FR3012523A1

FR3012523A1 - Moteur a combustion interne a injection directe a allumage par compression et procede d'injection de combustible dans la chambre de combustion de ce moteur.

Info

Publication number: FR3012523A1
Application number: FR1360427A
Authority: FR
Inventors: Lionel Martinez; Stephane Richard; Olivier Laget
Original assignee: IFP Energies Nouvelles IFPEN
Current assignee: IFP Energies Nouvelles IFPEN
Priority date: 2013-10-25
Filing date: 2013-10-25
Publication date: 2015-05-01
Anticipated expiration: 2033-10-25
Also published as: FR3012523B1; WO2015058906A1

Abstract

La présente invention concerne 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 (22) délimitée sur un côté par la face supérieure (36) du piston comportant un téton (42) s'érigeant en direction de la culasse et disposé au centre d'un bol concave (38) en délimitant au moins deux zones de mélange (Z1, Z2). Selon l'invention, le moteur comporte des moyens d'injection de combustible projetant du carburant selon au moins deux nappes de jets de combustible (24, 26) d'angle de nappe différents (α, β) pour injecter du carburant dans l'une ou l'autre ou dans les deux zones (Z1, Z2).

Description

La présente invention se rapporte à un moteur à combustion interne à injection directe, en particulier à allumage par compression, et à un procédé d'injection de combustible dans la chambre de combustion de ce moteur.

Par combustible, il est entendu un carburant liquide, comme du Diesel, du 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.

Comme cela est déjà connu, notamment par les brevets FR 2.818.324 ou FR 2.818.325 du demandeur, le mode de combustion homogène ou HCCI (Homogeneous Charge Compression Ignition) a pour effet d'adopter une injection précoce de combustible dans la chambre de combustion d'un moteur à combustion interne aux environs d'un angle de vilebrequin de 50° par rapport au point mort haut du piston et un ciblage d'injection vers le bas de cette chambre grâce à un angle de nappe de l'injecteur de combustible très réduit. Ce ciblage a pour but d'éviter les interactions entre les jets de combustible et la paroi du cylindre par l'injection précoce de combustible dans le mode de fonctionnement HCCI.

Ceci permet des gains importants en consommation et émissions de polluants (oxyde de carbone (CO), oxydes d'azote (NOx), imbrûlés, suies,...) aux plus faibles charges grâce à une combustion relativement homogène associée à des taux de gaz brûlés recirculés (ou EGR pour Exhaust Gas Recirculation) importants limitant les températures de combustion.

Ce mode de fonctionnement bien que donnant satisfaction présente néanmoins des inconvénients non négligeables. En premier lieu, ce mode HCCI ne peut être utilisé que dans une plage de fonctionnement qui est limitée aux faibles charges. En effet, seul le comburant - de l'air (suralimenté ou non) ou un mélange d'air et d'EGR - situé dans la zone inférieure de la chambre de combustion peut participer à la combustion car le comburant situé dans la partie supérieure n'est pas entraîné ou n'est pas atteint par les jets de combustible.

L'ensemble du comburant présent dans la chambre de combustion ne peut donc pas être utilisé ce qui restreint l'utilisation du mode HCCI aux plus faibles charges.

Le fonctionnement à fortes charges en mode conventionnel avec une combustion pilotée par l'injection, donc fortement hétérogène, s'accompagne d'un niveau élevé d'émissions polluantes et d'un rendement de combustion limité par des combustions incomplètes, ce qui réduit fortement la puissance maximale du moteur.

Ceci est notamment dû au fait que le combustible reste trop confiné dans la chambre de combustion et plus particulièrement dans le bol que comporte le piston et ne peut pas se mélanger au comburant situé notamment dans la partie haute de la chambre de combustion (ou chasse), ce qui génère des zones de mélange carburé à forte richesse entraînant une forte production de suies, de CO et d'hydrocarbures imbrûlés (HC). La présente invention vise à remédier aux inconvénients précités grâce à un procédé d'injection de combustible qui améliore significativement non seulement le mode de combustion HCCI mais aussi le mode conventionnel.

A cet effet, la présente 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 en délimitant au moins deux zones de mélange, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens d'injection de combustible projetant du combustible selon au moins deux nappes de jets de combustible d'angle de nappe différents pour injecter du combustible dans l'une ou dans l'autre ou dans les deux zones. Les moyens d'injection peuvent comporter un injecteur projetant du combustible selon au moins deux nappes de jets de combustible. 3012 523 3 Les nappes de jets de combustible peuvent être placées l'une au dessus de l'autre. Les moyens d'injection peuvent comporter au moins deux injecteurs projetant 5 du combustible selon une nappe de jets de combustible d'angle de nappe différent l'un de l'autre. L'angle de nappe de l'une des nappes peut être au plus égal à 130° alors que l'angle de nappe de l'autre des nappes est au moins égale à 131 °. 10 L'invention concerne également un procédé d'injection de combustible pour un moteur à combustion interne à allumage par compression comprenant au moins un cylindre, un piston coulissant dans ce cylindre, une chambre de combustion délimitée sur un côté par la face supérieure du piston comportant un 15 téton s'érigeant en direction de la culasse et disposé au centre d'un bol concave et une culasse portant des moyens d'injection de combustible projetant du combustible selon au moins deux nappes de jets de combustible d'angle de nappe différents dans au moins deux zones de la chambre de combustion, caractérisé en ce qu'il consiste à injecter du combustible dans la zone basse ou dans la zone 20 haute de la chambre de combustion pour le fonctionnement à faibles ou moyennes charges du moteur et à injecter du combustible dans la zone basse et dans la zone haute pour le fonctionnement à pleines charges dudit moteur. Le procédé peut consister à injecter la même masse de combustible dans les 25 deux zones de la chambre de combustion lors du fonctionnement à pleine charges. Le procédé peut consister à injecter une masse de combustible pour chaque zone de la chambre de combustion lors du fonctionnement à pleine charges. 30 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 est un schéma montrant une vue partielle d'un moteur à combustion interne utilisant le procédé selon l'invention ; - les figures 2 à 5 qui illustrent des exemples de fonctionnement du moteur selon la figure 1 et - la figure 6 qui est un schéma illustrant une variante du moteur à combustion interne de la figure 1. En se référant à la figure 1, un moteur à combustion interne à injection directe à allumage par compression, notamment de type Diesel, comprend au moins un cylindre 10 d'axe XX', une culasse 12 fermant le cylindre en partie haute, un moyen d'injection de combustible 14 portés par la culasse et un piston 16 coulissant dans le cylindre en un mouvement rectiligne alternatif. Ce moteur comprend également des moyens d'échappement des gaz brûlés et des moyens d'admission d'air (non représentés) et communicant avec l'intérieur du cylindre. Par le terme air, 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. Le moyen d'injection comprend au moins un injecteur de combustible 18, de préférence disposé dans l'axe XX' du cylindre, dont le nez 20 comporte une multiplicité d'orifices à travers desquels le combustible est pulvérisé et projeté en direction de la chambre de combustion 22 du moteur. C'est à partir de ce moyen d'injection que le combustible projeté forme au moins deux nappes de jets de combustible, ici deux nappes 24 et 26 de jets de combustibles 28 et 30, qui, dans l'exemple montré, ont un axe général confondu avec celui du cylindre 10 tout en étant placées l'une au dessus de l'autre. Plus précisément, la nappe 24 qui est située le plus prés du piston 16 est dénommée dans la suite de la description "nappe basse" alors que la nappe 26 placée le plus loin de ce piston est appelée "nappe haute". Comme visible sur la figure 1, ces deux nappes forment des angles de nappe a et 13 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 des jets de combustible 32 et 34. 3012 523 5 Avantageusement, l'angle de nappe a de la nappe basse est au plus égal à 130°, de préférence compris entre 40° et 130°, alors que l'angle de nappe 13 de la nappe haute est au moins égale à 131°, de préférence compris entre 131 ° et 180°. L'écart entre les deux angles de nappe permet ainsi de limiter les 5 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 l'injecteur ne soit pas disposé dans l'axe XX', mais dans ce cas, l'axe général des nappes de jets de combustible issues de 10 cet injecteur de combustible est pour le moins 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 chacune des zones ou que toutes les nappes soit portées par le même injecteur, comme décrit ci-15 dessus. La chambre de combustion 22 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 36 du piston 16. 20 Ce piston comporte un bol concave 38, d'axe confondu avec celui du cylindre, dont la concavité est tournée vers la culasse et qui débouche sur une partie plane horizontale 40 arrivant à proximité de la paroi du cylindre. Ce bol loge un téton 42 situé sensiblement au centre du bol, qui s'élève vers la culasse 12, en étant de préférence coaxial avec l'axe des nappes de 25 combustible issu de l'injecteur 18. 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 30 coaxiaux. Le téton 42, de forme générale tronconique, comporte un sommet 44 de préférence arrondi, se poursuivant, en s'écartant symétriquement de l'axe XX' vers l'extérieur du piston 16, par un flanc incliné 46 sensiblement rectiligne pour arriver à un fond 48 du bol. Le fond de ce bol est ici arrondi de manière concave mais cela n'écarte pas la possibilité d'avoir un fond plat.

A partir de ce fond s'élève une paroi latérale 50, ici de forme arrondie concave, qui arrive à une surface arrondie convexe 52 saillante en direction de l'axe XX', ou bourrelet. Ce bourrelet se continue en direction de la culasse par une face incliné 54 qui se termine sur la partie plane 40. La chambre de combustion comprend 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 d'EGR) et le combustible provenant de l'injecteur ainsi que la combustion du mélange carburé ainsi formé. La zone Z1, délimitée par le téton 42, le fond 48 du bol, la paroi 50 et la partie inférieure 52a de la surface arrondie 52, forme la zone basse de la chambre de combustion qui est associée à la nappe 24 de jets de combustible, et la zone Z2, démarquée par la partie supérieure 52b du bourrelet 52, la face inclinée 54, la surface plane 40, la paroi interne périphérique du cylindre et la culasse 12 constitue la zone haute de cette chambre qui est associée à la nappe 26 de jets de combustible. Par cela, la chambre de combustion est séparée en plusieurs zones (ici deux zones) qui sont associées à une injection de combustible (ici deux injections) et qui sont concernées ou non par la combustion en fonction du mode de fonctionnement et de la charge moteur. Ceci permet à la fois d'étendre le mode de fonctionnement HCCI en termes de charge et d'obtenir une combustion rapide et complète avec un bon rendement et de faibles émissions de suies, CO et HC en mode conventionnel à très forte charge.

De plus, la répartition des flux thermiques entre le piston et la culasse est optimisée notamment par l'augmentation du volume de la zone Z2 par rapport à un piston conventionnel.

L'interaction entre les jets de combustible et la face du piston autorise un refroidissement accru de ce piston abaissant encore les contraintes thermiques sur ce dernier.

L'invention permet ainsi d'injecter du combustible soit dans les deux zones soit dans l'une ou l'autre de ces zones. L'injecteur autorise également l'introduction de masses de combustible injectées différentes, des durées et des temps d'injection différents entre les nappes afin d'assurer une exploitation optimale du comburant localisé autant dans la zone basse que dans la zone haute. La figure 2 illustre un mode de fonctionnement du moteur avec une combustion homogène de type HCCI pour les faibles charges ou pour des charges partielles. Pour cela, à proximité du point mort haut (PMH) du piston 16 pendant la phase de compression du moteur à un angle de vilebrequin d'environ -30° à +30°, le combustible est injecté dans la zone basse (zone Z1) de la chambre de combustion 22 en utilisant uniquement les jets de combustible de la nappe basse 24. Ces injections tardives de combustible permettent ainsi de manière avantageuse de tangenter le sommet 44 et le flanc 46 du téton 42 pour aboutir sur le fond 48, la paroi 50 et la partie 52a du bourrelet 52. Ceci permet d'entrainer le comburant présent au centre de la chambre sous l'injecteur et ainsi de favoriser le mélange dans zone basse de la chambre. Il est à noter que le fait de faire tangenter les jets de combustible sur le téton 42 permet également d'éviter la formation de film liquide de combustible. Pour cela, l'angle au sommet Ô du téton est adapté à l'angle de nappe a de la nappe basse 24. Avantageusement, cet angle au sommet est compris entre 60° et 90°. La figure 3 illustre un autre mode de fonctionnement qui correspond à une injection de combustible en zone haute Z2 de la chambre de combustion venant s'appuyer sur la face inclinée 54 du piston. Ce mode de fonctionnement vise notamment à améliorer le démarrage du moteur en n'utilisant que les jets de combustible de la nappe supérieure 26, proche de la bougie de préchauffage que comporte habituellement un tel type de moteur. En effet, une des limitations des dispositifs de l'art antérieur concerne le démarrage à froid puisque l'étendue de l'angle de nappe fait en sorte d'éloigner les jets de combustible de la bougie de préchauffage. Par ailleurs, cette étendue d'angle de nappe induit un mouillage de la paroi du cylindre qui est important, ce qui est nuisible au démarrage. Ces deux limitations sont levées avec ce mode de fonctionnement disposant d'un angle plus ouvert, comme cela est décrit et mentionné en relation avec la figure 3. Une fois la phase de démarrage passée, les autres modes de fonctionnement, comme décrit ci-après, peuvent être utilisés.

Les figures 4 et 5 illustrent le fonctionnement du moteur à fortes charges selon deux configurations différentes. Pour ces fortes charges, le combustible est injecté à la fois dans la zone basse Z1 et la zone haute Z2 de la chambre de combustion 22. Plus précisément, les jets de combustible 28 de la nappe basse 24 sont dirigés vers la zone Z1 alors que les jets de combustible 30 de la nappe haute 26 sont envoyés vers la zone Z2. Les deux configurations illustrées concernent pour l'une (Figure 4) l'injection de jets de combustible de la nappe basse 24 pour qu'ils viennent tangenter le téton 42 et pour l'autre (Figure 5) l'introduction de jets de combustible de la nappe basse 24 pour qu'ils tangentent la partie inférieure 52a du bourrelet 52 et le haut de la paroi arrondie 50. L'une ou l'autre de ces configurations est rencontrée en fonction du phasage des injections. Le but est ici d'utiliser de façon optimale le comburant présent dans la chambre de combustion quelle que soit le phasage des injections. Dans ces configurations, il est possible d'injecter une masse de combustible plus importante dans la zone basse Z1 de la chambre 22 par les jets de la nappe 3012 523 9 basse 24 et une masse plus petite que celle de la zone basse pour la zone haute Z2 par la nappe haute 26 avec éventuellement un déphasage entre les injections. A l'inverse, il peut être envisagé l'injection d'une masse de combustible plus importante par la nappe 26 dans la zone haute Z2 que dans la zone basse Z1 par 5 la nappe 24, avec éventuellement un déphasage entre les injections. Enfin, il peut également être envisagé l'injection d'une masse identique de combustible dans les deux zones Z1 et Z2. Le combustible sera ainsi réparti de façon optimale entre la zone basse et la zone haute de la chambre de combustion en accord avec les volumes de ces 10 deux dernières à l'instant d'injection. Par cette répartition, la richesse locale dans chacune des zones peut être maitrisée et ainsi la production de polluants tels que les NOx, le CO, les HC et les suies sera limitée. L'exemple montré à la figure 6 diffère de ceux précédemment décrits 15 uniquement par la forme de la zone haute Z2 de la chambre de combustion 22. Ainsi la face inclinée 54 et la surface plane 40 des figures précédentes sont remplacées, à partir de la partie 52b du bourrelet 52, par une surface courbe concave 56 suivie par une surface convexe 58 et se terminant par une face inclinée 60 aboutissant à la paroi interne du cylindre 10.

20 Cette forme permet de créer une zone de recirculation au dessus du piston en utilisant l'aérodynamique induite par les jets de carburant et en permettant un balayage dans la périphérie de la chambre. Le mélange combustible/comburant est ainsi optimisé.

25 Les exemples décrits ci-dessus font mention de l'injection de combustible selon deux nappes mais cela n'écarte en aucune façon la possibilité d'avoir plus de deux nappes ainsi qu'un nombre de zone de mélange en accord avec celui des nappes de jets de combustible.

Claims

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 (22) délimitée sur un côté par la face supérieure (36) du piston comportant un téton (42) s'érigeant en direction de la culasse et disposé au centre d'un bol concave (38) en délimitant au moins deux zones de mélange (Z1, Z2), caractérisé en ce qu'il comporte des moyens d'injection de combustible projetant du combustible selon au moins deux nappes de jets de combustible (24, 26) d'angle de nappe différents (a, [3) pour injecter du combustible dans l'une ou dans l'autre ou dans les deux zones (Z1, Z2).
2) Moteur à combustion interne selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens d'injection comporte un injecteur (18) projetant du combustible selon au moins deux nappes de jets de combustible (24, 26).
3) Moteur à combustion interne selon la revendication 2, caractérisé en ce que les nappes de jets de combustible (24, 26) sont superposées et à distance l'une de l'autre.
4) Moteur à combustion interne selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les moyens d'injection comporte au moins deux injecteurs projetant du combustible selon une nappe de jets de combustible d'angle de nappe différent l'un de l'autre.
5) Moteur à combustion interne selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'angle de nappe (a) de l'une (24) des nappes est au plus égal à 130° alors que l'angle de nappe (13) de l'autre des nappes est au moins égale à 131°.
6) Procédé d'injection de combustible pour un moteur à combustion interne à allumage par compression comprenant au moins un cylindre (10), un piston (16) coulissant dans ce cylindre, une chambre de combustion (22) délimitée sur uncôté par la face supérieure (36) du piston comportant un téton (42) s'érigeant en direction de la culasse et disposé au centre d'un bol concave (38) et une culasse (12) portant des moyens d'injection de combustible (14) projetant du combustible selon au moins deux nappes de jets de combustible (24, 26) d'angle de nappe différents (a, 3) dans au moins deux zones (Z1, Z2) de la chambre de combustion (22), caractérisé en ce qu'il consiste à injecter du combustible dans la zone basse (Z1) ou dans la zone haute (Z2) de la chambre de combustion pour le fonctionnement à faibles ou moyennes charges du moteur et à injecter du combustible dans la zone basse (Z1) et dans la zone haute (Z2) pour le fonctionnement à pleines charges dudit moteur.
7) Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il consiste à injecter la même masse de combustible dans les deux zones de la chambre de combustion lors du fonctionnement à pleine charges.
8) Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il consiste à injecter une masse de combustible pour chaque zone de la chambre de combustion lors du fonctionnement à pleine charges. 20