FR3088678A1 - Optimisation des canaux de diffusion de pre-chambre de combustion de moteur thermique - Google Patents

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Description

DESCRIPTION
TITRE : OPTIMISATION DES CANAUX DE DIFFUSION DE PRE-CHAMBRE DE COMBUSTION DE MOTEUR THERMIQUE
Domaine technique de l’invention
La présente invention concerne un moteur thermique à allumage commandé.
La présente invention concerne plus particulièrement une chambre à combustion de moteur thermique à allumage commandé.
La présente invention concerne plus précisément des canaux de diffusion depuis la préchambre à combustion dans une chambre à combustion principale
Etat de la technique
De manière connue, un moteur thermique à allumage commandé comporte un carter-cylindres muni de cylindres d’axes parallèles entre eux et sensiblement verticaux dans lesquels coulissent des pistons selon un mouvement de va-et-vient. Sur la face supérieure dudit carter-cylindres aussi appelée face- feu est fixée une culasse dont la face inférieure en vis-à-vis avec la face feu du carter-cylindres ferme les cylindres pour former un toit pour chacun des cylindres. De manière connue, le toit de cylindre pour les moteurs à allumage commandé présente une forme sensiblement conique.
Dans le toit de cylindre de chaque cylindre, débouchent des conduits d’admission et d’échappement dont l’ouverture/fermeture est commandée grâce à des soupapes d’admission et d’échappement.
Dans le toit de cylindre débouchent également un injecteur de carburant dans le cas d’injection directe de même qu’une bougie d’allumage.
L’espace ou volume disposé entre le toit de chambre, la paroi du cylindre et le piston forme une chambre à combustion. Dans ladite chambre à combustion sont injectés de l’air frais ou un mélange carburé ou un mélange d’air frais et de gaz brûlés par les conduits d’admission, du carburant par l’injecteur qui sont alors mélangés puis comprimés par une remontée du piston, les conduits d’échappement sont alors obturés par les soupapes d’échappement alors que les conduits d’admission sont ouverts. Un allumage par ia bougie permet alors une combustion du mélange et entraine une poussée verticale sur le piston. Les gaz brûlés ensuite sont extraits de chambre à combustion par l’ouverture des conduits d’échappement et l’obturation des conduits d’admission.
Afin d’améliorer le rendement d'un moteur thermique à allumage commandé, il est connu d’agencer un système de préchambre. Le principe de ce système de préchambre est de rajouter dans la chambre de combustion principale une chambre de combustion additionnelle qui communique avec la chambre principale par des canaux de diffusion et qui comporte au moins une bougie et potentiellement un injecteur dédié dans le cas de ia préchambre active.
Dans le cas de la préchambre active, grâce à cet injecteur dédié, on peut maîtriser la richesse dans la préchambre et on visera une richesse 1 pour laquelle la combustion est rapide et stable. L’avantage de la préchambre passive ou active est double : elle résout les problèmes d’initiation de la combustion et les problèmes de début de combustion grâce à l’éjection des gaz chauds de la préchambre vers la chambre principale. Ce système permet de générer un allumage volumique des gaz dans la chambre principale.
Le rendement d’un moteur thermique équipé de préchambre est donc supérieur à celui d’un moteur sans préchambre. Toutefois, on n’a pas un rendement optimal du moteur. En effet, il est proposé des préchambres avec quatre à six canaux de diffusion. Si on définit le taux de couverture de la préchambre comme le ratio entre le volume des gaz chauds éjectés par la préchambre et le volume au PMH, ce nombre limité de canaux conduit à des taux de couverture modérés.
La publication WO201675361 -A1 propose une préchambre à combustion d’un moteur à allumage commandé. Ladite préchambre communique avec la chambre à combustion principale avec des canaux de diffusion sensiblement parallèles à la surface supérieure du piston.
L’allumage volumique reste perfectible et ces préchambres ne permettent pas d’améliorer les fins de combustion lors de forte dilution qui restent encore trop lentes pouvant conduire à des combustions anormales engendrant des cliquetis. La combustion pousse les gaz frais vers les parois de la chambre principale et la combustion peut ne pas être complète. Ces fins de combustions lentes impliquent la nécessité de conserver un niveau de turbulence encore élevé pénalisant les échanges thermiques aux parois et le rendement du moteur.
Le but de l’invention est de remédier à ces problèmes et un des objets de l’invention est un moteur thermique à allumage commandé comportant une préchambre de combustion agencée dans la culasse et communiquant avec une chambre de combustion principale disposée en bas de la préchambre.
Présentation de invention
La présente invention concerne plus particulièrement un moteur thermique à allumage commandé de véhicule automobile comportant un carter-cylindres surmonté d’une culasse dans laquelle est agencée une préchambre de combustion connectée à un injecteur de carburant et à une bougie, et communiquant grâce à des conduits de diffusion avec une chambre à combustion principale agencée en bas de la préchambre, et délimitée par la paroi d’un cylindre, un piston mobile en coulissement dans ledit cylindre et un toit de chambre sensiblement conique, en vis-à-vis du piston, et creusé dans la culasse, les conduits de diffusion étant rectilignes et s’étendant radialement
Caractérisé en ce que l’axe de chaque conduit de diffusion est parallèle ou pratiquement parallèle à sa projection sur la surface du toit de chambre.
De manière avantageuse, les conduits de diffusion sont parallèles ou sensiblement parallèle à sa projection sur la surface du toit de chambre pour obtenir une diffusion périphérique de la combustion dans la chambre principale de combustion. Ceci permet de ne pas nécessiter de conserver un niveau de turbulence élevée.
Selon d’autres caractéristiques de l’invention :
-l’axe des conduits de diffusion forme un angle avec sa projection sur la paroi du toit de chambre positif inférieur à 5° tourné vers le cylindre.
De manière avantageuse, i’axe de chaque conduit de diffusion forme avec sa projection sur la surface du toit de chambre un angle tourné vers le cylindre inférieur à 5° sans nuire grandement au rendement du moteur, ce qui permet de disposer de la même préchambre pour des toits de chambres de combustion sensiblement identiques.
-les conduits de diffusion sont répartis autour du toit de chambre avec un angle entre conduits voisins inférieur à un seuil d’angle.
De manière avantageuse, les conduits de diffusion sont répartis autour du toit de chambre en formant un angle entre deux conduits voisins inférieur à un seuil d’angle pour permettre une diffusion périphérique homogène et couvrant de façon optimale la périphérie du cylindre.
-le seuil d’angle est de 50°.
De manière avantageuse, le seuil d’angle est de 50° pour obtenir une diffusion optimale.
-la préchambre est connectée à la chambre principale par un conduit secondaire parallèle à l’axe du cylindre.
De manière avantageuse, la préchambre est connectée à la chambre principale de combustion par un conduit secondaire de diffusion parallèle à l’axe du cylindre apte à diriger le flux de combustion dans l’axe du cylindre et permettre la combustion des gaz selon l’axe du cylindre.
-la préchambre est connectée à la chambre principale par des conduits de diffusion additionnels rectilignes dont l’axe est oblique par rapport à la surface du toit de chambre.
De manière avantageuse, la préchambre est connectée à la chambre principale de combustion par des conduits additionnels de diffusion dont l’axe est oblique par rapport à la surface du toit de chambre pour permettre une diffusion de combustion dans une zone entre la périphérie et le centre du cylindre, ce qui améliore la diffusion de la combustion dans la chambre principale de combustion.
-l’axe de chaque conduit additionnel forme avec sa projection sur la surface du toit de chambre, un angle compris entre 15° et 45°.
De manière avantageuse, la plage d’angle permet une diffusion optimale additionnelle de la combustion dans la chambre principale de combustion.
-la paroi inférieure de la préchambre débouche en saillie dans la chambre principale de combustion.
De manière avantageuse, la paroi inférieure de la préchambre débouche en saillie dans la chambre principale ce qui facilite la mise en place de la préchambre dans la culasse.
Brève description des figures
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description qui suit de modes particuliers de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemples non limitatifs et représentés sur les dessins annexés, dans lesquels :
[Fig. 1] est une vue schématique en coupe longitudinale d’une préchambre agencée au-dessus d’une chambre principale de combustion.
[Fig. 2] est une vue schématique de coupe longitudinale de toit de chambre.
[Fig. 3] est une vue schématique de dessus de coupe transversale de la chambre de combustion avec des axes de conduits de diffusion.
[Fig. 4] est une vue schématique de coupe longitudinale du toit de chambre avec des conduits additionnels de diffusion.
Description détaillée des figures
Dans la description qui va suivre, des chiffres de référence identiques désignent des pièces identiques ou ayant des fonctions similaires.
Les termes haut/bas se réfèrent à un axe vertical orthogonal au pian de joint entre une culasse et un carter-cylindres du moteur avec une direction dirigée vers la culasse.
Pour les moteurs thermiques ou à combustion et notamment pour les moteurs thermiques à allumage commandé, les challenges à relever sont une amélioration significative de leur rendement thermique, la réduction des émissions polluantes dont des oxydes d’azote, de particules fines et d’oxyde de carbone (CO2), le tout à prix abordable pour le client.
Les deux principaux leviers techniques pour améliorer le rendement d’un moteur à combustion interne 4 temps à allumage commandé sont :
* l’augmentation de son rapport volumétrique de compression (ou RVC) également appelé taux de compression, * l’augmentation du coefficient adiabatique des gaz.
Notre invention concerne les moteurs thermiques à allumage commandé.
De manière connue un moteur thermique comprend un carter-cylindres 50 comportant des cylindres 51 de révolution et parallèles entre eux selon un axe vertical X. Dans chaque cylindre 51 est disposé mobile en coulissement un piston (non représenté) selon l’axe du cylindre. Une culasse 52 est fixée au-dessus du carter-cylindres 50 et ferme chacun des cylindres par un toit de chambre 18 au niveau du plan de joint 57 entre le carter-cylindres 50 et la culasse 52. Le cylindre de moteur thermique comporte un toit de chambre 18 sensiblement conique présentant un angle au sommet. Une chambre de combustion dite chambre principale 53 de combustion est ainsi délimitée par le toit de chambre 18, la paroi 54 du cylindre et le piston. Dans le toit de chambre débouchent des conduits d’admission d’air 56 et des conduits d’échappement 55 de gaz brûlés ainsi qu’un injecteur de carburant 13 et une bougie d’allumage 12.
Une réponse aux critères cités peut être un système de préchambre.
Le principe de ce système est de rajouter dans la chambre de combustion principale une chambre de combustion additionnelle ou préchambre 10 qui communique avec la chambre principale 53 par des conduits de diffusion 17 comme représenté en figure 1. La préchambre est agencée au-dessus de la chambre à combustion selon un axe parallèle à l’axe voire confondu X du cylindre dans l’exposé qui suit pour faciliter la compréhension. Dans la préchambre débouchent au moins une bougie 12 et potentiellement un injecteur 13 dédié dans le cas d’une préchambre active. Grâce à cet injecteur dédié, on peut maîtriser la richesse dans la préchambre et on visera une richesse 1 pour laquelle la combustion est rapide et stable. L’avantage de la préchambre passive ou active est double : elle résout les problèmes d’initiation de la combustion et les problèmes de début de combustion grâce à l'éjection des gaz chauds de la préchambre vers la chambre principale. Ce système permet de générer un allumage volumique des gaz frais dans la chambre principale.
La description et les figures associées qui suivent se réfèrent à une préchambre active. Il est entendu que l’invention s'applique également à une préchambre passive c’est-à-dire sans injecteur de carburant.
Selon les figures 1 à 2, la préchambre 10 est formée dans un carter 11 dans lequel est logé un injecteur 13 et une bougie 12. La préchambre est sensiblement oblongue et peut occuper un volume de dimensions raisonnables en regard des contraintes d’encombrement par exemple 1500 mm3 avec un diamètre de l’ordre de 10mm et une hauteur de 20mm. Elle peut s’étendre longitudinalement en direction d'une extrémité de sortie 14 destinée à être enfoncée dans la chambre à combustion principale. Le carter 11 peut par exemple présenter une forme tubulaire 15 entourant cette extrémité de sortie 14 fermée par une paroi inférieure 16 qui débouche donc en saillie dans un toit de chambre la chambre principale de combustion.
De manière préférentielle, l’axe longitudinal de la préchambre 10 est confondu avec l’axe X vertical de la chambre principale de combustion 53. Pour faciliter la compréhension, dans la description qui suit, l’axe longitudinal de la préchambre est confondu avec l’axe vertical X de la chambre principale. Cependant ledit axe peut être légèrement oblique sans changer l’invention.
Dans la forme tubulaire d’extrémité 15 du carter sont creusés des conduits de diffusion 17 rectilignes qui s’étendent radialement. Les conduits s’étendent depuis la préchambre vers l’extérieur du carter 11. Les ouvertures 17’ des conduits de diffusion dans la préchambre sont agencés sur un même anneau. Selon l’invention, l’axe X1 des conduits de diffusion est parallèle à la surface du toit de chambre 18. Plus précisément l’axe X1 desdits conduits est parallèle à sa projection sur la surface du toit de chambre 18. De manière préférentielle le conduit de diffusion présente une longueur de 2 mm pour un diamètre de 1 mm. De cette forme, le conduit de diffusion est apte à acheminer les gaz brûlés ou la flamme selon la direction de l’axe X1 et donc vers la périphérie de la chambre à combustion principale 53 en longeant la surface du toit de chambre 18.
Selon un deuxième mode de réalisation représenté en figure 2, l’axe X1 du conduit de diffusion 17 est légèrement oblique par rapport à sa projection sur la surface du toit chambre 18. Les performances sont diminuées mais dans une mesure acceptable. De manière préférentielle, l’angle A1 formé entre l’axe X1 du conduit de diffusion 17 et sa projection sur la surface du toit de chambre est inférieur à 5°, ledit angle est tourné vers la chambre à combustion principale 53. L’axe du conduit de diffusion est représenté par des tirets compris entre deux limites qui sont une première limite parallèle à la projection sur la surface du toit de chambre 18 et une deuxième limite faisant un angle de 5° avec la première limite.
Selon la figure 3, on peut voir le nombre de conduits de diffusion 17. Lesdits conduits sont répartis parallèlement au toit de chambre 18 de manière préférentielle de façon uniforme, l’angle A2 entre deux conduits voisins est inférieur à un seuil d’angle qui est fixé à 50°, les axes des conduits se rejoignent en un même point sur l’axe X vertical de la chambre principale de combustion. Sur la figure 3, seuls les axes X1 des conduits de diffusion 17 sont représentés.
Selon un troisième mode de réalisation représenté en figures 1 et 2, un conduit secondaire 19 sensiblement parallèle à l’axe X connecte la préchambre 10 à la chambre principale 53 de combustion. De manière préférentielle, les caractéristiques dimensionnelles du conduit secondaire 19 peuvent être différentes de celles des conduits de diffusion 17. Ainsi grâce à ce conduit secondaire, un flux de gaz brûlés est dirigé vers le centre de la chambre principale de combustion pour améliorer l’allumage volumique des gaz dans la chambre principale de combustion 53. Sur la figure 2, seuls les axes X1, X’ des conduits de diffusion 17 et secondaire 19 sont représentés.
Selon un quatrième mode de réalisation représenté en figure 4, des conduits additionnels sont creusés dans l’extrémité de sortie 14 du carter 11, les axes X2 desdits conduits additionnels forment un angle A3 avec les axes X1 des conduits de diffusion 17 selon un plan longitudinal, compris dans une plage d’angle de 15° à 45°. Sur la figure 4, seuls les axes X1 et X2 respectivement des conduits de diffusion 17 et des conduits additionnels sont représentés. De manière préférentielle, ledit angle est défini en fonction de l’angle au sommet du toit de chambre pour permettre de diriger des gaz brûlés vers une zone de la chambre principale de combustion médiane entre l’axe X central et la périphérie de la chambre de combustion principale. De même que pour les conduits de diffusion 17, l’angle formé entre deux conduits additionnels voisins et consécutifs est inférieur à un deuxième seuil d’angle qui peut être identique au premier seuil d’angle des conduits de diffusion 17.
Les caractéristiques dimensionnelles des conduits additionnels peuvent être différentes de celles des conduits de diffusion 17.
Lesdits conduits additionnels permettent de diriger les gaz brûlés dans une zone médiane entre l’axe central X et la périphérie de la chambre principale de combustion 53.
De manière préférentielle, les axes X2 des conduits additionnels sont portés par un cône dont l’angle au sommet est inférieur à l’angle au sommet du toit de chambre 18.
De manière préférentielle, les axes X1et X2 respectivement des conduits de diffusion 17 et des conduits additionnels se rejoignent en 1 point sur l’axe central X.
L’objectif est atteint : les conduits de diffusion 17 sont aptes à diriger des gaz brûlés depuis la préchambre 10 vers la chambre principale de combustion 53 de façon optimale en améliorant l’allumage volumique et supprimer les besoins de turbulence élevée pour les fins de combustion lentes. Les conduits de diffusion 17 en coopération avec le conduit secondaire et les conduits additionnels 20 permettent un arrosage optimal de la chambre principale en gaz brûlés.
Comme il va de soi, l'invention ne se limite pas aux seules formes d'exécution de cette prise, décrites ci-dessus à titre d'exemples, elle en embrasse au contraire toutes les variantes.

Claims (8)

  1. Revendications
    1. Moteur thermique à allumage commandé de véhicule automobile comportant un carter-cylindres (50) surmonté d’une culasse (52) dans laquelle est agencée une préchambre de combustion (10) connectée à un injecteur de carburant et à une bougie, et communiquant grâce à des conduits de diffusion (17) avec une chambre à combustion principale (53) agencée en bas de la préchambre, et délimitée par la paroi d’un cylindre (51), un piston mobile en coulissement dans ledit cylindre et un toit de chambre (18) sensiblement conique, en vis-àvis du piston, et creusé dans la culasse, les conduits de diffusion (17) étant rectilignes et s’étendant radialement,
    Caractérisé en ce que l’axe X1 des conduits de diffusion est parallèle ou pratiquement parallèle à sa projection sur la surface du toit de chambre (18).
  2. 2. Moteur thermique selon la revendication 1 caractérisé l’axe X1 des conduits de diffusion (17) forme un angle avec sa projection sur la paroi du toit de chambre (18) positif inférieur à 5° tourné vers le cylindre (51).
  3. 3. Moteur thermique selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les conduits de diffusion (17) sont répartis autour du toit de chambre (18) avec un angle entre deux conduits voisins consécutifs inférieur à un seuil d'angle.
  4. 4. Moteur thermique selon la revendication 3, caractérisé en ce que le seuil d’angle est de 50°.
  5. 5. Moteur thermique selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la préchambre (10) est connectée à la chambre principale par un conduit secondaire dont l’axe est parallèle à l’axe X du cylindre (51).
  6. 6. Moteur thermique selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la préchambre (10) est connectée à la chambre principale (53) par des conduits de diffusion additionnels rectilignes dont l’axe X2 est oblique par rapport à la surface du toit de chambre (18).
  7. 7. Moteur thermique selon la revendication 6, caractérisé en ce que l’axe X2 de chaque conduit additionnel forme avec sa projection sur la surface du toit de chambre (18) un angle compris entre 15° et 45°.
  8. 10 θ. Moteur thermique selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la paroi inférieure (16) de la préchambre (10) débouche en saillie dans la chambre principale de combustion (53).
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