Brevet FR2864581A1 — publié le 20050701

"Piston, moteur à combustion interne comportant un tel piston et procédé de commande d'un tel moteur" La présente invention concerne un piston, un moteur à combustion interne comportant un tel piston et un procédé de 5 commande d'un tel moteur. On recherche des solutions pour améliorer les moteurs à combustion interne à injection directe équipant des véhicules automobiles, qu'il s'agisse des moteurs à essence ou notamment des moteurs Diesel, et cela afin de réduire d'une part la io consommation spécifique de ces moteurs et, d'autre part, l'émission de polluants, tels que les particules, et ainsi satisfaire aux normes définissant les valeurs maximales de telles émissions. Pour ce faire, il est notamment nécessaire d'avoir une 15 bonne maîtrise des différents paramètres de la combustion afin de pouvoir mieux la contrôler. Ainsi, il est connu que des améliorations peuvent être obtenues en agissant sur la qualité du mélange entre les gaz d'admission et le carburant, en particulier en réalisant un mélange sensiblement homogène dans lequel les gaz d'admission et le carburant sont répartis sensiblement uniformément. 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 tourbillonnaire du type swirl de la charge de gaz d'admission autour d'un axe sensiblement confondu ou parallèle à l'axe du cylindre; - l'effet de chasse, dit squish , des gaz d'admission 30 entre la face supérieure du piston et la culasse. En dehors de la pulvérisation du carburant selon un cône d'injection qui résulte des caractéristiques de l'injection, la vitesse des gaz d'admission dépend quant à elle essentiellement de l'action du mouvement de swirl et de l'action de l'effet de chasse ou squish qui ont lieu majoritairement contre la paroi de la partie inférieure de la chambre de combustion constituée par une cavité formée dans la face supérieure du piston. Ainsi, pour les géométries actuelles des pistons et des chambres de combustion des moteurs à injection directe, on a constaté que les vitesses maximales atteintes par les gaz d'admission, et plus particulièrement par celle du flux gazeux de squish , étaient devenues sensiblement plus faibles que celles obtenues pour le carburant. Les conditions aérodynamiques ainsi obtenues dans la chambre de combustion ne permettent donc pas d'obtenir un mélange sensiblement homogène pour l'ensemble de la plage de fonctionnement du moteur, ce qui permettrait de limiter l'émission de la quantité de particules dans les gaz d'échappement. En effet, en deçà des régimes dits intermédiaires (de l'ordre de 2000 à 2500 tours par minute), la turbulence est trop faible dans le mouvement aérodynamique des gaz d'admission et il y a un risque d'impact d'un jet de carburant sur la paroi de la chambre de combustion d'autant plus important qu'on utilise des pressions d'injection élevées. Au delà de ces régimes intermédiaires, le mouvement aérodynamique de rotation des gaz d'admission est par contre trop important et il y a un risque de recouvrement du ou des jets de carburant. On a plus particulièrement constaté que, lors de l'injection de carburant, seule la périphérie du cône d'injection formé par les jets parvenait à être alimentée en gaz sous l'action conjuguée des effets de swirl et de squish , au détriment du coeur du cône d'injection de carburant qui reste quant à lui essentiellement riche en carburant. Or, l'excès en carburant par rapport aux gaz d'admission provoque une combustion incomplète du carburant qui se traduit par la formation d'hydrocarbures imbrûlés et des fumées noires en sortie d'échappement L'invention vise à remédier à ces inconvénients en proposant notamment un piston de géométrie particulière permettant d'améliorer l'homogénéité du mélange air/carburant. Dans ce but, l'invention propose un piston pour un moteur s à combustion interne à injection directe, notamment du type Diesel, qui coulisse axialement dans un cylindre du moteur en décrivant un mouvement de va-etvient et qui comporte dans sa face supérieure une cavité comportant une ouverture d'entrée, caractérisé en ce que le rapport entre l'aire de l'ouverture io d'entrée de la cavité et l'aire de la section transversale par un plan radial du piston est inférieur à 0,5. Avantageusement, un tel piston permet d'augmenter les vitesses maximales du flux gazeux de squish en favorisant ainsi la pénétration des gaz jusqu'au coeur du cône d'injection is formé par les jets de carburant. De plus, l'angle au sommet du cône d'injection étant réduit afin d'optimiser l'injection dans la cavité de faible diamètre d'entrée du piston, on améliore de surcroît pour de telles vitesses de squish l'homogénéité finale du mélange air/carburant. Selon d'autres caractéristiques du piston selon l'invention: - le contour de l'ouverture d'entrée de la cavité est circulaire, notamment centré sur l'axe du piston; - le rapport entre le diamètre de l'ouverture d'entrée de la cavité et le diamètre du piston est inférieur à 0,3; - la cavité présente une symétrie de révolution autour de l'axe du piston. L'invention propose aussi un moteur à combustion interne à injection directe, notamment du type Diesel, comportant une culasse portant un injecteur qui injecte le carburant directement à l'intérieur d'une chambre de combustion dont la partie axialement inférieure est constituée par la cavité d'un piston selon l'invention, caractérisé en ce que l'injecteur émet des jets de carburant selon un cône d'injection d'angle au sommet inférieur à 100 degrés. Selon d'autres caractéristiques du moteur à combustion interne selon l'invention: - la face supérieure du piston et/ou la portion de la face inférieure de la culasse du moteur qui délimite la partie supérieure de la chambre de combustion, comporte(nt) des moyens pour guider un flux gazeux, dit de squish , que provoque le piston par effet de chasse lorsqu'il se déplace axialement vers son point mort haut, vers le coeur du cône d'injection de carburant; io - au voisinage de l'ouverture d'entrée de la cavité du piston, la face supérieure du piston comporte une portion de guidage du flux de squish de forme convexe orientée axialement vers le haut; - au voisinage de l'ouverture d'entrée de la cavité, la face inférieure de la culasse comporte une portion de guidage du flux de squish de forme concave orientée axialement vers le bas, complémentaire de la portion de guidage convexe du piston; - le portion de guidage du flux de squish appartient à un insert qui est rapporté dans un logement complémentaire de la face inférieure de la culasse. L'invention propose encore un procédé de commande d'un moteur à combustion interne selon l'invention, caractérisé en ce que l'injection du carburant dans la chambre de combustion comporte au moins: - une première phase d'injection d'au moins une première quantité de carburant en fin de phase de compression du cycle moteur, avant que le piston n'atteigne le point mort haut (PMH) ; et - une deuxième phase d'injection d'au moins une deuxième 30 quantité de carburant en phase de détente. Avantageusement, la première quantité de carburant et/ou la seconde quantité de carburant sont injectées dans la chambre de combustion lorsque la vitesse tangentielle du flux de squish est maximale de manière à augmenter l'homogénéité du mélange air-carburant. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre en référence aux figures annexées, dans lesquelles: - la figure 1 est une vue schématique en coupe axiale qui représente partiellement un cylindre d'un moteur à combustion interne dans lequel coulisse un piston réalisé conformément aux enseignements de l'invention; io - la figure 2 est une vue en section transversale selon un plan radial de la chambre de combustion du moteur selon la figure 1, qui illustre la face supérieure du piston et selon un exemple de réalisation préféré une cavité dont le contour de l'ouverture d'entrée est circulaire - les figures 3 et 4 sont des vues partielles de détail selon la figure 1 qui représentent respectivement la première phase d'injection en début de phase de compression et la deuxième phase d'injection en fin de phase de détente selon le procédé de commande de l'invention et qui illustrent, plus particulièrement durant ces phases, le flux de squish induit par l'effet de chasse que provoque le piston lorsqu'il se déplace axialement vers son point mort haut; - les figures 5 et 6 sont des vues analogues aux figures 3 et 4 qui représentent un premier exemple de réalisation de moyens de guidage du flux de squish vers le coeur du cône d'injection; - les figures 7 et 8 sont des vues analogues à la figure 3 qui représentent respectivement un deuxième exemple de réalisation de moyens de guidage du flux de squish vers le coeur du cône d'injection et une variante de réalisation de cet exemple de réalisation. Dans la description qui va suivre, des chiffres de référence identiques désignent des pièces identiques ou ayant des fonctions similaires. Par convention, et à titre non limitatif, on utilisera les termes "supérieur" ou "inférieur", "axial" ou "radial" pour désigner des éléments ou des positions orientés respectivement selon la figure 1 vers le haut ou le bas, et selon l'axe X-X du piston. On a représenté schématiquement sur la figure 1, une coupe axiale de la partie supérieure d'un moteur à combustion interne 10 à injection directe, notamment du type Diesel, qui comporte au moins un piston 12 réalisé conformément aux enseignements de l'invention, un cylindre 14 et une culasse 16. io Le piston 12 comporte une tête supérieure 18 et une jupe axiale inférieure 20 et il coulisse axialement selon l'axe X-X dans le cylindre 14 du moteur 10 en décrivant un mouvement alternatif de va-et-vient. Plus précisément, la course axiale maximale du piston 12 dans le cylindre 14 correspond à la distance entre le point mort haut (PMH) et le point mort bas (PMB) de cette course. Le piston 12 est relié à une bielle 22 par un axe de piston 24. La paroi latérale 26 de la tête 18 comporte des gorges annulaires périphériques 28 qui reçoivent des segments d'étanchéité 30 qui coopèrent avec la paroi de l'alésage du cylindre 14. Le piston 12 comporte dans sa face supérieure 32 une cavité 34 qui constitue la partie la plus inférieure d'une chambre de combustion 36 dont la partie supérieure est délimitée par la culasse 16 du moteur. De préférence, la cavité 34 a sensiblement la forme d'un bol qui comporte une gorge annulaire périphérique 38 et un bossage central 40 qui est ici globalement de forme conique ou en variante non représentée en forme de calotte sphérique. De manière connue, la géométrie de la cavité 34 est fonction des applications. Plus précisément, la gorge annulaire 38 et le bossage central 40 sont déterminés notamment selon l'effet de swirl désiré et de manière à favoriser le mélange air/carburant pour en améliorer l'homogénéité. La culasse 16 comporte un circuit d'admission 42 qui communique avec la chambre de combustion 36 au travers d'au moins une soupape d'admission 44, un circuit d'échappement 46 qui communique avec la chambre de combustion 36 au travers d'au moins une soupape d'échappement 48, et au moins un injecteur 50 comportant un nez 52 qui injecte le carburant, émis à travers des orifices de sortie ou de pulvérisation sous la forme de jets (j) de fines gouttelettes, directement dans la chambre de combustion 36. io Le cylindre 14 comporte avantageusement des moyens conventionnels (non représentés) pour animer les gaz d'admission d'un mouvement tourbillonnaire du type swirl à l'intérieur de la chambre de combustion 36. De tels moyens peuvent par exemple être constitués par des déflecteurs équipant les conduits d'admission 42 de la culasse 16. La chambre de combustion 36 est délimitée latéralement par la paroi intérieure de l'alésage du cylindre 14 et axialement respectivement par la face inférieure de la culasse 16 dans sa partie supérieure et par la cavité 34 dans sa partie inférieure. La cavité 34 débouche axialement vers le haut dans la face supérieure 32 du piston 12 par une ouverture d'entrée 54. Conformément aux enseignements de l'invention et comme on peut le voir sur la figure 2, la géométrie et les dimensions de l'ouverture d'entrée 54 sont telles que le rapport (R) entre l'aire (Al) ou section de passage de l'ouverture d'entrée 54 de la cavité 34 et l'aire (A2) de la face supérieure 32 du piston 12 soit inférieur à 0,5. Grâce à l'invention, on augmente les vitesses du flux gazeux de squish , ce qui facilite le mélange ou la mixtion des gouttelettes de carburant avec les gaz d'admission et conduit donc à réduire l'émission de polluants en améliorant l'homogénéité du mélange air/carburant. Selon un exemple de réalisation préféré illustré aux figures 1 et 2, l'ouverture d'entrée 54 de la cavité 34 est délimitée dans le plan radial de la face supérieure 32 par un contour 56 qui est circulaire et ici centré sur l'axe X-X du piston 12. L'ouverture d'entrée 54 de la cavité 34 est conformée de manière à augmenter les vitesses du flux gazeux de squish et elle est avantageusement réalisée de manière que le rapport (r) entre le diamètre (d) de l'ouverture 54 et le diamètre (D) du piston 12 soit inférieur à 0, 3 et de préférence compris entre 0,1 et 0,3. L'ensemble des jets (j) de carburant détermine une nappe ou un cône d'injection 58 d'angle au sommet (a) qui est notamment fonction de la géométrie de la cavité 34. Avantageusement, l'angle au sommet (a) du cône d'injection 58 est inférieur à 100 degrés et il est plus particulièrement déterminé en fonction du diamètre (d) de l'ouverture d'entrée 54 de la cavité 34. Conformément au procédé de commande selon l'invention, l'injection du carburant selon le cône d'injection 58 d'angle (a) dans la chambre de combustion 36 comporte au moins une première phase d'injection et une deuxième phase d'injection respectivement schématisées aux figures 3 et 4. On a symbolisé à l'aide de flèches, sur chacune des figures 3 et 4, l'écoulement du flux (F) gazeux de squish lors desdites première et deuxième phases d'injection. Le flux gazeux de squish correspond respectivement à l'effet de chasse ou squish que provoque le piston 12 lorsqu'il se déplace axialement vers son point mort haut PMH en fin de phase de compression et à l'effet de squish inverse lorsqu'il quitte le point mort haut PMH en début de phase de détente et en direction du point mort bas PMB. La première phase d'injection consiste à injecter au moins une première quantité de carburant en fin de phase de compression du cycle moteur, avant que le piston 12 n'atteigne le point mort haut PMH. De préférence, la première quantité de carburant est donc injectée dans la chambre de combustion 36 lorsque la vitesse tangentielle du flux de squish est maximale de manière à augmenter le mélange du carburant et des gaz par pénétration des gaz dans le coeur du cône d'injection 58. L'ensemble du mélange air/carburant ainsi obtenu présente une meilleure homogénéité de sorte que les émissions de polluants issues de la combustion du mélange sont réduites. La deuxième phase d'injection consiste à injecter au moins une deuxième quantité de carburant en début de phase de détente, c'est à dire après que le piston 12 ait franchi le point io mort haut PMH et qu'il se déplace axialement vers le point mort bas PMB. La deuxième quantité de carburant injectée est alors extraite vers les zones radialement extérieures du piston 12 au voisinage du cylindre 14 sous l'action d'un effet de squish inverse de manière que le carburant injecté ne pénètre pas dans la cavité 34 et ne se mélange donc pas avec le mélange riche, notamment en gaz brûlés, résultant de la combustion de la première quantité de carburant et qui est symbolisé par des points dans la cavité 34. De préférence, la deuxième quantité de carburant est aussi injectée dans la chambre de combustion 36 lorsque la vitesse tangentielle du flux de squish est maximale lors de l'effet de squish inverse. Grâce à une injection réalisée conformément au procédé de commande selon l'invention, on optimise le cycle de fonctionnement du moteur en augmentant notamment le délai d'auto-inflammation du mélange air/carburant puisque les première et deuxième phases d'injection sont effectuées lorsque les niveaux de pression et de température sont les plus faibles. Avantageusement, on obtient ainsi un meilleur pré-mélange permettant d'améliorer l'homogénéité du mélange air/carburant et de réduire les émissions de polluants, notamment des émissions de NOx dont on sait qu'ils contribuent à augmenter la température 2864581 io dans la chambre de combustion 36 lorsque le piston 12 est au voisinage de son point mort haut PMH. Grâce au procédé selon l'invention, l'injection est mieux répartie dans la chambre de combustion 36, notamment entre le cylindre 14 et la cavité 34, et on optimise ainsi l'exploitation des vitesses de squish supérieures obtenues au moyen d'un piston 12 conforme aux enseignements de l'invention. De préférence, il est prévu des moyens pour guider le flux gazeux (F) de squish vers le coeur du cône d'injection 58 de io carburant afin d'optimiser l'utilisation des vitesses de squish supérieures ainsi obtenues. Les figures 5 et 6 représentent un premier exemple de réalisation de moyens de guidage du flux gazeux de squish . Selon ce premier exemple, la face supérieure 32 du piston 12 comporte, au voisinage de l'ouverture d'entrée 54 de la cavité 34 du piston 12, une portion annulaire de guidage 60 du flux de squish qui est de forme convexe orientée axialement vers le haut, et la portion de la face inférieure en vis-à-vis de la culasse 16 est sensiblement plane. On détermine avantageusement pour chaque application le profil de la portion de guidage 60 du piston 12 de manière que le flux de squish pénètre au coeur du cône d'injection résultant de la première phase d'injection de carburant en fin de phase de compression lorsque sa vitesse tangentielle est maximale, et réciproquement pour la deuxième phase d'injection en début de phase de détente. La figure 7 représente un deuxième exemple de réalisation de moyens de guidage du flux gazeux de squish . Selon ce deuxième exemple, au moins la face inférieure de la culasse 16 comporte, au voisinage de l'ouverture d'entrée 54 de la cavité 34, une portion annulaire de guidage 62 du flux de squish qui est de forme concave orientée axialement vers le bas. 2864581 Il Avantageusement, le piston 12 comporte aussi une portion de guidage convexe 60 telle que décrite précédemment et qui est complémentaire de la portion de guidage 62 de la culasse 16. La portion de guidage 62 de la culasse 16 est de préférence réalisée par usinage de la face inférieure de la culasse 16 La figure 8 représente une variante du deuxième exemple de réalisation selon la figure 7 dans laquelle la portion annulaire de guidage 62 du flux de squish appartient à un insert 64 qui io est rapporté dans un logement complémentaire 66 de la face inférieure de la culasse 16. Ainsi, la face supérieure 32 du piston 12 et/ou la portion de la face inférieure de la culasse 16 du moteur 10 comportent une portion de guidage 60, 62 du flux de squish . is Les moyens de guidage du flux gazeux de squish sont notamment choisis en fonction des caractéristiques des jets de carburant, telles que leurs orientations, de manière à atteindre le coeur du cône d'injection et à obtenir un mélange homogène des gaz avec le carburant qu'amplifie l'effet de mixtion produit par les turbulences dues au swirl dans le mouvement aérodynamique des gaz d'admission. REVENDICATIONS 1. Piston (12) pour un moteur (10) à combustion interne à injection directe, notamment du type Diesel, qui comporte dans sa face supérieure (32) une cavité (34) comportant une ouverture d'entrée (54), caractérisé en ce que le rapport (R) entre l'aire (Al) de l'ouverture d'entrée (54) de la cavité (34) et l'aire (A2) de la section transversale par un plan radial du piston (12) est inférieur à 0,5. 2. Piston (12) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le contour (56) de l'ouverture d'entrée (54) de la cavité (34) est circulaire, notamment centré sur l'axe X-X du piston (12). 3. Piston (12) selon la revendication 2, caractérisé en ce que le rapport (r) entre le diamètre (d) de l'ouverture d'entrée (54) de la cavité (34) et le diamètre (D) du piston (12) est inférieur à 0,3. 4. Piston (12) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la cavité (34) présente une symétrie de révolution autour de l'axe X-X du piston (12). 5. Moteur à combustion interne à injection directe, notamment du type Diesel, comportant une culasse (16) portant un injecteur (50) qui injecte le carburant directement à l'intérieur d'une chambre de combustion (36) dont la partie axialement inférieure est constituée par la cavité (34) d'un piston (12) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'injecteur (50) émet des jets de carburant selon un cône d'injection (58) d'angle au sommet (a) inférieur à 100 degrés. 6. Moteur selon la revendication 5, caractérisé en ce que la face supérieure (32) du piston (12) et/ou la portion de la face inférieure de la culasse (16) du moteur (10) qui délimite la partie supérieure de la chambre de combustion (36), comporte(nt) des moyens (60, 62) pour guider un flux gazeux (F), dit de squish , que provoque le piston (12) par effet de chasse lorsqu'il se déplace axialement vers son point mort haut (PMH), vers le coeur du cône d'injection (58) de carburant. 7. Moteur selon la revendication 6, caractérisé en ce que, au voisinage de l'ouverture d'entrée (54) de la cavité (34) du piston (12), la face supérieure (32) du piston (12) comporte une portion de guidage (60) du flux de squish de forme convexe orientée axialement vers le haut. 8. Moteur selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce que, au voisinage de l'ouverture d'entrée (54) de la cavité (34), la face inférieure de la culasse (16) comporte une portion de guidage (62) du flux de squish de forme concave orientée axialement vers le bas. 9. Moteur selon la revendication 8, caractérisé en ce que le portion de guidage (62) du flux de squish appartient à un insert qui est rapporté dans un logement complémentaire de la face inférieure de la culasse (16). 10. Procédé de commande d'un moteur à combustion interne selon l'une quelconque des revendications 5 à 9, caractérisé en ce que l'injection du carburant dans la chambre de combustion (36) comporte au moins: - une première phase d'injection d'au moins une première quantité de carburant en fin de phase de compression du cycle moteur, avant que le piston (12) n'atteigne le point mort haut (PMH) ; et - une deuxième phase d'injection d'au moins une deuxième quantité de carburant en phase de détente. 11. Procédé de commande selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la première quantité de carburant et/ou la seconde quantité de carburant sont injectées dans la chambre de combustion (36) lorsque la vitesse tangentielle du flux de squish est maximale de manière à augmenter l'homogénéité du mélange air-carburant.