Brevet FR2551494A1 — publié le 19850308

$ PROCEDE POUR AMELIORER LE FONCTIONNEMENT D'UN MOTEUR A COMBUSTION INTERNE, DISPOSITIF POUR LA MISE EN OEUVRE DE CE PROCEDE ET MOTEUR A COMBUSTION INTERNE EQUIPE DE CE DISPOSITIF La présente invention concerne un procédé pour améliorer le fonctionnement d'un moteur à combustion interne et notamment un moteur à faible rapport volumétrique comportant des pistons à tête creuse. Elle concerne également un dispositif pour améliorer le fonctionnement d'un moteur à combustion interne et notamment un moteur à faible rapport volumétrique comportant des pistons à tête creuse. Elle concerne enfin un moteur équipé de ce dispositif. 10 L'augmentation de puissance des moteurs Diesel a été longtemps limitée à des contraintes mécaniques L'amélioration des performances et la fiabilité des turbocompresseurs permet maintenant d'augmenter les puissances en réduisant le rapport volumétrique, pour conserver la 15 même pression maximale de combustion dans le cylindre Cette nouvelle technologie de réduction du rapport volumétrique présente de nombreux avantages En particulier, elle permet une réduction de la pression maximale de combustion pour une même pression d'air de suralimentation Sachant que la pression maximale de combustion constitue le 20 principal critère de dimensionnement des moteurs et de ses composants, on peut de ce fait augmenter la pression de suralimentation donc la puissance du moteur sans augmenter les contraintes mécaniques D'autre part, on peut augmenter le volume de combustion situé au-dessus du piston sans modifier la cylindrée du moteur Ceci facilite considéra25 blement la combustion et réduit, à injection égale, l'indice de fumée d'échappement Par ailleurs, on améliore le remplissage des cylindres et enfin on dispose d'un rapport volumétrique parfaitement adapté aux pressions moyennes effectives recherchées. Toutefois, l'abaissement du rapport volumétrique entraîne également des contraintes La limite d'auto-inflammabilité du combustible impose une température en fin de compression Tc minimale de l'ordre de 5500 C. 2 5; 1 4 9 4 Les principes de la thermodynamique montrent par la relation suivante: Te o Tc est la température de fin de compression T'2 est la température de l'air A la fermeture de la soupape d'admission ú est le rapport volumétrique est le rapport des chaleurs spécifiques de l'air. 10 On peut abaisser Jusqu'à 6 ou 7 le taux de compression, ce qui permet de doubler la puissance pour une même cylindrée Toutefois, une température d'air supérieure à 1000 C est nécessaire à l'admission dans le cylindre, ce qui impose le recours à des artifices pour maintenir 15 cette température à vide et aux basses charges Le procédé connu sous le nom de "procédé Hyperbar" est souvent utilisé pour remplir cette condition. Si l'on se contente de réchauffer l'air en faisant circuler de l'eau 20 chaude dans le réfrigérant d'air, le rapport volumétrique ne peut pas être abaissé endessous de 8,5 à 9 La puissance rapportée à la cylindrée n'est alors augmentée que de 50 %. Dans ces deux cas, les artifices utilisés pour l'amélioration du 25 fonctionnement des moteurs Diesel à rapport volumétrique faible, impose des installations coûteuses, sujettes à des déficiences, et parfois peu efficaces. La présente invention se propose de pallier ces inconvénients en 30 proposant un procédé tel que susmentionné, caractérisé en ce que l'on adapte dans la cavité de la tête des pistons un organe pour accumuler de l'énergie calorifique pendant la phase de combustion et pour la restituer pendant les phases d'admission et de compression. Selon une forme de réalisation préférée, cet organe pour acumuler puis restituer de l'énergie calorifique comporte une enveloppe en forme de cuvette. 3 2551494 En outre, cette enveloppe est avantageusement recouverte d'un grillage favorisant les échanges d'énergie thermique. Selon une forme de réalisation particulièrement avantageuse, l'on fixe 5 ladite enveloppe dans la cavité de la tête de piston d'une manière qui ménage un espace entre les parois intérieures concaves de la cavité de la tête de piston et les parois extérieures convexes de l'enveloppe. Pour assurer une communication entre la cavité intérieure de l'enve10 loppe et l'espace entre les parois extérieures de cette enveloppe et les parois intérieures de la cavité de la tête de piston, l'on ménage au moins un et de préférence plusieurs orifices d'équilibrage de la pression dans les parois de cette enveloppe. Pour accroître la vitesse du flux d'air arrivant dans la cavité intérieure à l'enveloppe placée dans la cavité de la tête de piston, lors de la phase de compression du moteur, on réalise de préférence un rétrécissement de l'enveloppe au voisinage de son bord supérieur. Selon une forme de réalisation particulièrement avantageuse, l'enveloppe est façonnée par emboutissage d'au moins une feuille métallique pour lui donner la forme d'au moins une partie de cuvette et l'on assemble cette partie avec d'autres parties embouties et/ou usinées dans la masse pour réaliser ladite enveloppe pourvue dudit rétrécisse25 ment formant un rebord annulaire plan L'enveloppe et le grillage sont de préférence réalisés en alliage métallique et le grillage est de préférence fixé au rebord de l'enveloppe par soudure. Le dispositif pour la mise en oeuvre du procédé ci-dessus est 30 caractérisé en ce qu'il comporte un organe pour accumuler de l'énergie calorifique pendant la phase de combustion et pour la restituer pendant les phases d'admission et de compression. Cet organe pour accumuler puis restituer de l'énergie calorifique 35 comporte de préférence une enveloppe en forme de cuvette En outre, cette enveloppe est avantageusement recouverte d'un grillage favorisant les échanges d'énergie thermique. 2551 494 L'enveloppe et le grillage ont pour but de réduire les échanges thermiques avec le piston Ils maintiennent une température de surface dans la chambre de combustion proche de la température moyenne des gaz. Selon un mode de réalisation préféré, l'enveloppe est fixée dans la cavité de la tête de piston d'une manière qui ménage un espace entre les parois intérieures concaves de la cavité de la tête de piston et les parois extérieures convexes de l'enveloppe Cette disposition 10 permet de ménager une couche d'air entre le piston et l'enveloppe suffisante pour réduire considérablement les échanges thermiques entre l'enveloppe et le piston. Afin de permettre d'équilibrer les pressions entre la chambre de 15 combustion et l'espace ménagé entre les parois extérieures de l'enveloppe et les parois intérieures de la cavité de la tête de piston, et de supprimer ainsi les risques de provoquer des déformations mécaniques, l'enveloppe comporte au moins un orifice traversant sa paroi de part en part pour assurer une communication 20 entre ladite cavité et ledit espace. L'enveloppe comporte avantageusement le long de son bord supérieur, un rebord définissant un rétrécissement du passage entre la cavité intérieure de l'enveloppe et la chambre de combustion Ce rebord peut être 25 constitué par le repli de la partie supérieure de la paroi de l'enveloppe vers l'intérieur de sa cavité, de manière à définir un rebord annulaire plan constituant l'extrémité supérieure de l'enveloppe Ce rebord ménagé sur le haut de la chambre a pour but d'augmenter la vitesse de l'air arrivant dans la cavité de l'enveloppe pendant la 30 phase de compression du moteur Cette augmentation de la vitesse de l'air accroît le coefficient d'échange entre les parois chaudes de l'enveloppe et l'air. Le grillage est de préférence fixé directement audit rebord de l'enve35 loppe, par exemple par soudure Ce grillage a pour but d'accroître encore la vitesse de l'air et de créer un régime turbulent en avant du rebord, de manière à permettre un meilleur échange thermique Il cède 5 1 4 9 4 également une grande partie de sa chaleur à l'air passant entre les mailles Par ailleurs, les turbulences apportées par le grillage favorisent le mélange air/combustible et améliorent ainsi la combustion. L'enveloppe est de préférence fixée sur la tête de piston par des supports-distanceurs dont une extrémité est solidaire des têtes de piston et dont l'autre extrémité est solidaire de l'enveloppe. Selon un mode de réalisation préféré, l'enveloppe est fixée par l'intermédiaire de son rebord, par plusieurs supports allongés traversant les parois de cette enveloppe par les orifices d'équilibrage de la pression Ces supports allongés peuvent être constitués par des boulons vissés dans des alésages filetés ménagés 15 dans le piston et le rebord de l'enveloppe peut être pris directement entre les extrémités supérieures de ces boulons et des organes de blocage adaptés sur ces extrémités. Le moteur selon l'invention est caractérisé en ce que ses pistons sont 20 tous équipés de dispositifs tels que décrits ci-dessus. La présente invention sera mieux comprise en référence à la description d'un exemple de réalisation préféré et au dessin annexé dans lequel: La fig 1 représente une vue partielle en coupe axiale d'une tête de piston équipée d'un dispositif selon l'invention, et La fig 2 représente une vue de dessus du piston dont la tête est 30 équipée du dispositif selon l'invention représenté par la fig 1. En référence aux figures, le piston 10 comporte une tête creuse 11 dans laquelle est ménagée une cavité centrale 12 L'enveloppe 13 et le grillage 14, constituant ensemble le dispositif pour améliorer le 35 fonctionnement des moteurs à combustion interne, tels que décrits cidessus sont montés à l'intérieur de la cavité 12 Cette enveloppe est par exemple réalisée par emboutissage d'une tôle relativement mince 2 5 5 1 4 9 4 d'un alliage métallique ayant de bonnes propriétés mécaniques et thermiques conçus pour résister à des températures supérieures à 7000 c Toutefois, elle peut également être réalisée à l'aide d'autres matériaux simples ou composites Le coût relativement faible, la 5 facilité d'usinage et la qualité des alliages couramment commercialisés, conduisent logiquement à l'utilisation de matériaux métalliques. Dans l'exemple représenté, le profil de l'enveloppe, en forme de cuvette, épouse sensiblement le profil de la cavité 12 Ceci ne constitue cependant pas une condition nécessaire Il est toutefois avanta10 geux que l'enveloppe soit montée à une certaine distance des parois de la cavité 12, de manière à ménager un espace entre la paroi extérieure convexe de l'enveloppe 13 et la paroi intérieure concave de la cavité 12. Le long de son bord supérieur, l'enveloppe comporte un rebord 15 ou col qui pourrait être rapporté, mais qui dans le présent cas est constitué par le repli vers l'intérieur des parois latérales de cette enveloppe Le rebord 15 de forme annulaire plan sert de support au grillage 14 qui peut être fixé par soudure ou par tout autre moyen 20 approprié. L'enveloppe 13 est portée par quatre supports-distanceurs 16 constitués respectivement par un boulon 17 dont l'extrémité inférieure filetée 18 est vissée dans un alésage taraudé 19 ménagé dans le 25 piston, et dont l'extrémité supérieure comporte un épaulement 20 sur lequel repose le-rebord 15, et par un boulon 21, vissé à l'intérieur d'un alésage taraudé 22 ménagé axialement à l'intérieur du boulon 17. Ce boulon 21 traverse une ouverture 23 ménagée dans le rebord 20 et sa tête 24 assure la fixation, par serrage, de ce rebord contre 30 l'épaulement 20. Ce mode de fixation permet un montage précis de l'enveloppe, à une distance prédéterminée des parois de la cavité de la tête du piston. D'autres modes de fixation pourraient être envisagés: par exemple la 35 tète de serrage 23 du boulon 21 pourrait être remplacée par un écrou de serrage vissé sur l'extrémité supérieure filetée du boulon 21. Les matériaux utilisés à la fois pour la réalisation de l'enveloppe et celle du grillage, doivent principalement posséder de très bonnes caractéristiques mécaniques aux hautes températures, c'est-à-dire à des températures égales ou supérieures à 7000 C Les matériaux pouvant 5 être utilisés à cet usage sont du type superalliages principalement à base de nickel ou des matériaux composites tels que par exemple des carbures de silicium/carbures de silicium ou des céramiques thermomécaniques du type zircone ou alumine Le grillage est de préférence métallique et soudé sur la surface supérieure du rebord de l'envelop10 pe. Des tests réalisés sur un moteur à rapport volumétrique de 7 ont montré qu'il pouvait fonctionner à une vitesse angulaire de 500 tours/mn à vide avec une température de l'air à l'entrée du cylindre 15 de 250 C Un moteur identique non équipé du dispositif décrit n'aurait pu fonctionner correctement que si l'air à l'entrée du cylindre avait eu une température voisine de 100 C. Ceci démontre bien que ce dispositif permet aux moteurs à rapport 20 volumétrique faible de fonctionner à faible charge et au ralenti sans avoir recours à un préchauffage quelconque de l'air d'admission. La présente invention n'est pas limitée aux formes de réalisation décrites mais peut subir différentes modifications et se présenter 25 sous diverses variantes évidentes pour l'homme de l'art. Revendications 1 Procédé pour améliorer le fonctionnement d'un moteur à combustion interne, notamment un moteur à faible rapport volumétrique comportant des pistons à tête creuse, caractérisé en ce que l'on adapte dans la cavité de la tête ( 11) des pistons un organe ( 13, 14) pour accumuler 5 de l'énergie calorifique pendant la phase de combustion et pour la restituer pendant la phase d'admission et de compression. 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que cet organe pour accumuler puis restituer de l'énergie calorifique comporte une 10 enveloppe ( 13) en forme de cuvette. 3 Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'on fixe pardessus cette enveloppe ( 13) un grillage ( 14) favorisant les échanges d'énergie thermique. 4 Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'on fixe ladite enveloppe ( 13) dans la cavité ( 12) de la tête ( 11) de piston ( 10), d'une manière qui ménage un espace entre les parois intérieures concaves de la cavité ( 12) de la tête de piston et les parois 20 extérieures convexes de l'enveloppe ( 13). Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'on ménage des orifices d'équilibrage de la pression dans les parois de l'enveloppe ( 13) pour assurer une communication entre la cavité intérieure 25 de l'enveloppe et l'espace intermédiaire délimité par les parois extérieures de cette enveloppe et les parois intérieures de la cavité de la tête de piston. 6 Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'on 30 réalise un rétrécissement de l'enveloppe ( 13) au voisinage de son bord supérieur et autour du grillage ( 14). 7 Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'on réalise au mois une préforme métallique pour lui donner la forme d'au 35 moins une partie de cuvette, et en ce que l'on assemble cette partie 14 Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce que l'enveloppe ( 13) comporte le long de son bord supérieur un rebord ( 15) définissant un rétrécissement du passage entre la cavité intérieure de l'enveloppe et la chambre de combustion. Dispositif selon la revendication 14, caractérisé en ce que le rebord ( 15) est constitué par le repli du bord supérieur de la paroi de l'enveloppe ( 13) vers l'intérieur de sa cavité, et en ce que ce rebord ( 15) présente une forme annulaire plane. 10 16 Dispositif selon les revendications 11 et 15, caractérisé en ce que le grillage ( 14) est directement fixé audit rebord ( 15) de l'enveloppe ( 13). 17 Dispositif selon l'une quelconque des revendications 9 à 17, caractérisé en ce que l'enveloppe ( 13) est fixée sur la tête de piston par des supports-distanceurs ( 16) dont une extrémité ( 18) est solidaire des pistons ( 10) et dont l'autre extrémité ( 20) est solidaire de l'enveloppe. 18 Dispositif selon la revendication 17, caractérisé en ce que l'enveloppe ( 13) est fixée par l'intermédiaire de son rebord ( 15) par plusieurs supports allongés ( 16) traversant les parois de cette enveloppe par lesdits orifices d'équilibrage de la pression. 25 19 Dispositif selon la revendication 18, caractérisé en ce que les supports allongés ( 16) sont constitués par des boulons ( 17) vissés dans des alésages filetés ( 19) ménagés dans le piston ( 10) et en ce que le rebord ( 15) de l'enveloppe ( 13) est pris entre les extrémités 30 supérieures ( 20) de ces boulons et des organes de blocage ( 21, 23) adaptés sur ces extrémités. Dispositif selon les revendication 10 et 11, caractérisé en ce que l'enveloppe ( 13) et le grillage ( 14) sont réalisés en un matériau 35 conçu pour résister à des températures supérieures à 700 c. 21 Moteur à combustion interne, notamment moteur à combustion interne avec d'autres parties embouties et/ou usinées dans la masse pour réaliser ladite enveloppe pourvue dudit rétrécissement formant un rebord annulaire plan ( 15). 8 Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'enveloppe ( 13) et le grillage ( 14) sont réalisés en alliage métallique et en ce que l'on fixe le grillage ( 14) au rebord ( 15) de l'enveloppe ( 13) par soudure. 9 Dispositif pour améliorer le fonctionnement d'un moteur à combustion interne et notamment d'un moteur à faible rapport volumétrique, comportant des pistons à tête creuse, caractérisé en ce qu'il comporte un organe ( 13, 14) pour accumuler de l'énergie calorifique pendant la phase de combustion et pour la restituer pendant les phases d'admis15 sion et de compression. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que ledit organe pour accumuler puis restituer de l'énergie calorifique comporte une enveloppe ( 13) en forme de cuvette. 20 11 Dispositif selon la revendication 10 caractérisé en ce que ledit organe pour accumuler puis restituer de l'énergie calorifique comporte également un grillage ( 14) favorisant les échanges d'énergie thermique, fixé par-dessus ladite enveloppe. 25 12 Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce que ladite enveloppe ( 13) est fixée dans la cavité de la tête ( 11) du piston ( 10) d'une manière qui ménage un espace entre les parois intérieures concaves de la cavité de la tête de piston et les parois extérieures 30 convexes de l'enveloppe. 13 Dispositif selon la revendication 12, caractérisé en ce que l'enveloppe ( 13) comporte au moins un orifice traversant sa paroi de part en part pour assurer une communication entre la cavité intérieure de 35 l'enveloppe et l'espace ménagé entre les parois extérieures de cette enveloppe et les parois intérieures de la cavité de la tête de piston. 1 1 à faible rapport volumétrique, caractérisé en ce que ses pistons sont respectivement équipés d'un dispositif selon l'une quelconque des revendications 9 à 20. B land NTAD Brevets d'invention, Marques, Mcdèles 12, rue du 17 Novembre F 60100 MULHOUSE (France)