (11) du bossage (4) qui 15 sont séparées par un petit espace, il s'établit ainsi un flux violent d'air (19) figure 6, provoqué par l'air à haute pression du dessus (7) du piston (3) qui va vers l'air de moindre pression contenu dans la petite chambre (2) de la culasse (9).
20 Ce flux tend à rétablir l'égalité des pressions entre ces deux milieux, gaz de la petite chambre (2) et gaz de la cylindrée {13) au-dessus du piston (3) jusqu'au point-morthaut du piston (3). Pendant la pénétration du bossage (4) solidaire du dessus (7) du piston (3) dans la petite 25 chambre (2), ce flux entraine la concentration, vers l'intérieur de la petite chambre (2) du jet du carburant (14) (voir figure 2) qui a commencé à être introduit par l'injecteur (5) depuis le point d'injection. Cette disposition particulière favorise la 30 concentration de la quantité contrôlée de carburant injecté dans le volume d'air comprimé de la petite chambre (2), dont le volume est connu de construction, et dans laquelle un mélange carburant/air est, au moment précis de l'allumage, au taux idéal de richesse, dit taux 35 stoechiométrique, facile à enflammer par une bougie ordinaire (6). La suite du cycle du moteur reste celui décrit dans l'objet du présent brevet.
2908824 8 Selon une variante du présent brevet, les formes du bossage (4) et de l'intérieur de la petite chambre (2) (formes toujours coordonnées l'une avec l'autre) peuvent 5 être de sections diverses, comme indiqué en vue cavalière où seul le bossage (4) du dessus du piston (3) est représenté, par deux exemples donnés à titre démonstratif mais non limitatif en (19) figure 7 et en {20) figure 8.
10 Selon une variante du présent brevet la forme de dessus (8) du bossage (4) représentée à titre démonstratif et non limitatif par la figure 9 peut être avec des formes (25) de nature à imprimer au gaz un mouvement dans la petite chambre (2) soit une orientation particulière 15 soit une turbulence des gaz, utile à une bonne homogénéité qui favorise la combustion du mélange carburant/air. Ces formes du dessus du bossage solidaire du piston peuvent être non-planes, ou encore incurvées, ou accuser un creux important pour augmenter le volume de la petite 20 chambre (2) au point-mort-haut du piston (3). Selon une variante du présent brevet, le positionnement du bossage (4) solidaire du piston (3) sur la surface (7) du piston (3) et le positionnement de la 25 petite chambre (2) qui, dans la culasse (9), fait face au bossage (4) solidaire du piston (3) peuvent être choisis sur n'importe quelle partie de la surface (7) du piston (3) et sur la surface au fond de la culasse (9) correspondante au bossage (4) du piston (3) .
30 A titre démonstratif et non limitatif, deux exemples sont illustrés en (21) figure 10 et en (22) figure 11. Selon une variante du présent brevet, figure 12, la paroi latérale extérieure (11) du bossage (4) du piston (3) 35 ou la paroi intérieure (10) de la petite chambre (2), ou ces deux parois, peuvent être équipés d'une saignée pour faciliter le passage de l'air ou du mélange ou des gaz en incandescence ou encore des gaz brulés depuis la cylindrée 2908824 9 générale (13) vers l'intérieur de la petite chambre (2) ou bien depuis la petite chambre (2) vers la cylindrée générale (13) selon la partie du cycle du moteur où soit une saignée (23) figure 12, soit l'autre (24) figure 12, ou 5 les deux, favorisent le contrôle des communications entre la petite chambre (2) et la cylindrée générale (13). A titre démonstratif et non limitatif, ces saignées peuvent être situées dans l'axe de l'injecteur (5) de la petite chambre (2).
10 Selon une variante non illustrée, un ou plusieurs injecteurs (5) peuvent équiper le fond de la culasse (9) ou le fond (12) de la petite chambre (2), dans la culasse (9) ou les deux fonds - pour répondre aux besoins de certains 15 types de moteurs de configurations particulières dont les turbulences spécifiques des gaz nécessitent un ou plusieurs injecteurs (5) dans certaines parties de la cylindrée générale (13) et/ou dans certaines parties de la petite chambre (2) pour assurer l'alimentation homogène en 20 carburant de l'air sous pression contenu dans la petite chambre (2) et/ou dans la cylindrée générale (13) ou les deux. Selon une variante non illustrée du présent brevet, 25 une ou plusieurs bougies (6) peuvent équiper la culasse (9), ou la petite chambre (2) dans la culasse (9), ou les deux, pour répondre au besoin de certains types de moteurs de configurations spécifiques qui ont besoin, dans certaines parties de la culasse (9) et/ou de la petite 30 chambre (2), d'assurer l'allumage complet du mélange carburant/air dans toutes ces parties. Selon une variante non illustrée, le contrôle de la puissance développée par le moteur, assuré habituellement 35 par un papillon de contrôle du débit d'air, associé au contrôle du débit de carburant, n'est pas toujours nécessaire selon l'objet du présent brevet. Le remplissage d'air du cylindre peut être en excès 2908824 10 d'air. Dans ce cas le papillon dans le circuit d'arrivée d'air au moteur peut être inutile. 5

Claims (9)

REVENDICATIONS
1) Dispositif destiné aux moteurs à explosion à deux temps ou à quatre temps, à allumage commandé et injection directe de carburant liquide sous forte pression, caractérisé en ce qu'il permet le démarrage de la combustion d'un mélange carburant/air, globalement très pauvre en carburant. Le dispositif est constitué d'une part d'un bossage (4) solidaire, de construction, du dessus (7) du piston (3); d'autre part d'une petite chambre (2) située dans la culasse (9) du moteur et dans laquelle, cycliquement, à proximité du point-mort-haut du piston (3) et jusqu'à son point-mort-haut, le bossage (4) vient pénétrer dans la petite chambre (2) de la culasse (9), sans aucun contact entre leurs parois latérales (11) et (10); le bossage (4) et la petite chambre (2) sont de formes coordonnées pour ménager, lorsque le bossage (4) a pénétré dans la petite chambre (2), un espace (15) entre leurs parois, espace qui assure une conductance faible mais nécessaire entre l'intérieur de la petite chambre (2) et le reste de l'air de la cylindrée générale (13).
2) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'au point-mort-haut, entre la surface (8) du bossage (4) et la surface du fond (12) de la petite chambre (2) est une hauteur plus importante que la hauteur entre la surface du dessus (7) du piston (3) et la surface du fond de la culasse (9).
3) Dispositif selon les revendications 1 et 2 caractérisé en ce que les formes latérales du bossage (4) et les formes latérales de l'intérieur de la petite chambre (2), formes toujours coordonnées l'une avec l'autre, ont des sections qui tiennent compte de la place des organes de la culasse : soupapes, bougies, injecteur en (19) et (20). 2908824 12
4) Dispositif selon les revendications 1 et 2 caractérisé en ce que la forme de dessus (8) du bossage (4) dispose d'une forme de nature à créer dans la petite chambre (2) une turbulence des gaz - (25). 5
5) Dispositif selon les revendications 1 et 2 caractérisé en ce que le positionnement du bossage (4) et le positionnement de la petite chambre (2), qui sont toujours face à face, sont choisis sur la partie de la 10 surface (7) du piston (3) et sur la surface disponible dans le fond de la culasse (9) - voir (21) et (22).
6) Dispositif selon les revendications précédentes caractérisé en ce que la paroi latérale extérieure (11) du 15 bossage (4) ou la paroi intérieure (10) de la petite chambre (2), comportent une saignée pour faciliter le passage des gaz depuis la cylindrée générale (13) vers l'intérieur de la petite chambre (2), voir en (23) pour le bossage (4) et en (24) pour la petite chambre (2). 20
7) Dispositif selon l'une quelconque des revendications caractérisé en ce que plusieurs injecteurs (5) équipent le fond (12) de la petite chambre (2).
8) Dispositif selon l'une quelconque des revendications caractérisé en ce que plusieurs bougies (6) équipent la petite chambre (2). 30
9) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que le contrôle de la puissance du moteur ne nécessite pas l'usage d'un papillon à l'admission. L'entrée dans le moteur de l'air aspiré est libre, dit en excès d'air. 25 35
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