Brevet FR2849902A1 — publié le 20040716

"Piston pour moteur à combustion comportant une cavité constituée d'au moins deux zones de profils différents" L'invention propose un piston pour un moteur à combustion interne à injection directe, qui comporte une cavité constituée de plusieurs zones de profils différents. L'invention propose plus particulièrement un piston pour un moteur à combustion interne à injection directe, du type qui coulisse axialement dans un cylindre du moteur en décrivant un mouvement de va-et-vient et qui comporte, dans sa face 10 supérieure, une cavité délimitant la partie inférieure d'une chambre de combustion, et du type dans lequel le moteur comporte au moins un injecteur qui injecte le carburant directement à l'intérieur de la chambre de combustion. On cherche généralement à réduire la consommation des 15 moteurs et à réduire l'émission de polluants tels que les particules. De telles améliorations peuvent être obtenues en agissant sur la qualité du mélange entre les gaz admission et le carburant, en particulier en réalisant un mélange sensiblement homogène. Dans le cas d'un moteur à injection directe, trois phénomènes principaux qui se combinent, permettent d'obtenir un mélange sensiblement homogène: la pulvérisation du carburant en fines gouttelettes - le mouvement au milieu de l'air du type "swirl" de la 25 charge des gaz d'admission autour d'un axe sensiblement confondu ou parallèle à l'axe du cylindre; - le mouvement d'air provoqué par l'injection de carburant. Le mouvement de "swirl" se forme dans une cavité, ou "bol", réalisée dans la face supérieure du piston dans laquelle 30 l'injecteur injecte le carburant sous la forme de plusieurs jets. Selon une conception connue, la cavité présente une symétrie de révolution autour d'un axe globalement parallèle à l'axe du piston, et elle comporte ainsi une gorge annulaire périphérique, et un bossage central en forme de calotte globalement conique. Il existe deux catégories de cavités généralement utilisées dans les moteurs à combustion. Une première catégorie de cavités, dites "à bol large", regroupe l'ensemble des cavités de rayon élevé et de faible profondeur. Ces cavités sont associées avec des injecteurs qui génèrent des jets fortement inclinés par rapport à l'axe du piston. Cette catégorie de cavités permet de former des jets de 10 grande longueur, améliorant ainsi le mélange des gaz d'admission avec le carburant injecté. Cependant, lorsque le moteur fonctionne à haut régime, les gaz d'admission dévient les jets vers l'extérieur de la cavité, rendant alors cette dernière inutile. De plus, le plus grand rayon 15 de la cavité est limité par les dimensions du piston et la présence de porte-segments et de galeries d'huile. La deuxième catégorie de cavités, dites "à bol profond", regroupe les cavités de rayon plus faible et de profondeur plus importante. Ces cavités sont associées avec des injecteurs qui 20 génèrent des jets faiblement inclinés par rapport à l'axe du piston. De plus, le mélange du carburant avec les gaz d'admission dans la cavité est amélioré en injectant le carburant sensiblement tangentiellement à la paroi du bossage central, pour que le carburant parcourre une distance la plus importante possible dans 25 la cavité, le long de laquelle le carburant est apte à venir en contact avec une plus grande proportion des gaz d'admission. Une cavité de cette catégorie permet de conserver le mélange des gaz d'admission avec le carburant à l'intérieur de la cavité, quel que soit le régime de fonctionnement du moteur. 30 Cependant, puisqu'une faible proportion des gaz d'admission, pénètre à l'intérieur de la cavité, leur mélange avec le carburant est limité. Chacune des deux catégories de cavités permet, en fonction du régime du moteur, d'améliorer soit le comportement du moteur, soit la combustion et donc réduire l'émission de polluant. Ainsi, les conceptions actuelles des cavités ne permettent pas simultanément d'améliorer le comportement du moteur et de 5 réduire les émissions polluantes, pour un maximum de plages de régime du moteur. L'invention a pour but de proposer un piston qui comporte une cavité dont la conception permet aussi bien d'améliorer le comportement du moteur que de réduire les émissions polluantes, 10 quelque soit la plage de régime du moteur. Dans ce but, l'invention propose un piston du type décrit précédemment, caractérisé en ce que la cavité comporte une première zone qui s'étend sur un premier secteur angulaire, et une deuxième zone qui s'étend sur un deuxième secteur angulaire 15 distinct du premier secteur angulaire, les deux secteurs angulaires étant centrés sur un même axe commun parallèle à l'axe du piston, dit axe commun, et en ce que le profil de la première zone, en section par un demi-plan délimité par l'axe commun est différent du profil de la deuxième zone, suivant un 20 autre demi-plan délimité par l'axe commun. Selon d'autres caractéristiques de l'invention - la cote radiale du point du profil de la première zone qui est distal de l'axe commun, est supérieure à la cote radiale du point du profil de la deuxième zone qui est distal de l'axe 25 commun; - la cote axiale du point du profil de la première zone qui est distal de la face supérieure du piston, est inférieure à la cote axiale du point du profil de la deuxième zone qui est distal de la face supérieure du piston; - la cavité comporte une troisième zone, qui s'étend sur un troisième secteur angulaire centré sur l'axe commun, en reliant une première extrémité de la première zone à une première extrémité en vis-à-vis de la deuxième zone, et une quatrième zone qui s'étend sur un quatrième secteur angulaire BI 172 2849902 centré sur l'axe commun, en reliant une deuxième extrémité de la première zone à une deuxième extrémité en vis-à-vis de la deuxième zone, et en ce que le profil de chacune des troisième et quatrième zones est continment variable en fonction de sa cote angulaire autour de l'axe commun, de manière que le profil d'extrémité de la troisième ou de la quatrième zone soit identique au profil associé de la première ou de la deuxième zone; l'injecteur injecte le carburant vers la cavité sous la forme de plusieurs jets globalement coniques, et l'angle io d'inclinaison d'un jet dirigé vers une zone, qui est l'angle aigu défini par l'axe principal du jet et l'axe du piston, est différent de l'angle l'inclinaison d'un jet dirigé vers une autre zone; - la valeur de l'angle d'inclinaison d'un jet dirigé vers la première zone est supérieure à la valeur de l'angle d'inclinaison d'un jet dirigé vers l'une des deuxièmes, troisième ou quatrième zones; la valeur de l'angle d'inclinaison d'un jet dirigé vers la deuxième zone est inférieure à la valeur de l'angle inclinaison d'un jet dirigé vers l'une des première, troisième ou quatrième zones; - l'injecteur est incliné par rapport à l'axe du piston, et en ce qu'il est situé dans un demi-plan radial qui est délimité par l'axe commun et qui est sécant avec la deuxième zone de la cavité; - l'axe principal de l'injecteur est situé dans le plan passant par l'axe du piston et l'axe commun. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit pour la compréhension de laquelle on se reportera aux figures annexées parmi lesquelles: - la figure 1 est une représentation schématique en perspective d'un piston comportant une cavité conforme à l'invention; - la figure 2 est une section du piston représenté à la figure 1 suivant la ligne 2-2, représentant les profils des première et deuxième zones de la cavité. On a représenté à la figure 1 un piston 10 d'un moteur à s combustion interne à injection directe d'axe principal A globalement vertical et il comporte une tête 12 dans son tronçon supérieur et une jupe 14 dans son tronçon inférieur. La paroi cylindrique externe 16 de la tête 12 comporte des gorges annulaires périphériques 18 qui reçoivent des segments 10 (non représentés). Le piston comporte dans sa face supérieure 20 une cavité 22 qui délimite la partie inférieure d'une chambre de combustion du moteur, et elle comporte dans sa partie centrale un bossage 26 en forme de calotte globalement conique, et une gorge 15 périphérique 28. Puisqu'il s'agit d'un moteur à injection directe, celui-ci comporte un injecteur 28, représenté à la figure 2, dont le nez 30 débouche directement dans la chambre en direction de la cavité 22. Conformément à l'invention, la cavité 22 comporte une première zone 32 qui s'étend sur un premier secteur angulaire 33 centré sur un axe B parallèle à l'axe A du piston, et une deuxième zone 34 globalement opposée à la première zone 32 par rapport à l'axe B et qui s'étend sur un deuxième secteur angulaire 35 centré 25 sur l'axe B, que l'on appellera par la suite axe commun. La cavité 22 comporte aussi une troisième zone 36 qui s'étend sur un troisième secteur angulaire 37 centré sur l'axe commun B en reliant une première extrémité angulaire de la première zone 32 à une première extrémité angulaire en vis-à-vis 30 de la deuxième zone 34, et une quatrième zone 38, globalement opposée à la troisième zone 36 par rapport à l'axe commun B, et qui s'étend sur un quatrième secteur angulaire 39 centré sur l'axe commun B en reliant la deuxième extrémité angulaire de la première zone 32 à la deuxième extrémité angulaire en vis-à-vis de la deuxième zone 34. La première zone 32 et la deuxième zone 34 de la cavité 22 sont chacune de profil constant sur la totalité de leur secteur angulaire. Selon l'invention, et comme on peut le voir à la figure 2, le profil de la première zone 32, en section par un demi-plan délimité par l'axe commun B est constant sur la totalité du premier secteur angulaire 33 et est différent du profil de la deuxième zone 10 34, en section par un autre demi-plan délimité par l'axe commun B, qui est constant sur la totalité du deuxième secteur angulaire 35. La forme générale des profils des différentes zones de la cavité 22 est globalement constante, seules les dimensions des 15 profils varient entre deux zones. Ainsi, chaque profil comporte un premier tronçon 40 formant la génératrice du bossage central 24 de la cavité 22, qui s'étend depuis un premier point P de l'axe commun B, vers le fond de la cavité 22 en s'écartant de l'axe commun B, et un deuxième 20 tronçon 42 formant la génératrice de la gorge 26 de la cavité 22, qui s'étend depuis l'extrémité inférieure du premier tronçon 40 vers la face supérieure 20 du piston 10, en décrivant globalement un arc de cercle. La définition des dimensions du profil de la première zone 25 32 et de la deuxième zone 34 de la cavité 22 peut être effectuée en utilisant les points MI, M2, qui sont les points du profil distaux de la face supérieure 20 du piston 10, les dimensions HI, H2, qui sont les distances axiales respectives des points MI, M2 à la face supérieure 20 du piston 10, les point NI, N2, qui sont les points 30 du profil distaux de l'axe commun B, et les dimensions RI, R2, qui sont les distances radiales respectives des points NI, N2 à l'axe commun B. Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, le profil de la première zone 32 de la cavité 22 est un profil du type "à bol large" c'est-à-dire de rayon élevé et de faible profondeur, tandis que le profil de la deuxième zone 34 de la cavité 22 est un profil du type "à bol profond" c'est-à-dire de faible rayon et de profondeur élevée. Ainsi, la cote Hi de la première zone 32 est inférieure à la cote H2 de la deuxième zone 34, et la cote RI de la première zone 32 est supérieur à la cote R2 de la deuxième zone 34. De ce fait, la première zone 32 et la deuxième zone 34 de la cavité 22 permettent chacune d'améliorer soit le comportement 10 du moteur, soit de réduire la production d'éléments polluants, pour des plages de régime du moteur différentes. La troisième zone 36 et la quatrième zone 38 de la cavité 22 ont chacune un profil dont les dimensions varient en fonction de la cote angulaire du profil autour de l'axe commun B, de 15 manière à éviter toute variation "brusque" de profil entre chaque extrémité de la première zone 32 et l'extrémité associée de la troisième zone 36 ou de la quatrième zone 38, respectivement, et entre chaque extrémité de la deuxième zone 34 et l'extrémité associée de la troisième zone 36 ou de la quatrième zone 38, 20 respectivement. Ainsi, le profil de la troisième zone 36 est continment variable depuis une première extrémité angulaire de liaison avec une première extrémité angulaire de la première zone 32, pour laquelle le profil est identique au profil de la première zone 32, 25 jusqu'à une deuxième extrémité angulaire de liaison avec une première extrémité angulaire de la deuxième zone 34, pour laquelle le profil est identique au profil de la deuxième zone 34. De la même manière, le profil de la quatrième zone 38 est continment variable depuis une première extrémité angulaire de 30 liaison avec la deuxième extrémité angulaire de la première zone 32, pour laquelle le profil est identique au profil de la première zone 32, jusqu'à une deuxième extrémité angulaire de liaison avec la deuxième extrémité angulaire de la deuxième zone 34, pour laquelle le profil est identique au profil de la deuxième zone 34. La troisième zone 36 et la quatrième zone 38 n'ont pas de profil ayant des dimensions constantes sur la totalité du secteur 5 angulaire associé 37, 39, ce qui leur permet donc d'améliorer le comportement du moteur ou de réduire la production d'éléments polluants pour des plages intermédiaires de régime du moteur ou lors de variations du régime du moteur. Selon un mode de réalisation de l'invention, chacune des 1o quatre zones 32, 34, 36, 38 s'étend sur un secteur angulaire ayant une ouverture angulaire identique, c'est-à-dire de 900. Cependant, il sera compris que l'invention n'est pas limitée à ce mode de réalisation, et que l'ouverture angulaire de chaque secteur angulaire peut être différente de celle d'un ou plusieurs 15 autres secteurs angulaires. Ainsi, selon une première variante, l'ouverture angulaire du premier secteur angulaire 33 et du deuxième secteur angulaire 35 sont supérieures aux ouvertures angulaires du troisième secteur angulaire 37 et du quatrième secteur angulaire 39. Aussi, selon une deuxième variante, l'ouverture angulaire du premier secteur angulaire 33 est supérieure à l'ouverture du premier secteur angulaire 33, ou inversement. L'efficacité de chacune des quatre zones 32 à 38 dépend non seulement de leur profil, mais aussi de l'injection du 25 carburant dans ces zones. Aussi, comme on l'a dit plus haut, les cavités du type "à bol large", c'est-à-dire ici la première zone 32 de la cavité 22 sont associées à des jets fortement inclinés par rapport à l'axe A du piston 10, et les cavités du type "à bol profond", c'est-à-dire ici la 30 deuxième zone 34 de la cavité 22, sont associées à des jets faiblement inclinés par rapport à l'axe A du piston 10. Pour cela, comme on l'a représenté à la figure 2, l'injecteur 28 injecte le carburant vers la cavité sous la forme de plusieurs jets, que l'on a représentés ici par leurs axes Dl, D2 respectifs, et la valeur de l'angle "a" d'inclinaison du jet dirigé vers la première zone 32 de la cavité 22, qui est l'angle aigu défini par l'axe Dl du jet et un axe E passant par le nez de l'injecteur 28 et parallèle à l'axe A du piston 10 est importante, de l'ordre de 800. De plus, la valeur de l'angle "13" d'inclinaison du jet dirigé vers la deuxième zone 34 de la cavité 22, qui est l'angle aigu défini par l'axe D2 du jet et l'axe A du piston 10, est inférieure à la valeur de l'angle "a" d'inclinaison du jet dirigé vers la première zone 32, et elle est relativement faible, de l'ordre de 200. Enfin, la valeur de l'angle d'inclinaison d'un jet dirigé vers la troisième zone 36 ou la quatrième zone 38 est comprise entre les valeurs des angles "a", d'inclinaison du jet dirigé vers la première zone 32, et "D", d'inclinaison du jet dirigé vers la deuxième zone 34. Du fait de la valeur importante de l'angle "ax", une inclinaison de l'axe principal C de l'injecteur 28 faible par rapport à l'axe A du piston 10 impliquerait un brusque changement de direction de l'écoulement du carburant dans l'injecteur, ce qui se traduit par la formation par cavitation de poches de vapeur de 20 carburant qui réduisent le débit du jet de carburant en sortie du nez 30 de l'injecteur 28. Pour limiter le risque de formation de ces poches de vapeur de carburant, l'axe principal C de l'injecteur 28 est incliné par rapport à l'axe A du piston 10 de manière à réduire 25 l'inclinaison de l'axe Dl du jet dirigé vers la première zone 32 par rapport à l'axe principal C de l'injecteur 28, et, préférentiellement, de manière à réduire l'inclinaison de chacun des axes Dl, D2 des jets par rapport à l'axe principal C de l'injecteur 28. Ainsi, l'injecteur 28 est incliné par rapport à l'axe A du 30 piston, de manière qu'il s'étende en partie au-dessus de la deuxième zone 34, c'està-dire qu'il est situé dans un demi-plan radial délimité par l'axe commun B et qui est sécant avec la deuxième zone 34 de la cavité 22, et, selon une variante de l'invention, l'axe principal C de l'injecteur est situé dans le plan passant par l'axe A du piston et l'axe commun B. REVENDICATIONS 1. Piston (10) pour un moteur à combustion interne à injection directe, du type qui coulisse axialement dans un cylindre du moteur en décrivant un mouvement de va-et-vient et qui 5 comporte, dans sa face supérieure, une cavité (22) délimitant la partie inférieure d'une chambre de combustion, et du type dans lequel le moteur comporte au moins un injecteur (28) qui injecte le carburant directement à l'intérieur de la chambre de combustion, caractérisé en ce que la cavité (22) comporte une première zone (32) qui s'étend sur un premier secteur angulaire (33), et une deuxième zone (34) qui s'étend sur un deuxième secteur angulaire (35) distinct du premier secteur angulaire (33), les deux secteurs angulaires étant centrés sur un même axe commun (B) 15 parallèle à l'axe (A) du piston (10), dit axe commun (B), et en ce que le profil de la première zone (32), en section par un demiplan délimité par l'axe commun (B) est différent du profil de la deuxième zone (34), suivant un autre demi-plan délimité par l'axe commun (B). 2. Piston (10) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la cote radiale (Rl) du point (NI) du profil de la première zone (32) qui est distal de l'axe commun (B), est supérieure à la cote radiale (R2) du point (N2) du profil de la deuxième zone (34) qui est distal de l'axe commun (B). 3. Piston (10) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la cote axiale (HI) du point (MI) du profil de la première zone (32) qui est distal de la face supérieure du piston (10), est inférieure à la cote axiale (H2) du point (M2) du profil de la deuxième zone (34) qui est distal de la face 30 supérieure du piston (10). 4. Piston (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la cavité (22) comporte une troisième zone (36), qui s'étend sur un troisième secteur angulaire (37) centré sur l'axe commun (B), en reliant une première extrémité de la première zone (32) à une première extrémité en vis-à-vis de la deuxième zone (34), et une quatrième zone (38) qui s'étend sur un quatrième secteur angulaire (39) centré sur l'axe commun (B), en reliant une deuxième extrémité 5 de la première zone (32) à une deuxième extrémité en vis-à-vis de la deuxième zone (34), et en ce que le profil de chacune des troisième et quatrième zone (38)s est continment variable en fonction de sa cote angulaire autour de l'axe commun (B), de manière que le profil d'extrémité de la troisième ou de la 10 quatrième zone (38) soit identique au profil associé de la première ou de la deuxième zone (34). 5. Piston (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, du type dans lequel l'injecteur (28) injecte le carburant vers la cavité (22) sous la forme de plusieurs jets 15 globalement coniques, caractérisé en ce que l'angle d'inclinaison d'un jet dirigé vers une zone, qui est l'angle aigu défini par l'axe principal du jet et l'axe (A) du piston (10) , est différent de l'angle l'inclinaison d'un jet dirigé vers une autre zone. 6. Piston (10) selon la revendication précédente, 20 caractérisé en ce que la valeur de l'angle (a) d'inclinaison d'un jet dirigé vers la première zone (32) est supérieure à la valeur de l'angle d'inclinaison (b) d'un jet dirigé vers l'une des deuxièmes, troisième ou quatrième zones. 7. Piston (10) selon l'une des revendications 5 ou 6, 25 caractérisé en ce que la valeur de l'angle d'inclinaison (D) d'un jet dirigé vers la deuxième zone (34) est inférieure à la valeur de l'angle inclinaison d'un jet dirigé vers l'une des première, troisième ou quatrième zones. 8. Piston (10) selon l'une quelconque des revendications 30 précédentes, caractérisé en ce que l'injecteur (28) est incliné par rapport à l'axe (A) du piston (10), et en ce qu'il est situé dans un demi-plan radial qui est délimité par l'axe commun (B) et qui est sécant avec la deuxième zone (34) de la cavité (22). 9. Piston (10) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l'axe principal (C) de l'injecteur (28) est situé dans le plan passant par l'axe (A) du piston (10) et l'axe commun (B).