FR3047043A1

FR3047043A1 - Moteur a combustion interne a taux de compression variable avec deux zones de melange, notamment pour vehicule automobile et procede d'injection pour un tel moteur.

Info

Publication number: FR3047043A1
Application number: FR1650592A
Authority: FR
Inventors: Paola Gaetano De; Jean-Marc Zaccardi; Philippe Degeilh; Stephane Chevillard
Original assignee: IFP Energies Nouvelles IFPEN
Current assignee: IFP Energies Nouvelles IFPEN
Priority date: 2016-01-26
Filing date: 2016-01-26
Publication date: 2017-07-28
Anticipated expiration: 2036-01-26
Also published as: EP3408513A1; FR3047043B1; US20190040789A1; WO2017129386A1; CN108474291A; JP2019503451A

Abstract

Moteur à combustion interne à injection directe à taux de compression variable comprenant au moins un cylindre (10), une culasse (12) portant un moyen d'injection de carburant (14) projetant du carburant selon une seule nappe (34) de jets de carburant (36), un piston (16) coulissant dans ce cylindre, et une chambre de combustion (32) délimitée sur un côté par la face supérieure (42) du piston comportant un téton (46) s'érigeant en direction de la culasse et disposé au centre d'un bol concave (44). Selon l'invention, la chambre de combustion comprend au moins deux zones de mélange (Z1, Z2) dans lesquelles sont injectés les jets de carburant (36), l'une (Z1) des zones étant utilisée pour un taux de compression maximal (Tmax) et l'autre (Z2) des zones étant utilisée pour un taux de compression minimal (Tmini).

Description

La présente invention se rapporte à un moteur à combustion interne à injection directe de carburant avec taux de compression variable, notamment pour véhicule automobile, et à un procédé d'injection pour un tel moteur.

Les systèmes de combustion des moteurs à combustion interne doivent répondre aux demandes de réduction des émissions de polluants, d’augmentation du couple et de la puissance spécifique ainsi que de la réduction du bruit de combustion, tout en restant compatibles avec les critères de tenue en endurance.

Pour pouvoir répondre à cette demande, il est possible de modifier le taux de compression du moteur à combustion en fonction de la demande de puissance.

Comme cela est généralement admis, le taux de compression d'un moteur est le rapport entre le volume de la chambre de combustion lorsque le piston est en position de point mort bas et le volume de cette chambre lorsqu'il est en position de point mort haut, dit volume mort.

De nombreux dispositifs permettent de modifier la position spatiale du piston dans le cylindre.

Plus particulièrement, certains de ces dispositifs offrent la possibilité de changer le taux de compression de ce moteur en modifiant le volume mort de la chambre de combustion au point mort haut du piston. Pour cela, il suffit de modifier la position finale du piston par rapport à la culasse lorsqu'il est à son point mort haut.

Ainsi pour un taux de compression minimal (volume mort maximal), la distance entre le haut du piston et la culasse est plus grande que celle relative à un taux de compression maximal (volume mort minimal).

Cependant de tels moteurs avec taux de compression variable (VCR en anglais pour "Variable Compression Ratio") présentent des inconvénients non négligeables.

En effet comme mieux décrit dans la demande FR 2 891 867, ce type de moteur comprend généralement un cylindre, un piston comprenant un téton disposé dans un bol concave et coulissant dans ce cylindre en un mouvement rectiligne alternatif, des moyens d’admission d'un comburant, des moyens d’échappement de gaz brûlés, des moyens pour faire varier la position du point mort haut du piston, et des moyens d'injection pour injecter un carburant dans la chambre de combustion de ce moteur.

Comme détaillé dans ce document de l'art antérieur, les moyens d'injection de carburant comprennent un injecteur avec deux rangées d'orifices d'injection superposées permettant d'injecter le carburant sous la forme d'une ou deux nappes de jets de carburant superposées.

Ainsi, pour un taux de compression élevé, le carburant est injecté selon une seule nappe de jets et, pour un taux de compression faible, le carburant est injecté selon les deux angles de nappes.

Ce type de moteur nécessite donc un injecteur multi nappes de carburant qui est d'élaboration complexe et qui doit obligatoirement être associé avec un dispositif de contrôle sophistiqué pour rendre opérationnel l'une et/ou l'autre nappe de jets de carburant.

De plus, ce type de moteur avec taux de compression variable par une variation de la distance piston/culasse a un inconvénient géométrique majeur.

En effet, par la modification de la distance piston/culasse, le positionnement relatif de l’injecteur et des jets de carburant est modifié par rapport au bol du piston.

De ce fait, on modifie donc profondément la répartition du carburant dans la chambre ainsi que tout le processus de combustion puisqu’un bol n’est généralement optimisé que pour des conditions géométriques « fixes », c’est-à-dire avec une position fixe du piston au point mort haut.

Ainsi, pour optimiser un tel moteur à taux de compression variable, il est nécessaire de redéfinir une forme de bol de piston qui puisse être totalement insensible à la position relative de l’injecteur, ou tout du moins efficace quelle que soit cette position de l’injecteur.

La présente invention se propose de remédier à ces inconvénients avec un moteur qui comprend un injecteur conventionnel avec une seule nappe de jets de carburant qui injecte le carburant dans des zones de mélanges et de combustion de la chambre de combustion et cela quel que soit le taux de compression utilisé pour le moteur. A cet effet, la présente invention concerne un moteur à combustion interne à injection directe à taux de compression variable comprenant au moins un cylindre, une culasse portant un moyen d'injection de carburant projetant du carburant selon une seule nappe de jets de carburant, un piston coulissant dans ce cylindre, et 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, caractérisé en ce que la chambre de combustion comprend au moins deux zones de mélange dans lesquelles sont injectés les jets de carburant, l'une des zones étant utilisée pour un taux de compression maximal et l'autre des zones étant utilisée pour un taux de compression minimal. L'une des zones peut être associée à l'autre des zones pour le taux de compression minimal.

Les zones de mélange peuvent être situées axialement l'une au-dessus de l'autre.

Les zones de mélange peuvent être délimitées l'une de l'autre par une saillie radiale. L'une des zones de mélange peut comprendre une surface concave raccordée à une autre surface concave pour former la partie basse d'un volume torique. L'autre des zones de mélange peut comprendre une surface concave raccordée à une surface convexe pour former une barrière.

Le moteur peut comprendre un piston avec un bol qui comporte un diamètre de bol BD, un diamètre de col GD, un diamètre d’inflexion bas ID1, un diamètre d'inflexion haut ID2, une hauteur H de téton, une hauteur L du bol, une hauteur L1 du diamètre d'inflexion ID1, un angle d'inclinaison a3, un rayon R pour la surface arrondie concave du tore et un rayon R2 pour la surface arrondie concave, les dimensions du bol pouvant satisfaire à au moins l'une des conditions suivantes : • le rapport BD/L est sensiblement compris entre 1,3 et 1,8, • le rapport GD/BD est sensiblement compris entre 0,9 et 0,95 pour l'aérodynamique du tore et la remontée des jets de carburant, • le rapport H/L est sensiblement inférieur à 0,6 et sensiblement supérieur à 0,5 pour minimiser le volume de comburant entre le nez de l'injecteur et le téton, • le rapport L/L1 est sensiblement compris entre 1, 15 et 1,7 • le rapport R2/R est sensiblement compris entre 0,25 et 1, • le rapport GD/ID est sensiblement compris entre 0,65 et 0,9, • a3 est sensiblement compris entre 50 et 70°, • le diamètre de bol BD est plus petit que le diamètre ID2. L'invention concerne également un procédé d'injection de carburant pour un moteur à combustion interne à injection directe à taux de compression variable comprenant au moins un cylindre, une culasse portant un moyen d'injection de carburant projetant du carburant selon une seule nappe de jets de carburant, un piston coulissant dans ce cylindre, et 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, caractérisé en ce que, pour un taux de compression maximal, on injecte le carburant dans une zone de mélange de la chambre de combustion et, pour un taux de compression minimal, on injecte le carburant dans une autre zone de mélange de ladite chambre de combustion.

Pour le taux de compression minimal, on peut injecter le carburant dans les deux zones de mélange.

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 montre un moteur à combustion interne avec un taux de compression variable selon l'invention, dans une configuration pour un taux de compression, - la figure 2 qui est une autre vue du moteur de la figure 1 pour un autre taux de compression, et - la figure 3 qui est une vue locale partielle à grande échelle du profil du bol des figures 1 et 2.

Les figures 1 et 2 illustrent, de manière non limitative, un moteur à combustion interne avec taux de compression variable et à injection directe de carburant.

Ce moteur est avantageusement un moteur à allumage par compression utilisant un carburant de type Diesel.

Bien entendu tout autre carburant ayant les caractéristiques physicochimiques permettant le fonctionnement d'un moteur de type allumage par compression incluant un système d'injection directe peut être utilisé, comme du kérosène.

Ce moteur comprend au moins un cylindre 10, une culasse 12 fermant le cylindre en partie haute, des moyens d'injection de carburant 14 portés par la culasse et un piston 16 d’axe XX coulissant dans le cylindre en un mouvement rectiligne alternatif.

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.

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 un injecteur de carburant 30, de préférence disposé dans l’axe XX du piston, dont le nez comporte une multiplicité d'orifices au travers desquels le carburant est pulvérisé et projeté en direction de la chambre de combustion 32 du moteur. C'est à partir de cet injecteur que le carburant projeté forme une seule nappe 34 de jets de carburant 36 d'angle de nappe A1 qui, dans l’exemple montré, a un axe général confondu avec celui du piston XX.

Par angle de nappe, il est entendu l’angle au sommet que forme le cône de jets issu de l’injecteur et dont la paroi périphérique fictive passe par tous les axes 38 des jets de carburant 36.

La chambre de combustion 32 est délimitée par la face interne de la culasse 40 en vis à vis du piston, la paroi interne circulaire 41 du cylindre 10 et la face supérieure 42 du piston 16.

Cette face supérieure du piston comporte un bol concave 44, ici d'axe confondu avec celui du cylindre, dont la concavité est tournée vers la culasse et qui loge un téton 46 situé sensiblement au centre du bol, qui s’élève vers la culasse 12, en étant de préférence coaxial avec l’axe de la nappe de jets de carburant.

Comme mieux illustré sur les figures, le téton 46, de forme générale tronconique, comporte un sommet 48 de préférence arrondi, se poursuivant, en s’écartant symétriquement de l'axe XX vers l’extérieur du piston, par une surface inclinée 50 sensiblement rectiligne pour arriver à un fond 52 du bol.

Dans l'exemple des figures, le fond de ce bol est arrondi avec une surface arrondie concave 54 en arc de cercle, dite surface arrondie interne, raccordée au bas du flanc incliné et une autre surface arrondie concave 56 en arc de cercle, dite surface arrondie externe, raccordée par une de ses extrémités à l'extrémité basse de la surface arrondie interne et par l'autre de ses extrémités à une paroi latérale 58, ici sensiblement arrondie en direction de l'axe XX, en formant ainsi une saillie radiale 59 en direction du téton.

Les deux surfaces arrondies 54 et 56 délimitent ainsi la partie basse d'un volume torique 60 (ou tore) délimité en partie haute par la saille 59.

La paroi latérale arrondie 58 se poursuit, toujours en s'écartant de l'axe XX, par une surface arrondie concave 62 qui se continue par une surface convexe externe 64 qui arrive à une surface plane 66 s'avançant jusqu'au voisinage de la paroi 41 du cylindre. Les surfaces 62 et 64 formant alors une barrière 67 dont le rôle sera explicité dans la suite de la description.

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 carburant provenant de l'injecteur, ainsi que la combustion du mélange carburé ainsi formé lorsque les conditions physico-chimiques de ce mélange sont assurées pour assurer une telle combustion.

La zone Z1, qui est délimitée par le téton 46, le tore 60 du fond du bol et la saillie radiale 59, forme la zone basse de la chambre de combustion. La zone Z2, qui est délimitée à partir de la saillie 59 par la surface concave 62, la surface convexe 64, la surface plane 66, la paroi interne périphérique du cylindre et la face interne 40 de la culasse 12 constitue la zone haute de cette chambre qui est placée au-dessus de la zone basse.

Comme mentionné plus haut, le moteur des figures 1 et 2 est un moteur à taux de compression variable avec un changement de taux de compression par modification du volume mort de la chambre de combustion au point mort haut du piston en modifiant la position finale du piston par rapport à la culasse.

De nombreux dispositifs bien connus de l'homme du métier permettent d'arriver à un tel résultat, comme la mise en place d'un excentrique entre le maneton du vilebrequin et la tête de la bielle, tel que cela est mieux décrit dans le brevet français N° 2 801 932.

Ainsi, pour un taux de compression maximal Tmax avec un volume mort minimal (figure 1), le piston est au point mort haut (PMHimax) avec une distance Djmax entre le haut du piston et la face 40 de la culasse. Pour un taux de compression minimal Tmini avec un volume mort maximal (figure 2), le piston est au point mort haut (PMHimini) avec une distance Djmini, entre le haut du piston et la face 40 de la culasse, qui est plus grande que Dimax-

Ce moteur est associé à un calculateur (non représenté), dit calculateur moteur, contenant des cartographies de fonctionnement du moteur en fonction de différents paramètres, tels que le régime ou la charge de ce moteur, pour déterminer le taux de compression adéquat, et des moyens de gestion de l'injection du carburant en fonction du taux de compression avec lequel le moteur est en fonctionnement.

En cas de fonctionnement du moteur avec un taux de compression maximal (figure 1), le calculateur contrôle le dispositif de variation du taux de compression de manière à ce que le piston se trouve en PMHimax·

Pour cette position du piston, le calculateur contrôle les paramètres d'injection du carburant de façon à ce que les jets de carburant 36 soient envoyés dans la zone de mélange Z1 de la chambre de combustion.

Grâce à ce paramétrage, les jets de carburant de la nappe 34 ciblent directement le tore 60 en réalisant un cheminement selon la flèche F1 pour un meilleur mélange air/carburant et permettant une combustion quasiment complète dans ce tore.

De plus, grâce à la présence de la saillie radiale 59, le carburant ne peut remonter dans la partie haute du piston et la combustion se produit pour l'essentiel dans la zone Z1.

Pour un taux de compression minimal (figure 2), le calculateur contrôle le dispositif de variation du taux de compression de manière à ce que le piston se trouve en PMHjmini (figure 2).

Pour cette position du piston, le calculateur contrôle les paramètres d'injection du carburant de façon à commander l'introduction des jets de carburant 36 dans la zone de mélange Z2 de la chambre de combustion pour qu'ils viennent impacter la surface concave 62 et se développe selon la flèche F2.

Par cela la combustion se réalise en partie haute de la chambre de combustion et les surfaces 62 et 64 forment une barrière qui empêche la dispersion du carburant vers la paroi interne 41 du cylindre, et permet ainsi de limiter le transfert de matière charbonneuse résultant de la combustion dans l'huile recouvrant la paroi 41.

De manière préférentielle, pour le taux de compression minimal, cette injection peut être réalisée d'une telle manière que les jets de carburant viennent impacter le bord externe de la saillie 59 la plus proche du téton. Suite à cela, les jets de carburant se séparent en deux flux de carburant, l'un des flux étant introduit dans la zone Z1 et l'autre des flux dans la zone Z2, comme illustré par les flèches F1 et F2 de la figure 2, pour que la combustion se réalise dans ces deux zones.

On se réfère maintenant à la figure 3 qui illustre, à plus grande échelle et de manière non limitative, une partie du profil du bol décrit plus haut.

Dans cette configuration, le bol comprend : - un diamètre 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 56 par apport à cet axe, - un diamètre de col GD avec un rayon qui correspond à la distance entre l’axe XX et l'extrémité de saillie radiale 59 la proche du téton et qui délimite ainsi la section de sortie de la zone Z1 de ce bol, - un diamètre d'inflexion bas ID1 avec un rayon qui correspond à la distance entre l’axe XX et le point d'inflexion entre la paroi 58 de la saillie 59 et la surface concave 62, - un diamètre d'inflexion haut ID2 avec un rayon qui correspond à la distance entre l’axe XX et le point d'inflexion entre la surface convexe 64 et la surface plane 66, - une hauteur Fl de téton entre le fond du bol jusqu'au sommet du téton 46, - une hauteur L du bol entre le fond du bol jusqu'à la surface plane 66, - une hauteur L1 pour le diamètre ID1 considérée entre le point d'inflexion entre la paroi 58 de la saillie 59 et la surface concave 62 et le fond du bol, - un angle d'inclinaison a3, angle que fait la surface inclinée 50 du téton par rapport à une verticale, - un rayon R pour la surface arrondie concave 56 du tore 60, - un rayon R2 pour la surface arrondie concave 62.

Les dimensions du bol peuvent satisfaire à au moins l'une des conditions suivantes : • le rapport BD/L est sensiblement compris entre 1,3 et 1,8, • le rapport GD/BD est sensiblement compris entre 0,9 et 0,95 pour l'aérodynamique du tore et la remontée des jets de carburant, • le rapport H/L est sensiblement inférieur à 0,6 et sensiblement supérieur à 0,5 pour minimiser le volume de comburant entre le nez de l'injecteur et le téton, • le rapport L/L1 est sensiblement compris entre 1, 15 et 1,7 • le rapport R2/R est sensiblement compris entre 0,25 et 1, • le rapport GD/ID est sensiblement compris entre 0,65 et 0,9, • a3 est sensiblement compris entre 50 et 70° • le diamètre de bol BD est plus petit que le diamètre d'inflexion haut ID2.

Ainsi, grâce à ce paramétrage du bol, la combustion du mélange combustible/comburant pour le taux de compression maximal se déroule essentiellement dans le volume du tore alors que la combustion du mélange combustible/comburant pour le taux de compression minimal se déroule essentiellement dans la zone supérieure et au-dessus du piston, et préférentiellement dans le volume du tore ainsi que dans la zone supérieure et au-dessus du piston.

Claims

REVENDICATIONS 1) Moteur à combustion interne à injection directe à taux de compression variable comprenant au moins un cylindre (10), une culasse (12) portant un moyen d’injection de carburant (14) projetant du carburant selon une nappe (34) de jets de carburant (36), un piston (16) coulissant dans ce cylindre, et une chambre de combustion (32) délimitée sur un côté par la face supérieure (42) du piston comportant un téton (46) s'érigeant en direction de la culasse et disposé au centre d’un bol concave (44), caractérisé en ce que la chambre de combustion comprend au moins deux zones de mélange (Z1, Z2) dans lesquelles sont injectés les jets de carburant (36), l'une (Z1) des zones étant utilisée pour un taux de compression maximal (Tmax) et l'autre (Z2) des zones étant utilisée pour un taux de compression minimal (Tmini).
2) Moteur à combustion interne selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'une (Z1) des zones est associée à l’autre des zones (Z2) pour le taux de compression minimal (Tmini).
3) Moteur à combustion interne selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les zones de mélange (Z1, Z2) sont situées axialement l'une au-dessus de l'autre.
4) Moteur à combustion interne selon la revendication 3, caractérisé en ce que les zones de mélange (Z1, Z2) sont délimitées l'une de l'autre par une saillie radiale (59).
5) Moteur à combustion interne selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'une (Z1) des zones de mélange comprend une surface concave (54) raccordée à une autre surface concave (56) pour former la partie basse d'un volume torique (60).
6) Moteur à combustion interne selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'autre (Z2) des zones de mélange comprend une surface concave (62) raccordée à une surface convexe (64) pour former une barrière (67).
7) Moteur selon les revendications 5 et 6 dans lequel le bol comprend un diamètre de bol BD, un diamètre de col GD, un diamètre d'inflexion bas ID1, un diamètre d'inflexion haut ID2, une hauteur H de téton, une hauteur L du bol, une hauteur L1 du diamètre d'inflexion ID1, un angle d'inclinaison a3, un rayon R pour la surface arrondie concave (56) du tore (60) et un rayon R2 pour la surface arrondie concave (62), caractérisé en ce que les dimensions du bol satisfont à au moins l'une des condition suivantes : • le rapport BD/L est sensiblement compris entre 1,3 et 1,8, • le rapport GD/BD est sensiblement compris entre 0,9 et 0,95 pour l'aérodynamique du tore et la remontée des jets de carburant, • le rapport H/L est sensiblement inférieur à 0,6 et sensiblement supérieur à 0,5 pour minimiser le volume de comburant entre le nez de l'injecteur et le téton, • le rapport L/L1 est sensiblement compris entre 1,15 et 1,7 • le rapport R2/R est sensiblement compris entre 0,25 et 1, • le rapport GD/ID est sensiblement compris entre 0,65 et 0,9 • a3 est sensiblement compris entre 50 et 70°, • le diamètre de bol BD est plus petit que le diamètre ID2.
8) Procédé d'injection de carburant pour un moteur à combustion interne à injection directe à taux de compression variable comprenant au moins un cylindre (10), une culasse (12) portant un moyen d'injection de carburant (14) projetant du carburant selon une nappe (34) de jets de carburant (36), un piston (16) coulissant dans ce cylindre, et une chambre de combustion (32) délimitée sur un côté par la face supérieure (42) du piston comportant un téton (46) s'érigeant en direction de la culasse et disposé au centre d’un bol concave (44), caractérisé en ce que, pour un taux de compression maximal (Tmax), on injecte le carburant dans une zone de mélange (Z1) de la chambre de combustion et, pour un taux de compression minimal (Tmini), on injecte le carburant dans une autre zone de mélange (Z2) de ladite chambre de combustion.
9) Procédé d'injection selon la revendication 8, caractérisé en ce que, pour le taux de compression minimal (Tmini), on injecte le carburant dans les deux zones de mélange (Z1, Z2).