FR3013383A1 - Procede pour melanger au moins un comburant et au moins un combustible dans la chambre de combustion d'un moteur a combustion interne a injection directe a allumage par compression et moteur utilisant un tel procede. - Google Patents

Abstract

La présente invention concerne un procédé destiné à assurer le mélange d'au moins un comburant et d'au moins un combustible pour un moteur à combustion interne à injection directe à allumage par compression comprenant 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 (34) délimitée sur un côté par la face supérieure (44) du piston comportant un téton (48) s'érigeant en direction de la culasse et disposé au centre d'un bol concave (46), ledit procédé consistant à injecter le combustible selon au moins deux nappes de jets de combustible (36, 38) d'angle de nappe différents (A1, A2), et à admettre le comburant dans la chambre de combustion selon un mouvement tourbillonnaire avec un taux de swirl (Ts). Selon l'invention, le procédé consiste, pour une position D du piston (16), à injecter le combustible de la nappe inférieure (36) dans une zone (Z1) qui comporte un volume torique (64) de centre B d'une manière telle que l'axe C1 des jets de combustible de la nappe soit situé entre le centre B et le téton (48) et à introduire le comburant avec un taux de swirl inférieur ou égal à 1.4.

Description

La présente invention se rapporte à un procédé destiné à assurer le mélange d'au moins un comburant et d'au moins un combustible dans la chambre de combustion d'un moteur à combustion interne à injection directe à allumage par compression.

L'invention concerne également un moteur à combustion interne utilisant un tel procédé. Elle concerne plus particulièrement un tel moteur utilisable dans le domaine aéronautique ou automobile ou dans le domaine des installations stationnaires, comme un groupe électrogène. Il est déjà connu dans les moteurs à combustion traditionnelle d'utiliser une admission particulière du comburant, tel que de l'air (à pression ambiante ou suralimenté) ou un mélange d'air suralimenté ou non et de gaz d'échappement recirculés, pour favoriser le mélange entre ce comburant et le combustible injecté. Par combustible, il est entendu un combustible 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. Certaines des réalisations connues pour favoriser ce mélange consistent à donner un mouvement tourbillonnaire, c'est-à-dire un mouvement de rotation du comburant autour d'un axe sensiblement parallèle ou confondu à celui de la chambre de combustion, soit après son admission dans la chambre de combustion, soit dès son entrée dans cette chambre pour que le comburant se mélange "par brassage" avec le combustible injecté. Ce mouvement tourbillonnaire du comburant est plus connu sous le terme de "swirl". Ce swirl peut être généré soit par une tubulure d'admission disposée tangentiellement et de manière radiale à la chambre de combustion, dite tubulure tangentielle, soit par une tubulure de forme hélicoïde, dite tubulure hélicoïdale, conformée pour créer un mouvement tourbillonnaire du comburant dès son introduction dans la chambre de combustion. Ce swirl a pour avantage d'améliorer le mélange du combustible avec le combustible tout en diminuant les émissions de polluants, telles que les fumées en particulier à faibles charge et faible régime du moteur lorsque l'aérodynamique interne de la chambre de combustion est insuffisante pour assurer le mélange du comburant avec le combustible. Généralement, le swirl est caractérisé par un taux qui est égal à ND/N où ND est évalué par intégration sur le trajet du piston, pendant la course d'admission, de la rotation de la charge élémentaire (combustible) introduite en tenant compte de la levée de soupape et de la vitesse du piston, suivie d'une division par la quantité totale de comburant introduite alors que N est la vitesse de rotation du moteur.

Cependant, l'utilisation d'un fort taux de swirl, de l'ordre de 3, a pour inconvénient non négligeable de dévier circonférentiellement les jets de combustible qui superposent les uns sur les autres. Ceci entraîne une augmentation non négligeable des émissions de polluants, comme les suies ou les hydrocarbures.

Dans le cas de moteurs fonctionnant à faible régime et en combustion homogène, l'allumage se fait par auto inflammation du mélange carburé et cela implique notamment de favoriser le mélange du comburant avec le combustible.

Un de ces types de moteur, qui est plus précisément décrit par le document JP 5-71347, comprend au moins un cylindre, un piston coulissant dans ce cylindre en un mouvement rectiligne alternatif, des moyens d'admission d'un comburant, des moyens d'échappement de gaz brûlés, une chambre de combustion, et des moyens d'injection pour injecter un combustible dans la chambre de combustion.

Dans ce type de moteur, la chambre de combustion est délimitée par la paroi circulaire du cylindre, la face interne de la culasse et la face supérieure du piston qui comporte un bol, à l'intérieur duquel est disposé un téton dont le somment s'érige vers la culasse, et comprend deux volumes de combustion.

La chambre de combustion est alimentée en comburant par au moins une tubulure d'admission tangentielle ou hélicoïdale, et en combustible par des moyens d'injection permettant d'injecter les jets de combustible selon au moins deux angles de nappe.

Compte tenu de l'augmentation du nombre de jets de combustible, le swirl dévie circonférentiellement et axialement les jets de combustible des deux nappes qui superposent les uns sur les autres et se mélangent les uns avec les autres. Ceci entraîne une augmentation encore plus importante des émissions de polluants, comme les suies ou les hydrocarbures, avec une réduction notable des performances du moteur. La présente invention se propose de remédier aux inconvénients mentionnés ci-dessus grâce à un procédé et à un moteur qui permettent d'obtenir un meilleur mélange du comburant avec le combustible injecté dans la chambre de combustion tout en autorisant l'utilisant d'un système d'injection à au moins deux angles de nappe. A cet effet, la présente invention concerne un procédé destiné à assurer le mélange d'au moins un comburant et d'au moins un combustible pour 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, ledit procédé consistant à injecter le combustible selon au moins deux nappes de jets de combustible d'angle de nappe différents, une nappe inférieure d'axe de jet Cl et une nappe supérieure d'axe de jet C2, et à admettre le comburant dans la chambre de combustion selon un mouvement tourbillonnaire avec un taux de swirl, caractérisé en ce qu'il consiste, pour une position du piston considérée entre le fond du bol et l'origine des jets de combustible de la nappe supérieure, à injecter le combustible de la nappe inférieure dans une zone qui comporte un volume torique de centre B d'une manière telle que l'axe Cl des jets de combustible de la nappe soit situé entre le centre B et le téton et à introduire le comburant avec un taux de swirl inférieur ou égal à 1.4, la position D du piston correspondant à L4 + ID1/tangente a2 où L4 est la hauteur entre le fond du bol et le point d'impact des jets de combustible de la nappe supérieure, 'Dl est le diamètre d'injection haut considéré entre le points d'impact et a2 est le demi angle au sommet de la nappe supérieure. Le procédé peut consister à introduire le comburant dans la chambre de combustion dans un mouvement tourbillonnaire coaxial à celui du bol. Le procédé peut consister à injecter le combustible selon au moins deux nappes de jets de combustible situées axialement l'une au-dessus de l'autre. 10 Le procédé peut consister à injecter le combustible selon une nappe de jets de combustible avec un angle de nappe au plus égal à 130° et selon une autre nappe de jets de combustible avec un angle de nappe au moins égal à 130°. 15 L'invention concerne également 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 20 disposé au centre d'un bol concave, lesdits moyens d'injection projetant du combustible selon au moins deux nappes de jets de combustible d'angle de nappe différents, une nappe inférieure d'axe de jet Cl et une nappe supérieure d'axe de jet 02, au moins deux zones de mélange de la chambre de combustion, caractérisé en ce que l'une des zones comporte un volume torique de centre B 25 dans lequel sont injectés les jets de combustible de la nappe inférieure d'une manière telle que l'axe Cl des jets de la nappe inférieure soit situé entre le centre B et le téton et en ce que le moteur comporte des moyens pour admettre le comburant avec un taux de swirl inférieur ou égal à 1.4. 30 Les autres caractéristiques et avantages de l'invention vont apparaître à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre uniquement illustratif et non limitatif, et à laquelle sont annexées: - la figure 1 qui montre un moteur à combustion interne selon l'invention; - la figure 2 qui est une vue partielle à grande échelle d'une demi-section du profil du bol de piston du moteur de la figure 1; - la figure 3 qui est un graphique illustrant l'évolution de la puissance du moteur (P) en base 100 en fonction du taux de swirl (Ts); - la figure 4 qui illustre l'évolution de la masse de particule (mS) en base 100 en fonction du taux de swirl (Ts) et - la figure 5 qui montre l'évolution de la masse d'hydrocarbures imbrulés (mHC) en base 100 en fonction du taux de swirl (TS).

Sur les figures 1 et 2, le moteur illustré est un moteur à combustion interne à injection directe à allumage par compression comprend au moins un cylindre 10, une culasse 12 fermant le cylindre en partie haute, des moyens d'injection de combustible 14 portés par la culasse et un piston 16 d'axe XX' coulissant dans le cylindre en un mouvement rectiligne alternatif.

Par combustible, il est entendu un combustible 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.

Ce moteur comprend également un moyen d'échappement 18 des gaz brûlés avec au moins une tubulure d'échappement 20 dont l'ouverture peut être contrôlée par tous moyens, comme par exemple une soupape d'échappement 22 et un moyen d'admission 24 d'un comburant avec au moins une tubulure d'admission 26 dont l'ouverture peut être contrôlée par tous moyens, comme par exemple une soupape d'admission 28. Ce moyen d'admission est conformé de manière à admettre le comburant dans la chambre de combustion selon un mouvement tourbillonnaire (Fleche MT), c'est-à-dire un mouvement de rotation du courant de comburant autour d'un axe sensiblement parallèle ou confondu à l'axe XX', soit après son admission dans la chambre de combustion, soit dès son entrée dans cette chambre pour que le comburant se mélange avec le combustible injecté. Ce mouvement tourbillonnaire du comburant ou swirl peut être généré soit par la tubulure d'admission 26 disposée tangentiellement et de manière radiale à la chambre de combustion, dite tubulure tangentielle, soit par la tubulure d'admission 26 avec une forme hélicoïde, dite tubulure hélicoïdale, conformée pour créer un mouvement tourbillonnaire du comburant dès son introduction dans la chambre de combustion.

Par le terme comburant, 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. Les moyens d'injection comprennent au moins un injecteur de combustible 30, de préférence disposé dans l'axe XX' du piston dont le nez 32 comporte une multiplicité d'orifices au travers desquels le combustible est pulvérisé et projeté en direction de la chambre de combustion 34 du moteur. C'est à partir de ces moyens d'injection que le combustible projeté forme au moins deux nappes de jets de combustible, ici deux nappes 36 et 38 de jets de combustibles 40 et 42, qui, dans l'exemple montré, ont un axe général confondu avec celui du piston 16 tout en étant situées axialement l'une au-dessus de l'autre. Plus précisément, la nappe 36 qui est située le plus prés du piston 16 est dénommée dans la suite de la description nappe inférieure alors que la nappe 38 placée le plus loin de ce piston est appelée nappe supérieure. Comme visible sur la figure 1, ces deux nappes forment des angles de nappe Al et A2 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 Cl et C2 des jets de combustible 40 et 42.

Avantageusement, l'angle de nappe Al de la nappe basse est au plus égal à 130°, de préférence compris entre 40° et 130°, alors que l'angle de nappe A2 de la nappe haute est au plus égale à 180°, de préférence compris entre 130° et 180°. Pour des raisons de simplification dans la suite de la description l'angle al 30 correspond au demi-angle Al alors que l'angle a2 correspond au demi-angle de A2.

L'écart entre les deux angles de nappe permet ainsi de limiter les 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 les moyens d'injection ne soient pas disposés dans l'axe XX', mais dans ce cas, l'axe général des nappes de jets de combustible issues de l'injecteur de combustible est pour le moins sensiblement 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 des zones distinctes de la chambre de combustion. La chambre de combustion 34 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 44 du piston 16. Cette face supérieure du piston comporte un bol concave 46, ici d'axe confondu avec celui du cylindre, dont la concavité est tournée vers la culasse et qui loge un téton 48 situé sensiblement au centre du bol, qui s'élève vers la culasse 12, en étant de préférence coaxial avec l'axe des nappes de combustible issues de l'injecteur 30. 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 25 coaxiaux. En se rapportant plus particulièrement à la figure 2, le téton 48, de forme générale tronconique, comporte un sommet 50 de préférence arrondi, se poursuivant, en s'écartant symétriquement de l'axe XX' vers l'extérieur du piston 30 16, par une surface inclinée 52 sensiblement rectiligne se poursuivant par un flanc inclinée 54 pour arriver à un fond 56 du bol.

Bien entendu et cela sans sortir du cadre de l'invention, la surface inclinée 52 peut être inexistante (longueur nulle) et le flanc incliné 54 raccorde alors le sommet du téton au fond du bol.

Dans l'exemple de la figure 2, le fond de ce bol est arrondi avec une surface arrondie concave 58 en arc de cercle de rayon R1, dite surface arrondie interne, raccordée au bas du flanc incliné 54 et une autre surface arrondie concave 60 en arc de cercle de rayon R2, dite surface arrondie externe, raccordée par une de ses extrémités à l'extrémité basse de la surface arrondie interne à un point M et par l'autre de ses extrémités à une paroi latérale 62, ici sensiblement verticale, à un point N. Les deux surfaces arrondies 58 et 60 délimitent ainsi la partie basse d'un volume torique, ici un tore de section sensiblement cylindrique 64 et de centre B dont le rôle sera explicité dans la suite de la description.

La paroi latérale 62 se poursuit, toujours en s'écartant de l'axe XX', par une surface arrondie convexe 66 en arc de cercle de rayon R3, dite réentrant, aboutissant à un plan inclinée 68 relié à une surface d'inflexion concave 69 raccordée à une surface sensiblement plane 70. Cette surface plane se continue par une surface convexe externe 72 en arc de cercle de rayon R5 qui arrive à une surface plane 74 s'avançant jusqu'au voisinage de la paroi du cylindre. La chambre de combustion comprend ainsi 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 de gaz brûlés recirculés et le combustible provenant de l'injecteur ainsi que la combustion du mélange carburé ainsi formé. La zone Z1 délimitée par le téton 48, le tore 64 du fond du bol, la paroi 62 et la surface arrondie convexe 66, forme la zone basse de la chambre de combustion qui est associée à la nappe inférieure 36 de jets de combustible d'axe Ci, et la zone Z2 démarquée par le plan incliné 68, la surface concave 69, la surface sensiblement plane 70, la surface convexe 72, la surface plane 74, la paroi interne périphérique du cylindre et la culasse 12 constitue la zone haute de cette chambre qui est associée à la nappe supérieure 38 de jets de combustible d'axe C2.

Dans cette configuration, le bol comprend, pour une position du piston proche du point mort haut : - un diamètre de fond de bol FD avec un rayon considéré entre l'axe XX' et le point M le plus bas du bol, c'est à dire à l'intersection entre les surfaces de rayons R1 et R2, - un diamètre de l'ouverture de bol BD avec un rayon considéré au voisinage du fond du bol et correspondant à une distance prise entre l'axe XX' et le point le plus éloigné de la surface concave externe 60, - un diamètre de col GD avec un rayon qui correspond à la distance entre l'axe XX' et la paroi verticale 62 qui délimite la section de sortie de ce bol, - un diamètre d'injection haut Dl avec un rayon qui correspond à la distance entre l'axe XX' et le début de la surface d'inflexion 69 au point P entre le plan incliné 68 et la surface concave 70 en délimitant une longueur L6 des jets 38 entre l'origine T2 de l'axe C2 des jets sur l'axe du nez de l'injecteur et le point P et qui répond à la formule 'Dl /sinus a2, - une longueur développée de la demi-coupe diamétrale Cb du bol - constituée par la longueur depuis l'intersection du sommet du téton avec l'axe XX' jusqu'à la paroi du cylindre, - une hauteur H de téton entre le fond du bol au point M jusqu'au sommet du téton, - une hauteur L du bol entre le fond du bol au point M jusqu'à la surface plane 74, - une hauteur de jonction L3, qui correspond à l'étendu de la paroi latérale 62, considérée entre la fin de la surface arrondie externe 60 au point N et le début de la surface arrondie externe 66, - une hauteur L4 considérée entre le point P et le point M, - un angle d'inclinaison a3 par rapport à une verticale pour le flanc incliné 54, - un angle d'inclinaison a4 formé par l'axe principal Cl des jets de combustible de la nappe inférieure 36 impactant le tore avec la tangente au point d'impact F en délimitant une longueur L5 des jets 40 entre l'origine Ti de l'axe Cl des jets sur l'axe du nez de l'injecteur et le point F. Cette longueur L5 répond à la formule 1D2/sinus al avec ID2 qui correspond à un diamètre d'injection bas avec un rayon qui correspond à la distance entre l'axe XX' et le point F, - un angle d'inclinaison a5 considéré à la tangence de la surface arrondie externe 60 avec la paroi latérale 62 au point N, - un angle d'inclinaison a6 par rapport à l'horizontal et la tangente à la paroi sensiblement plane 70, - un angle d'inclinaison a7 par rapport à l'horizontale et le plan incliné 68 au point d'intersection P. Tous ces paramètres sont appréciés pour une position du piston 16 au voisinage du point mort haut qui correspond à une distance D considérée entre le point M et l'origine T2 de l'axe C2 des jets 42. Plus précisément, cette distance D est égale à la somme de la hauteur L4 et de la hauteur C, hauteur C qui correspond à la hauteur axiale entre l'origine T2 et le point P. Cette hauteur correspond à la formule ID1/tangente a2.

Ainsi, les paramètres dimensionnels et angulaires de ce bol satisfont à au moins l'une des conditions suivantes : - l'angle a4 est supérieur à 80°. Ceci revient à faire passer plus de la moitié du jet de combustible entre le centre B du tore 64 et le téton et plus précisément la partie basse au niveau du point M et donc d'assurer un mouvement aérodynamique dans le tore remontant vers le haut du cylindre, - l'angle a5 doit être positif et inférieur à 90°. Préférentiellement, il doit être de l'ordre de 30° à 40° afin de diriger les jets de combustible 40 de la nappe inférieure 36 vers le volume de comburant Si pour utiliser le comburant de cette zone tout en limitant la remontée de ce combustible vers la nappe supérieure 38, - le volume Si de comburant situé entre les jets 40 de combustible de la nappe inférieure est minimisé, toujours dans le souci d'optimiser l'utilisation du comburant dans la chambre, - la position du haut du téton 48 est la plus proche possible du nez 32 de l'injecteur 30 afin de limiter le volume de comburant sous l'injecteur qui ne sera pas impacté par les jets de combustible, ce qui revient encore une fois à minimiser le volume Si. Ainsi le rapport H/L est supérieur à 40% et préférentiellement supérieur à 60%, - l'angle a3 est sensiblement égal ou supérieur à l'angle al de la nappe inférieure (-10 °<a3-al <10 °). Ceci afin d'utiliser le flanc 54 du téton pour guider les jets de combustible 40 dans le tore 64 tout en permettant que ces jets se vaporisent totalement avant d'impacter le piston, - le volume de comburant S2 entre les deux nappes est non nul puisque l'interaction entre nappes est néfaste pour les polluants. Le volume S2 doit néanmoins être minimisé. Pour se faire, la longueur de jonction L3 entre le tore et le réentrant 66 (surface arrondie convexe de centre R3) doit être telle que L3/(2*Iongueur de R2)<1 ou (L3/longueur de R2<2) afin d'assurer que le volume de comburant S2 disponible entre les nappes supérieure 38 et inférieure 36 est faible par rapport au volume de combustible généré par les jets de la nappe inférieure, - la deuxième zone de combustion Z2 située dans la partie haute du piston qui débute à partir du réentrant 66 est destinée aux jets de combustible 42 de la nappe supérieure 38, - le volume de combustion de la zone Z2 est au moins égal au dixième du volume total du bol, - la zone, dite de chasse, est formée par le plan incliné 68, la surface concave 69, la surface plane 70, la surface convexe 72 et la surface plane 74. L'angle a6 est compris entre 100 et 75°, ce qui permet d'éclater les jets de combustible 42 pour créer un mouvement aérodynamique au-dessus du piston et additionnellement d'aller utiliser le comburant dans la zone de chasse. Cet aérodynamique permet un meilleur mélange combustible/comburant au-dessus du piston, notamment pendant la détente et favoriser ainsi l'oxydation des gaz brûlés, - pour favoriser l'impact des jets 42 sur la chasse, une surface 68 de guidage est prévue entre le réentrant 66 et la surface 70. Cette surface de guidage peut être arrondie en prolongement du réentrant ou sensiblement plane. Cette surface de guidage sert à concentrer les jets de combustible 42 et à les guider vers la surface convexe 72. Ainsi cette surface de guidage a un angle a7 au point d'intersection P dont l'écart avec l'angle de nappe a2 est de moins de 45°, - l'emplacement de la surface d'inflexion 69 est telle que les distances L5 et L6 sont approximativement du même ordre (0.5<L5/L6<2). Ainsi, avantageusement les jets de combustible impacteront sensiblement en même temps le piston dans respectivement le tore et la zone d'inflexion. Plus généralement, le diamètre ID1 doit être telle que ID1/GD>1 et ID1<(GD+ (Cb-GD)*2/3). Ceci permet aux jets de combustible 42 d'optimiser l'aérodynamique au dessus du piston. De plus, - le rapport BD/L est inférieur à 6, préférentiellement inférieur à 4, - le rapport R2/R1 est inférieur à 1, préférentiellement inférieur à 0.6, - le rapport FD/BD est inférieur à 1, - le rapport Cb/BD est inférieur à 2 pour conserver une vaporisation complète du combustible et éviter le mouillage de la paroi du cylindre, - le rapport GD/BD est compris entre 0.7 et 1 pour l'aérodynamique du tore et la remontée des jets de combustible, - le rapport H/L est supérieur à 40%, préférentiellement supérieur à 60% pour minimiser le volume de comburant entre le nez de l'injecteur et le téton, - le rapport L5/L6 est compris entre 0.5 et 2 pour l'impact des deux nappes au même moment, - Al est compris entre 40° et 130° avec al =A1/2, - A2 est compris entre 130° et 180° avec a2=A2/2, - a3 est sensiblement égal à ai, - a4 est supérieur à 80°, - a5 est compris entre 0° et 90°, de préference sensiblement de 30° à 40°, - l'angle a6 est compris entre 15° et 75°, - a7-a2 est inférieur à 45 - le rapport ID1/GD est supérieur à 1, - Dl est inférieur à (GD-F(Cb-GD)*2/3). Ainsi, grâce à ce paramétrage du bol, les jets de combustible de la nappe inférieure 36 ciblent directement le tore 64 et n'impactent pas directement le réentrant 66. De ce fait, la combustion du mélange combustible/comburant inférieur se déroule essentiellement dans le volume du tore alors que la combustion du mélange combustible/comburant supérieure se déroule essentiellement dans la chasse et au dessus du piston. De plus, l'interaction des jets de la nappe supérieure avec les jets de la nappe inférieure est limitée, ce qui permet d'homogénéiser le mélange comburant/combustible tout en respectant des contraintes de tenue mécanique à forte charge. Dans le cas ou un fort taux de swirl est utilisé, les vitesses tangentielles du comburant deviennent prédominantes devant les vitesses sensiblement axiales des jets de combustible vaporisés qui impactent dans le bol. De ce fait, les jets de combustible de la nappe inférieure ne peuvent pas sortir du bol puisque qu'ils sont redirigés par le comburant. Ceci est d'autant plus vrai que la vitesse des jets de combustible est faible et donc que la pression d'injection est faible.

Il est important que le combustible ne reste pas confiné dans le bol mais puisse ressortir pour utiliser un maximum de comburant lors de la combustion, notamment celui disponible dans le volume S2 et ainsi diminuer les émissions de polluants tels que les suies et les hydrocarbures imbrulés. Ceci permet d'augmenter les richesses dans la chambre de combustion et en conséquence d'augmenter les performances du moteur. Dans le cas d'un système d'injection avec au moins deux angles de nappe et deux zones de combustion, comme décrit précédemment, les forts taux de swirl sont d'autant plus problématiques puisque les nappes de combustible ne sont pas soumises à la même intensité de swirl. En effet, l'intensité de swirl dans le bol est plus forte que dans le reste de la chambre. Ainsi les jets de combustible de la nappe inférieure seront encore plus déviés par le swirl que ceux de la nappe supérieure, ce qui augmente la superposition des jets de combustible inférieurs et supérieurs.

Cette superposition dégrade la combustion et augmente l'émission de polluants tels que les fumées et les imbrûlés. En utilisant un faible taux de swirl de l'ordre de 1.4, le combustible vaporisé peut sortir du bol puisque les vitesses tangentielles du comburant sont plus faibles et ne dévient plus la vitesse sensiblement axiale des jets qui possèdent ainsi assez d'énergie pour sortir du bol. De plus, l'utilisation d'un faible taux de swirl, couplé à une utilisation d'un système d'injection à double nappe et une chambre de combustion à deux zones de combustion permet d'éviter la superposition des jets, ce qui ne peut que baisser les émissions de polluants comme les suies et les hydrocarbures imbrûlés en améliorant le mélange et la qualité de la combustion.

A titre d'exemple, le demandeur a effectué des simulations numériques de mécanique des fluides en écoulements réactifs dont les résultats sont présentés sur les figures 3 à 5. Pour ces simulations, le demandeur à utiliser un moteur à combustion interne avec un combustible de type Diesel et comprenant une chambre de combustion présentant deux zones de combustion et un système d'injection avec deux angles de nappe. Selon les résultats de la figure 3, qui montre un graphique portant en ordonnés la puissance du moteur (P en base 100) et en abscisse les taux de swirl (Ts), la puissance du moteur baisse de près de 5% pour un taux de 2. Pour un taux de swirl allant jusqu'à 1.4, la baisse en puissance est moins importante puisqu'elle n'est que de 1.5%. Selon les résultats de la figure 4, qui montre un graphique portant en ordonnés la masse de particules de suies (mS en base 100) et en abscisse les taux de swirl (Ts), la masse de suies baisse significativement en baissant le taux de swirl. Pour un taux de swirl baissant de 2 à 1.4, la baisse de la masse de suies est d'environ 40%.

Selon les résultats de la figure 5, qui montre un graphique portant en ordonnés la masse d'hydrocarbures imbrûlés (mHC en base 100) et en abscisse les taux de swirl (Ts), la masse d'imbrûlés baisse significativement en baissant le taux de swirl. Pour un taux de swirl baissant de 2 à 1.4, la baisse de la masse d'imbrûlés est d'environ 50%.

Ainsi, il peut être constaté qu'un taux de swirl inférieur ou égal à 1.4 permet d'obtenir une combustion procurant un maximum de puissance au moteur tout en améliorant le qualité de la combustion, ce qui diminue les émissions d'hydrocarbures imbrûlés et les particules de suies. En outre, il peut être remarqué que l'utilisation d'un faible taux de swirl permet l'utilisation d'une culasse à forte perméabilité et est donc avantageuse pour un moteur haute performance.10

Claims (4)

1. REVENDICATIONS1) Procédé destiné à assurer le mélange d'au moins un comburant et d'au moins un combustible pour 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 (34) délimitée sur un côté par la face supérieure (44) du piston comportant un téton (48) s'érigeant en direction de la culasse et disposé au centre d'un bol concave (46), ledit procédé consistant à injecter le combustible selon au moins deux nappes de jets de combustible d'angle de nappe différents (Ai, A2), une nappe inférieure (36) d'axe de jet Cl et une nappe supérieure (38) d'axe de jet C2, et à admettre le comburant dans la chambre de combustion selon un mouvement tourbillonnaire avec un taux de swirl (Ts), caractérisé en ce qu'il consiste, pour une position D du piston (16) considérée entre le fond du bol (M) et l'origine (T2) des jets de combustible de la nappe supérieure, à injecter le combustible de la nappe inférieure (36) dans une zone (Z1) qui comporte un volume torique (64) de centre B d'une manière telle que l'axe Cl des jets de combustible de la nappe soit situé entre le centre B et le téton (48) et à introduire le comburant avec un taux de swirl inférieur ou égal à 1.4, la position D du piston correspondant à L4 + ID1/tangente a2 où L4 est la hauteur entre le fond du bol et le point d'impact (P) des jets de combustible de la nappe supérieure, Dl est le diamètre d'injection haut considéré entre le point d'impact (P) et a2 est le demi angle au sommet de la nappe supérieure.
2. 2) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste à introduire le comburant dans la chambre de combustion dans un mouvement tourbillonnaire coaxial à celui du bol (46).
3. 3) Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il consiste à injecter le combustible selon au moins deux nappes de jets de combustible (36, 38) situées axialement l'une au-dessus de l'autre.3) Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il consiste à injecter le combustible selon une nappe de jets de combustible (36) avec un angle de nappe (Al) au plus égal à 1300 et selon une autre nappe de jets de combustible avec un angle de nappe (A2) au moins égal à 1300 .
4. 4) 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 (34) délimitée sur un côté par la face supérieure (44) du piston comportant un téton (48) s'érigeant en direction de la culasse et disposé au centre d'un bol concave (46), lesdits moyens d'injection projetant du combustible selon au moins deux nappes de jets de combustible d'angle de nappe différents (Al, A2), une nappe inférieure (36) d'axe de jet Cl et une nappe supérieure (38) d'axe de jet C2, au moins deux zones de mélange (Z1, Z2) de la chambre de combustion, caractérisé en ce que l'une des zones comporte un volume torique (64) de centre B dans lequel sont injectés les jets de combustible (40) de la nappe inférieure d'une manière telle que l'axe Cl des jets de la nappe inférieure soit situé entre le centre B et le téton (48) et en ce que le moteur comporte des moyens pour admettre le comburant avec un taux de swirl inférieur ou égal à 1.4.