Brevet FR2799795A1 — publié le 20010420

La présente invention concerne une chambre de combustion de moteur thermique notamment pour véhicules automobiles. Elle s'applique principalement aux moteurs thermiques à injection directe, à essence, diesel ou éventuellement à bicarburation telle que injection essence et injection de gaz. Dans les moteurs actuels, une grande partie de la chaleur de combustion n'est pas utilisée, ni transformée en travail, mais au contraire, cette chaleur de combustion est dissipée à travers les parois de chambre de combustion formée au-dessus du cylindre du moteur et à travers tête de piston. Les parois de la chambre de combustion et la tête piston sont généralement fabriquées en alliage léger, tel qu'en aluminium, dont une des particularités est justement sa perméabilité thermique. La présente invention a pour but de proposer chambre de combustion de moteur thermique qui permette d'obtenir principalement un confinement thermique de la combustion dans le moteur, et d'augmenter ainsi le rendement thermique en réduisant le taux de pollution. La chambre de combustion de moteur thermique visée par l'invention formée entre la culasse, un cylindre du moteur et une tête de piston. Conformément à l'invention, cette chambre de combustion comprend pièce cylindrique formant bouclier thermique, ladite pièce cylindrique étant encastrée dans la culasse et coiffant ledit cylindre du moteur. Grâce à cette pièce cylindrique rapportée dans la culasse, qui forme bouclier thermique au-dessus du cylindre du moteur, la chaleur de combustion est confinee, ce qui permet à la fois de transformer davantage chaleur en travail et de diminuer en aval la traînée de refroidissement. En outre, la combustion est plus complète les émissions de particules de carbone sont réduites. Cette diminution des particules de carbone est très importante puisqu'elle est directement liée au taux de pollution du moteur thermique. Enfin, la pièce rapportée cylindrique dans la culasse a pour effet de descendre, par rapport au cylindre, le plan du joint de culasse. La paroi cylindrique de cette pièce rapportée permet d'assurer le confinement périphérique de la chambre de combustion, de telle sorte que le joint de culasse est beaucoup moins exposé au front de flamme d'explosion que dans les moteurs classiques. Selon une caractéristique préférée de l'invention, la chambre de combustion comprend une tête de piston rapportée formant bouclier thermique fixée piston du cylindre du moteur. Cette tête de piston rapportée permet ainsi confiner également la chaleur de combustion dans la chambre de combustion, regard de la pièce cylindrique rapportée dans la culasse. Ces deux pièces rapportées, dans la culasse et sur le piston, forment ainsi deux boucliers thermiques qui confinent la chaleur pour la transformer en travail. Selon une autre caractéristique préférée de l'invention, la tête de piston rapportée comporte un bord périphérique relevé adapté à s'étendre au-delà du joint de culasse au point mort haut du piston dans le cylindre. Ce bord périphérique relevé de la tête de piston permet de masquer le joint de culasse au front de flamme, dans la position dite "point mort haut" du piston dans le cylindre, c'est-à-dire lorsque la pression est la plus forte. Selon une autre caractéristique avantageuse de l'invention, un premier segment du piston est enchâssé dans la tête de piston rapportée. Cette tête de piston rapportée, réalisée dans un matériau plus résistant que l'alliage léger classiquement utilisé pour le piston, permet ainsi d'enchâsser un premier segment plus haut que sur les pistons totalement en alliage léger, et de réduire par conséquent les zones froides à la périphérie du piston. Selon une autre caractéristique préférée de l'invention, le fond de la pièce cylindrique formant bouclier thermique constitue un siège unique des soupapes du moteur. La chambre de combustion, qui sert ainsi également de siège de soupapes, permet par conséquent de disposer de la quasi totalité de surface disponible pour les soupapes, qui peuvent ainsi être placées très proche unes des autres. La présente invention concerne également une bougie, dite bougie "crayon" dont l'électrode centrale et le pied d'isolant dépassent du culot de la bougie. D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront encore dans la description ci-après de différents modes de réalisation de l'invention. Aux dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs - la figure 1 est une vue en coupe verticale d'une culasse comportant une chambre de combustion conforme à un mode de réalisation de l'invention ; - la figure 2 est une vue schématique de dessus de la chambre de combustion formant siège de soupapes conformément à un mode réalisation de l'invention ; - la figure 3 est une vue analogue à la figure 2 illustrant la circulation des gaz d'admission et d'échappement dans la chambre de combustion - la figure 4 est une vue en coupe verticale de la chambre de combustion selon la ligne AA' à la figure 3 ; et - les figures 5 et 6 sont des vues analogues à la figure illustrant une chambre de combustion conforme à l'invention dans un moteur à bicarburation. On va décrire tout d'abord en référence à la figure 1, chambre de combustion conforme à un mode de réalisation de l'invention dans moteur thermique du type moteur à essence. La chambre de combustion 1 est formée entre une culasse 2, classique dans un tel moteur et qui n'a pas besoin d'être décrite plus en détail ici, un cylindre 3 moteur et une tête de piston 5. chambre de combustion 1 comprend une pièce cylindrique 4 qui forme un bouclier thermique au-dessus du cylindre 3 du moteur. Cette pièce cylindrique 4 est encastrée dans la culasse 2 et coiffe ainsi le cylindre 3 du moteur. Cette pièce cylindrique 4 est de préférence sertie dans un emplacement prévu à cet effet dans la culasse 2. Alors que la culasse 2 est classiquement réalisée dans un alliage léger, tel qu'en aluminium, la pièce cylindrique formant bouclier thermique est au contraire fabriquée dans une matière réfractaire, telle que l'acier, plus mauvais conducteur de la chaleur que le reste de la culasse 2 en alliage léger, afin de confiner la chaleur de combustion dans la chambre de combustion 1. Bien entendu, d'autres types de matières réfractaires pourraient être utilisés pour réaliser la pièce cylindrique 4, et notamment des céramiques. En vis-à-vis de cette pièce cylindrique 4, la chambre de combustion 1 comprend également une tête de piston rapportée 5 formant également bouclier thermique. Cette tête de piston rapportée 5 est fixée au piston 6 du cylindre 3 du moteur. De préférence, cette tête de piston rapportée 5 est sertie par moulage pour résister aux mouvements alternatifs du piston 6. Afin de former un bouclier thermique, elle également réalisée dans un matériau réfractaire, tel que l'acier ou une céramique. Cette tête de piston rapportée 5 comporte bord périphérique 7 qui est relevé afin de s'étendre au-delà d'un joint de culasse 2a lorsque le piston 6 est dans une position dite "point mort haut" dans le cylindre 3. bord relevé 7 de la tête de piston rapportée 5 permet de masquer et protéger le joint de culasse 2a des premiers fronts de flamme lorsque le piston 6 est dans la position "point mort haut", comme illustré sur la figure 1, c'est-à-dire lorsque la pression dans le cylindre 3 est la plus forte. En outre, la tête de piston rapportée 5 comporte une chambre annulaire en creux située sensiblement en regard du fond 4a la pièce cylindrique sertie dans la culasse 2. La tête de piston rapportée 5 a ainsi sensiblement forme en chapeau à bord relevé 7 avec une chambre annulaire en creux maximum située sensiblement à la périphérie de cette tête de piston 5. Comme cela sera mieux compris dans la suite de la description, la chaleur combustion est ainsi mieux répartie dans la chambre de combustion 1 sur toute surface de cette chambre et de la tête de piston 5 de telle sorte qu'on obtient une diminution en aval de la traînée de refroidissement et une amélioration du rendement du moteur thermique. Par ailleurs, la tête de piston rapportée 5, réalisée dans une matière plus résistante que l'alliage léger utilisé classiquement pour le piston 6, permet d'enchâsser le premier segment 9 du piston plus haut que sur les pistons réalisés totalement en alliage léger. Cette disposition surélevée du premier segment 9 permet de réduire les zones froides à la périphérie du piston 6. Enfin, toujours dans un but de réduire les zones froides à la périphérie du piston, le bord périphérique 7 de cette tête de piston rapportée 5 est incliné vers l'axe du piston 6 en s'écartant du cylindre 3. Ainsi, la paroi périphérique 7a de la tête de piston rapportée 5, située au-dessus du premier segment 9, a une forme arrondie qui s'écarte du cylindre 3 afin que le front de flamme puisse facilement brûler les gaz piégés entre la paroi du cylindre 3 et la tête de piston rapportée 5. Cette forme arrondie favorise également le tourbillonnement périphérique à la fin de chaque temps de compression. Si l'ensemble du bloc moteur tel qu'illustré à la figure 1 en alliage léger, il est avantageux en outre de parfaire le confinement thermique de la chambre de combustion 1 en appliquant sur la paroi du cylindre 3 traitement qui la rende réfractaire, par exemple en la revêtant d'une céramique. On peut également utiliser une méthode classique dite de la "chemise sèche". De manière avantageuse, le fond 4a de la pièce cylindrique rapportée 4 constitue un siège unique des soupapes du moteur. observe ainsi, sur la coupe illustrée à la figure 1, deux sièges de soupapes 10 realisés dans le fond 4a de la pièce cylindrique. Comme mieux illustré à la figure 2, la pièce cylindrique permet ainsi de disposer de la quasi-totalité de la surface disponible du fond cette pièce cylindrique 4 pour placer les soupapes qui peuvent se trouver par conséquent tres proches les unes des autres. soupapes d'admission 11 et 11' en particulier peuvent ainsi occuper tout diamètre du cylindre 3. Bien que cette chambre de combustion 1 telle décrite précédemment puisse s'appliquer à tout type de moteur classique, elle est parfaitement bien adaptée à une disposition des soupapes en croix, disposition cruciforme, dans laquelle les soupapes d'admission 11 et 11' sont placées dans l'axe du moteur et les soupapes d'échappement 12 et 12' sont disposées transversalement à cet axe. Grâce à ce siège unique formé par le fond 4a de la pièce cylindrique rapportée 4, on peut disposer de deux soupapes d'admission 11 et 1 plus grande que les soupapes utilisées classiquement dans une culasse plate a deux soupapes avec sièges de soupapes indépendants. Comme illustré à la figure 3, cette disposition des soupapes d'admission 11 et 11' dans l'axe du moteur permet d'obtenir un tourbillonnement des gaz d'admission dans le cylindre bénéfique au remplissage et à la combustion. En outre, la disposition transversale des soupapes d'échappement 12 et 12' par rapport à l'axe du moteur raccourcit le trajet des gaz d'échappement dans la culasse et réduit par conséquent la traînée de refroidissement. ailleurs, comme illustré à la figure 1, la paroi cylindrique 4b de la pièce cylindrique rapportée 4 comporte un orifice adapté au passage d'un injecteur latéral 13. Ainsi, on peut placer cet injecteur latéral 13 face à la sortie d'une soupape d'admission 11. Une telle injection directe latérale favorise l'utilisation d'une combustion stratifiée en arrosant surtout les bougies et l'air dans la partie supérieure du cylindre, riche en carburant. Comme bien illustré à la figure 4, on observe que l'injecteur latéral 13 débouche par un orifice 4c de la paroi latérale 4b de la pièce cylindrique 4 maniere à être placé le plus horizontalement possible dans la partie cylindrique la chambre de combustion 1. Cette disposition permet d'obtenir une faible incidence de l'injection par rapport au plan du joint de culasse 2a lorsque le moteur fonctionne mélange stratifié. On va maintenant décrire en référence à la figure 4, la disposition et la structure d'une bougie dite bougie "crayon" d'allumage conçue spécifiquement pour ce type de chambre de combustion à confinement thermique et front de flamme annulaire. Dans ce mode réalisation, la pièce cylindrique 4 est réalisée dans un matériau bon conducteur de l'électricité, tel que l'acier, de manière à pouvoir comporter un dépôt sacrificiel de platine 15 formant une électrode de masse adaptée à coopérer avec une bougie 14 du moteur. Le fond 4a de la pièce cylindrique 4 comprend alors un alésage situé sensiblement au droit du creux maximum de la chambre annulaire 8 la tête piston rapporté 5, qui est adapté au passage d'une électrode centrale 17 de bougie 14 et de la céramique 18 qui l'entoure. Cet alésage 16 est adapté à former l'électrode de masse à sa base et partie de chambre thermique de la bougie 14. On constate comme illustré à la figure 4, que cette électrode centrale 17 et la céramique 18 dépassent très largement du culot 19 et de son filetage, alors que dans les bougies classiques, ces éléments sont à l'intérieur du culot fileté qui supporte également l'électrode de masse ici déportée sur la pièce cylindrique 4. La chambre thermique de la bougie n'est donc plus comme d'ordinaire dans le culot 19 mais en dehors de celui-ci dans un espace compris entre céramique 18 et les trois parois suivantes -l'alésage 16 usiné dans le fond 4a de la pièce cylindrique rapportée 4 supporte le dépôt sacrificiel de platine 15 dont la portion d'arc d'électrode masse relativement annulaire pour obtenir plusieurs étincelles étalées ; - l'alésage usiné dans la culasse 2 en alliage léger qui permet dissipation thermique directement par la culasse 2 sans transiter par le culot 19 comme sur les bougies classiques; et - l'intérieur du joint conique à la base du culot fileté 19 qui est la seule partie de la bougie supportant le choc thermique de l'allumage. Cependant, comme il s'agit du plus faible volume de cette chambre thermique et que surface conique du culot 19 en contact avec la culasse 2 est importante à endroit, la dissipation thermique est facilitée. Comme mieux illustré à la figure 1, on constate que la bougie débouche dans la chambre de combustion sensiblement au droit de la chambre annulaire en creux de la tête de piston rapportée 5. Ainsi, les fronts de flamme provenant de la bougie 14 sont situés pratiquement à la périphérie de la chambre de combustion 1 et peuvent facilement atteindre les zones froides afin d'améliorer la combustion, et par conséquent rendement et la dépollution du moteur. outre, la bougie 14 est placée sensiblement en face de l'injecteur latéral 13 de telle sorte que celui-ci peut mouiller suffisamment cette bougie lors de l'injection. Bien entendu, il est préférable d'utiliser deux bougies 14, 14' disposées diamétralement dans cette chambre de combustion 1. Comme illustré aux figures 5 et 6, la disposition latérale de l'injection permet d'utiliser deux injecteurs latéraux 13 et 13' et d'autoriser la bicarburation avec, par exemple, une injection essence d'un côté du moteur, par un injecteur latéral 13' tel que montré à la figure 5, et une injection de gaz liquéfié de l'autre côté du moteur, par l'injecteur 13 tel qu'illustré à la figure 6. La chambre de combustion conforme à l'invention permet d'augmenter le rendement thermique, ce qui signifie une baisse de la consommation en carburant à égalité de travail fourni. outre, l'augmentation de la chaleur de combustion produit une combustion complète du mélange, signifiant une réduction particules de carbone et permettant une recirculation plus importante des gaz d'echappement. Bien entendu, de nombreuses modifications pourraient être apportées exemples de réalisation décrits ci-dessus sans sortir du cadre de l'invention. Ainsi, la bougie "crayon" telle que décrite précedemment, qui présente l'avantage d'avoir un long pied d'isolant en céramique 8 qui déborde largement du culot 19 de la bougie afin de pouvoir s'insérer entre les sièges de soupapes, pourrait également être utilisée dans un autre type de chambre de combustion 1. REVENDICATIONS 1. Chambre de combustion (1) de moteur thermique, formée entre la culasse (2), un cylindre (3) du moteur et une tête de piston (5), caractérisée en ce elle comprend une pièce cylindrique (4) formant bouclier thermique, ladite piece cylindrique (4) étant encastrée dans la culasse (2) et coiffant ledit cylindre du moteur. 2. Chambre de combustion conforme à la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend une tête de piston rapportee (5) formant bouclier thermique fixée au piston (6) du cylindre (3) du moteur. 3. Chambre de combustion conforme à la revendication 2, caracterisée en ce que la tête de piston rapportée (5) comporte un bord péripherique relevé (7) adapté à s'étendre au-delà d'un joint de culasse (2a) au point mort haut du piston (6) dans le cylindre (3). 4. Chambre de combustion conforme à l'une des revendications 2 ou 3, caractérisée en que la tête de piston rapportée (5) comporte une chambre annulaire en creux (8) en regard du fond (4a) de la pièce cylindrique (4). 5. Chambre de combustion conforme à l'une des revendications 2 à 4, caractérisée en ce qu'un premier segment de piston (9) est enchâssé dans la tête de piston rapportée (5). 6. Chambre de combustion conforme à l'une des revendications 2 à 5, caractérisée en ce que le bord périphérique (7) de la tete de piston rapportée (5) est inclinée vers l'axe du piston (6) en s'écartant du cylindre (3). 7. Chambre de combustion conforme à l'une des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que le fond (4a) de la pièce cylindrique (4) constitue un siège unique (10) des soupapes (11, 11', 12, 12') du moteur. 8. Chambre de combustion conforme à l'une des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que la paroi cylindrique (4b) de la pièce cylindrique (4) comporte un orifice (4c) adapté au passage d'un injecteur latéral (13, 13'). 9. Chambre de combustion conforme à l'une des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que ladite pièce cylindrique (4) est réalisée dans un matériau conducteur de l'électricité et comporte un dépôt sacrificiel de platine (15) formant une électrode de masse adaptée à coopérer avec une bougie 14') du moteur. 10. Chambre de combustion conforme à la revendication caractérisée en ce que le fond (4a) de la pièce cylindrique (4) comprend alésage 6), sensiblement au droit du creux maximum de la chambre annulaire (8) de la tete de piston rapportée (5), adapté à former une électrode de masse à sa base une partie de chambre thermique d'une bougie (14, 14') du moteur. 11. Bougie adaptée à coopérer avec une chambre de combustion (1) conforme à l'une des revendications 1 à 10, caractérisée en ce que l'électrode centrale (17) et le pied d'isolant (18) dépassent largement du culot (19) de ladite bougie (14).