Brevet FR2775317A1 — publié le 19990827

L'invention concerne un piston alternatif disposé longitudinalement mobile dans un cylindre d'un moteur à combustion interne et délimitant une chambre de combustion par une tête de piston. Un mélange air/carburant est brûlé de façon connue dans la chambre de combustion à un rythme déterminé pendant le cycle de travail du piston, et la détente du gaz accompagnant la combustion anime le piston d'un mouvement. À partir de l'instant d'inflammation du carburant, des ondes sonores se propagent dans la chambre de combustion et conduisent, surtout dans le domaine de résonance, à un bruit de combustion désagréable et, en plus, à des gradients élevés de température et de pression dans cette chambre. Les zones à hautes températures et à hautes pressions augmentent l'émission de polluants et influencent le déroulement de la combustion, avec excitation d'autres fréquences de résonance de différents ordres. Dans des cas extrêmes, comme par exemple à la détonation dans un moteur à allumage par étincelle ou à la détonation dans un moteur Diesel, des zones très chaudes se forment à la surface de la chambre de combustion, surtout sur la tête de piston, ce qui réduit la durée de vie du moteur. On sait qu'une cavité ménagée dans la tête de piston influence la température de cette tête et le gradient de pression dans la chambre de combustion, de sorte qu'elle agit sur le déroulement de la combustion dans cette chambre; des interférences se produisent cependant entre les resonances acoustiques dans la partie cylindrique de la chambre de combustion et celles produites dans la cavité de la tête de piston, inter- férences qui changent sans cesse les résonances de la chambre de combustion et les renforcent même, ce qui conduit de manière générale à des irrégularités dans le déroulement de la combustion et à un accrois- sement du bruit de combustion. Le but de l'invention est de prévoir, sur un piston alternatif du type générique indiqué au début, des dispositions qui stabilisent le déroulement de la combustion dans la chambre de combustion et diminuent le bruit. Partant d'un piston alternatif d'un moteur à combustion interne, qui est disposé mobile longitudinalement dans un cylindre et délimite une chambre de combustion par une tête de piston dans laquelle est ménagée une cavité, on obtient ce résultat, selon une première solution apportée par I'invention, par le fait qu'un fond de la cavité est divisé en plusieurs segments du fond de cavité inclinés par rapport au plan de la tête de piston et ayant chacun une inclinaison du fond orientée différemment, ou, selon une seconde solution apportée par l'invention, par le fait qu'un fond de la cavité est incliné par rapport au plan de la tête de piston et la section droite de la cavité est "comprimée", c'est-à-dire réduite en dimension dans une direction. La réalisation selon l'invention de la tête de piston crée des dis- symétries géométriques dans la chambre de combustion, lesquelles perturbent la formation des fréquences de résonance acoustiques. Les amplitudes des résonances de la cavité du piston sont très fortement atténuées par le fond incliné de cette cavité et les interférences entre les résonances dans la partie cylindrique de la chambre de combustion et dans la cavité du piston sont également limitées. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront plus clairement de la description qui va suivre d'exemples de réalisation non limitatifs, ainsi que des dessins annexés, sur lesquels: * la Figure 1 est une coupe longitudinale schématique du cylindre d'un moteur à combustion interne; * la Figure 2 est une vue de dessus d'un piston alternatif dont la tête de piston présente une cavité ayant un fond à deux segments; * la Figure 3 est une vue de dessus d'un piston alternatif dont la tête de piston présente une cavité ayant un fond à trois segments; et * la Figure 4 est une vue de dessus d'un piston alternatif dont la tête de piston présente une cavité qui est "comprimée" en section droite. Un moteur à combustion interne, dont les autres parties ne sont pas représentées, contient dans chaque cylindre 5 un piston alternatif 1 disposé longitudinalement mobile dans ce cylindre et délimitant par sa tête de piston 2 une chambre de combustion 6, comme le montre la Figure 1. Une distribution à soupapes commande de façon connue l'amenée du fluide moteur 12 en vue de la combustion cyclique et de l'évacuation des gaz brûlés 13 hors de la chambre de combustion 6 pendant les cycles de travail du piston 1. Au cours du processus de combustion, la pression dans la chambre de combustion augmente fortement par suite de la détente du gaz et du bruit est produit. Les ondes sonores oscillent en phase ou en opposition de phase avec la source acoustique, c'est-à-dire, en principe, avec le lieu d'allumage du mélange dans la chambre de combustion 6. L'inflammation du mélange dans cette chambre excite des modes de résonance de différentes fréquences qui influencent le processus de combustion en interaction avec lui. L'interférence entre les résonances acoustiques et la combustion génère des gradients élevés de température et de pression dans la chambre de combustion. Dans la tête de piston 2 est ménagée une cavité 3 qui empêche un échauffement intense de la surface du piston et de la surface du cylindre 5 par une augmentation du volume de la chambre de combustion. Conformément à l'invention, le fond 4 de la cavité 3 ménagée dans la tête de piston est divisé en segments de fond de cavité qui sont inclinés par rapport au plan de la tête de piston 2. Les inclinaisons des fonds de ces segments ont des orientations différentes et créent une configuration dis- symétrique de la chambre de combustion. Cette dissymétrie géométrique dans la chambre 6 atténue la formation des fréquences de résonance acoustiques dans la cavité 3 du piston et perturbe en outre l'interaction entre les modes de résonance - dépendants de la forme - de la cavité 3 et ceux de la partie cylindrique de la chambre de combustion 6. Dans cet exemple de réalisation, la cavité 3 du piston présente, selon la Figure 2, une section droite circulaire. La conformation selon l'invention est cependant applicable aussi, sans problèmes, à d'autres formes de section droite de la cavité du piston, indépendamment du nombre de soupapes du cylindre, puisque l'atténuation des résonances de la chambre de combustion est produite par l'inclinaison du fond 4 de la cavité ou, plus exactement, par l'inclinaison (angle d'inclinaison ca) des segments de fond de cavité. Les oscillations de pression dues aux résonances acoustiques dans la chambre de combustion peuvent être réduites davantage lorsque les segments de fond de cavité sont disposés à symétrie de révolution par rapport au centre 11 de la section de la cavité 3. Dans cet exemple de réalisation, le fond de la cavité est divisé uniformément en deux segments 4/1 et 4/2. Par suite des déclivités localement différentes dans la tête de piston, une arête 7 est formée par la différence de niveau entre les segments de fond de cavité 4/1 et 4/2. La déclivité de chacun de ces segments est parallèle à l'arête 7 et indiquée par la flèche 8. Le fond de la cavité du piston alternatif 1 montré par la Figure 3 est divisé à symétrie de révolution en trois segments 4/1, 4/2 et 4/3. Le fond de la cavité peut également être divisé uniformément en un plus grand nombre de segments. Des nombres plus élevés de segments perturbent efficacement des modes de résonance supérieurs des ondes sonores. Pour ce qui concerne le nombre de segments du fond de la cavité, il est préférable de choisir des nombres premiers, lesquels garantissent que la conformation par zones à inclinaisons de différentes directions du fond de la cavité perturbe des modes de résonance supérieurs dont le nombre correspond exactement au nombre par lequel est divisé le fond de la cavité. Il est possible de choisir un nombre de segments de fond de cavité divisible par un nombre entier, mais on ne peut pas exclure dans ce cas l'existence de modes de résonance dont l'ordre inférieur correspond au nombre entier représentant le diviseur ayant fourni le nombre choisi de segments. Dans le mode de réalisation d'un piston alternatif i montré par la Figure 3 et dont la cavité ménagée dans la tête de piston possède un fond divisé en trois segments 4/1, 4/2 et 4/3, chacun de ces segments s'étend sur un angle d'arc de 270 , la direction 8 de la déclivité des segments respectifs créant, avec une réalisation à symétrie de révolution de la cavité 3 par rapport au centre 11 de la section droite, une descente du niveau de fond de chaque segment dans un sens circonférentiel. L'espace au droit des arêtes 7 entre les segments de fond voisins dans la direction circonfé- rentielle de la cavité 3 agrandit la partie de la chambre de combustion formée par la cavité 3, sans générer des modes de résonance supplémen- taires, et diminue ainsi la tendance à la détonation du moteur à combustion interne. Il est ainsi possible de faire fonctionner aussi bien des moteurs à allumage par étincelle que des moteurs Diesel dans leurs diagrammes caractéristiques respectifs près de la ligne de détonation et de réduire l'émission de polluants. L'angle d'inclinaison ca du fond est le même pour chacun des segments de fond 4/1, 4/2 et 4/3. La Figure 4 montre une autre exécution selon l'invention d'un piston alternatif 1, o la cavité 3 de la tête de piston, ayant un fond de cavité 4 incliné, est disposée excentriquement dans la tête de piston 2. La dis- symétrie ainsi obtenue dans la géométrie de la chambre de combustion, dis- symétrie qui diminue le bruit de combustion et qui résulte de la confor- mation de ladite cavité, est créée par le fait que la cavité 3 du piston est comprimée en section droite. Plus exactement, la section de la cavité est réduite en dimension - par rapport à une forme circulaire en l'occurrence - suivant la direction d'un axe de section 20 qui est incident à la direction de déclivité 8 du fond 4 de la cavité. L'axe de section 20 est en outre incident à un axe diamétral de la tête de piston passant par la projection axiale du lieu ou point d'allumage dans la chambre de combustion. Le coefficient d'excen- tricité ú des axes 20, 21 de la section de la cavité sera choisi pour chaque application du piston en accord avec la partie cylindrique de la chambre de combustion dans le cylindre du moteur. L'emplacement de la cavité de piston 3, excentré de E du centre de section 11 de la tête de piston 2, permet de découpler les fréquences de résonance générées par la cavité 3 de celles générées par la partie cylindrique de la chambre de combustion. La conformation selon l'invention de la tête de piston, avec une configuration comme décrite dans ce qui précède de la cavité, est applicable en tant que mesure passive pour atténuer les oscillations de pression dans la chambre de combustion, dues à des résonances dans cette chambre lors du processus de combustion et cela pour différents modes de réalisation des chambres de combustion et également pour des moteurs à combustion interne à pistons alternatifs qui diffèrent quant au mode de fonctionnement. REVENDICATIONS 1. Piston alternatif d'un moteur à combustion interne, qui est disposé mobile longitudinalement dans un cylindre (5) et délimite une chambre de combustion (6) par une tête de piston (2) dans laquelle est ménagée une cavité (3), caractérisé en ce qu'un fond (4) de la cavité (3) est divisé en plusieurs segments de fond de cavité (4/1, 4/2, 4/3) inclinés par rapport au plan de la tête de piston (2) et ayant chacun une inclinaison du fond orientée différemment. 2. Piston alternatif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les segments du fond de la cavité (4/1, 4/2, 4/3) sont disposés à symétrie de révolution par rapport au centre (11) de la section droite de la cavité (3). 3. Piston alternatif selon la revendication 2, caractérisé en ce que la déclivité d'un segment de fond de cavité (4/1, 4/2, 4/3) est parallèle à une arête (7) formée chaque fois par une différence de niveau avec le segment de fond de cavité (4/1, 4/2, 4/3) voisin de la cavité en direction circonférentielle. 4. Piston alternatif selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que l'angle d'inclinaison (a) du fond est le même pour chaque segment de fond de cavité (4/1, 4/2, 4/3). 5. Piston alternatif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le nombre de segments de fond de cavité (4/1, 4/2, 4/3) est un nombre premier. 6. Piston alternatif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la cavité (3) est située excentriquement dans la tête de piston (2).