Brevet FR2884284A1 — publié le 20061013

Piston à réserve d'air La présente invention se rapporte à un piston, notamment du type utilisé dans les moteurs Diesel. Une évolution des moteurs Diesel consiste à réduire les émissions de polluant, notamment les oxydes d'azote (NOx). Cependant, il est difficile de réduire fortement la formation d'oxydes d'azote tout en gardant un niveau assez faible en particules, notamment en suies. Pour atteindre ce but, plusieurs solutions sont mises en oeuvre actuellement. Sur les moteurs Diesel à injection directe, une stratégie d'injection particulière consistant en une injection multiple (multi injection) est mise en oeuvre. Cependant, cette multi injection sollicite plus fréquemment l'injecteur et réduit donc sa durée de vie. Une autre solution connue consiste à réaliser une combustion plus riche en diminuant le volume de la chambre de combustion défini par la culasse, le cylindre et un bol ménagé dans une base de la tête du piston. Cette solution présente cependant l'inconvénient qu'une combustion riche augmente la formation de particules de suie. Par ailleurs, pour réduire la quantité de suies émises, une solution proposée réside dans l'utilisation de filtres à particules. Cependant, cet équipement est onéreux à la fois à l'installation sur le véhicule et à l'utilisation puisqu'il engendre une surconsommation. De plus, ce filtre à particule réduit les performances du véhicule du fait de l'augmentation de la contre pression à l'échappement. Pour réduire la quantité de suies, on connaît également du brevet EP 0 969 191 un piston comportant une tête de piston de forme générale cylindrique terminée par une base dans laquelle est creusé un bol. Ce bol est délimité par une paroi latérale et un fond présentant un bossage. Ce bol est entouré par une rainure ménagée sur la base de la tête du piston, qui forme une réserve d'air au moment où le piston est à son point mort haut. Avec un tel dispositif, il est possible d'obtenir un mélange air+ carburant plus riche avant la combustion, par exemple en réalisant un bol de volume réduit, permettant ainsi de réaliser une combustion riche. Celle-ci permet de conserver un faible taux d'oxydes d'azote dans les gaz formés par la combustion du mélange. En contrepartie, une quantité importante de suie se forme à l'intérieur du cylindre. Lors de la détente des gaz de combustion, c'est-à-dire lors du temps de descente du piston depuis sa position de point mort haut vers sa position de point mort bas, l'air, qui était emprisonné dans la rainure lorsque le mélange air+ carburant a brûlé, permet de fournir de l'oxygène pour améliorer l'oxydation des suies. Ainsi, les suies sont post oxydées avant qu'elles n'atteignent le film d'huile à la surface interne du cylindre et ne souillent ce film d'huile. Cependant, ce piston présente l'inconvénient que seule une fraction limitée des suies est post oxydée lorsque le piston descend. Le but de l'invention consiste à proposer une solution permettant de limiter la formation d'oxydes d'azote tout en limitant la quantité de suies formées. On atteint ce but de l'invention au moyen d'un piston destiné à un moteur à combustion interne comportant une tête de forme générale cylindrique terminée par une base dans laquelle est creusé un bol, le bol étant délimité par une paroi latérale et un fond présentant un bossage, remarquable en ce qu'un premier renfoncement est ménagé à la surface du bossage. Lors de la détente des gaz de combustion, les particules de suies sont ainsi, avantageusement, post oxydées au moyen de la réserve d'air formée par le renfoncement ménagé à la surface du bossage, où l'air, qui n'a pas été mélangé à du carburant, n'a pas réagi au moment de l'inflammation dans le bol. Ainsi, on obtient un dispositif permettant de réduire le taux d'oxydes d'azote NOx dans les gaz d'échappement tout en limitant la quantité de suies formées. De préférence, ledit premier renfoncement est réalisé sous la forme d'une première rainure circulaire, de préférence coaxiale avec la tête de piston. Ainsi, la répartition de la réserve d'air est plus homogène dans le bol et donc la répartition des suies oxydées est plus homogène dans le bol et le cylindre. Par ailleurs, on obtient ainsi un meilleur équilibrage de la tête de piston et du piston. De préférence, un second renfoncement est ménagé dans ladite base de la tête du piston, à l'extérieur du bol. Il est ainsi possible de post oxyder une plus grande partie des gaz de combustion dans le cylindre lors de la détente succédant à la combustion du mélange. De manière préférée, ledit second renfoncement est réalisé sous la forme d'une seconde rainure circulaire, de préférence coaxiale avec la tête de piston. Ainsi, la répartition de la réserve d'air est plus homogène et donc la répartition des suies post oxydées dans le bol et le cylindre est également plus homogène. Par ailleurs on obtient ainsi un meilleur équilibrage de la tête de piston et du piston. De préférence, le volume et la forme de ce premier renfoncement sont adaptés en fonction de la position du renfoncement et de la circulation du flux de carburant injecté dans le bol. Ainsi, de manière préférée, le volume du premier renfoncement représente moins de 10% du volume total dudit bol et du second renfoncement. De préférence, le volume dudit second renfoncement représente plus de 10% du volume total dudit bol et du second renfoncement, et/ou moins de 50% du volume total dudit bol et du second renfoncement. Un grand volume de ce second renfoncement permet d'oxyder une partie plus importante des suies. De manière préférée, ledit bossage est de révolution et coaxial avec ladite tête de piston. Ainsi, de manière avantageuse, la tête de piston est bien équilibrée, ainsi que le piston. L'invention se rapporte également à un moteur à combustion interne remarquable en ce qu'il comporte au moins un piston conforme à l'invention. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à l'examen de la description des modes de réalisation préférés qui va suivre, présentés uniquement à titre d'exemples non limitatifs, en référence aux figures ci-annexées dans lesquelles: - les figures 1 et 2 représentent schématiquement en coupe la tête d'un piston conforme à l'invention, selon un premier mode de réalisation; - la figure 3 représente schématiquement en coupe la tête de piston des figures 1 et 2, le piston coopérant avec un cylindre et une culasse; et - la figure 4 représente schématiquement en coupe une moitié de la tête d'un piston conforme à l'invention, selon un second mode de réalisation. Sur ces figures, les mêmes références alphanumériques ont été utilisées pour désigner les éléments identiques. La figure 1 représente schématiquement en coupe la tête de piston 10 d'un piston conforme à l'invention, destiné à un moteur à combustion interne. Cette tête de piston 10 d'axe A est de forme générale cylindrique, délimitée par une paroi latérale externe 11 et terminée par une base 12. Dans cette base 12 est creusé un bol 14 à symétrie de révolution et délimité par une paroi latérale 16 et un fond 18. Le fond 18 du bol 14 présente un bossage 20 central et, en l'espèce, à symétrie de révolution par rapport à l'axe A. La base 12 regroupe donc la paroi latérale 16 et le fond 18 du bol, ainsi que la surface 22 à l'extérieur du bol, délimitée par le bord 24 de la paroi latérale externe 11 de la tête de piston 10 d'une part et par le bord supérieur 25 de la paroi latérale 16 du bol 14 d'autre part. Par ailleurs, un premier renfoncement 26 est ménagé à la surface du bossage 20, ce premier renfoncement 26 étant réalisé, en l'espèce, sous la forme d'une première rainure circulaire présentant une section en forme de U évasé. Dans l'exemple présenté, cette rainure circulaire 26 et la tête de piston 10 sont coaxiales. Bien entendu, ce mode de réalisation du premier renfoncement 26 n'est pas limitatif. En particulier, le renfoncement 26 peut prendre d'autres formes comme, par exemple, la forme de plusieurs rainures, éventuellement discontinues, s'étendant circonférentiellement à la surface du bossage 22. Le renfoncement 26 peut également, selon d'autres modes de réalisation de l'invention, ne pas être coaxial avec la tête de piston 10. Cependant, la réalisation de ce premier renfoncement 26 sous la forme d'une rainure circulaire coaxiale avec la tête de piston 10 permet une répartition homogène de la réserve d'air, ainsi qu'un meilleur équilibrage de la tête de piston 10 et du piston. Dans le mode de réalisation représenté à la figure 1, la tête de piston 10 comporte de plus un second renfoncement 28 ménagé dans la base 12 de la tête de piston 10, ce second renfoncement 28 étant réalisé sur la surface 22 à l'extérieur du bol 14. En l'espèce et de manière non limitative, ce second renfoncement 28 est réalisé sous la forme d'une rainure circulaire, coaxiale avec la tête de piston 10 et de section en sensiblement en forme de U évasé. Cependant, ce renfoncement peut également prendre d'autres formes et peut par exemple être réalisé par plusieurs rainures, éventuellement discontinues, s'étendant circonférentiellement. De plus, ce renfoncement 28 n'est pas forcément coaxial avec la tête de piston 10. Cependant, la réalisation de ce second renfoncement 28 sous la forme d'une rainure circulaire coaxiale avec la tête de piston 10 permet une répartition homogène de la réserve d'air, ainsi qu'un meilleur équilibrage de la tête de piston 10 et du piston. En regard de la figure 2, on définit les volumes suivants: - le volume total V, du bol 14 comprend le volume partiel V,' du bol 14 sans le premier renfoncement 26 et le volume V," du premier renfoncement 26 et est donc délimité par l'enveloppe cylindrique 30 (représentée par un trait interrompu) de la tête de piston 10, la paroi latérale 16 du bol 14 ainsi que par le fond 18 du bol 14; le volume V2 est le volume du second renfoncement 28 et est donc délimité d'une part par l'enveloppe cylindrique 30 de la tête de piston 10 et d'autre part par le second renfoncement 28 lui-même; - le volume partiel V,' correspond au volume V, du bol 14 sans le renfoncement 26; - le volume V," est le volume du premier renfoncement 26 et est délimité par le fond 18 du bol 14 si celuici présentait un bossage 20 sans le premier renfoncement 26 (trait en pointillé sur la figure 2) et, d'autre part, par le renfoncement 26 luimême; et - le volume total V représentant la somme des deux volumes V, et V2: V = V, + V2 (El) Par la suite, l'invention sera décrite, de manière non limitative, dans le cadre de sa mise en oeuvre dans un moteur Diesel, en regard de la figure 3 qui représente en coupe la coopération de la tête de piston 10 avec un cylindre 32 et une culasse 34, le piston se trouvant dans sa position de point mort haut. De manière classique, le piston coulisse dans le cylindre 32 fermé à son extrémité supérieure par la culasse 34. Initialement à sa position de point mort haut, le piston coulisse dans le cylindre 32 vers le bas, jusqu'à sa position de point mort bas, le cylindre 32 se remplissant d'air. Le piston étant à sa position de point mort bas, le cylindre 32 et le bol 14 sont remplis d'air. Le piston remonte alors vers sa position de point mort haut et l'air présent dans le cylindre 32 est comprimé. Du carburant est ensuite injecté au moyen d'un dispositif d'injection 36 dans le volume partiel V,' du bol 14 alors que le piston se trouve entre sa position de point mort bas et sa position de point mort haut. Du fait de la forme du bol 14 et notamment de la présence du bossage 20, le carburant se répand de manière sensiblement homogène dans le volume partiel V,' du bol 14. Cependant, les premier et second renfoncements 26, 28 sont disposés et conformés de manière à rester sensiblement remplis d'air après injection de carburant, représentée sur la figure 3 par les flèches 38, 40, ainsi le carburant ne se propage pas dans les volumes V," et V2 des premier et second renfoncements 26, 28. Peu avant que le piston ne se trouve dans sa position de point mort haut, le mélange air+ carburant formé dans le volume partiel V,' du bol 14 brûle. Cependant, l'air se trouvant dans les volumes V," et V2 des premier et second renfoncements 26, 28 ne réagit pas puisqu'il n'est pas chargé en carburant. Avec un bol 14 de relative petite taille, il est possible de réaliser une combustion riche, c'est-à-dire que le carburant se trouve en excès par rapport à l'air disponible dans le volume partiel V,' du bol 14. Une telle combustion riche permet de réduire la production d'oxydes d'azote NOx. Cependant, cette combustion riche engendre une importante formation de suies. Ces suies sont alors oxydées lorsque le piston coulisse vers sa position de point mort bas alors que le mélange gazeux présent dans le bol 14 se détend: - les suies présentes dans la zone périphérique du bol 14, c'està-dire à proximité de la paroi latérale 16 du bol 14, sont oxydées au début de la détente à l'aide de l'oxygène disponible dans le second renfoncement 28; - les suies présentes dans la zone centrale du bol 14 sont oxydées au moyen de l'air disponible dans le premier renfoncement 26 et éventuellement le reste de l'air encore disponible dans le second renfoncement 28. Avec une telle tête de piston 10, il est ainsi possible de post oxyder une grande partie des suies formées lors de l'inflammation du mélange, plus riche, air+carburant. Pour pouvoir oxyder les suies au cours de la phase de détente, la réserve d'oxygène dans le second renfoncement 28 est, de préférence, importante, le volume V2 défini par ce second renfoncement 28 étant de préférence supérieur à 10% du volume total V. Cependant, le volume V2 est, de préférence, inférieur à 50% du volume total V. Enfin, le volume V," défini par le premier renfoncement 26 reste, de préférence, réduit. Le volume V," est ainsi, de manière préférée, inférieur à 10% du volume total V. La figure 4 représente schématiquement en coupe une moitié de la tête d'un piston conforme à l'invention, selon un second mode de réalisation. Sur cette figure 4, la tête de piston 10 est sensiblement identique à celle représentée sur les figures 1 à 3. Cependant, la tête de piston 10 de la figure 4 présente un conduit 42 de circulation d'huile, réalisé sensiblement au droit du second renfoncement 28, qui, de manière connue en soi, permet de faire circuler de l'huile dans la tête de piston 10, afin d'améliorer le refroidissement de cette tête de piston 10. Ainsi, il est possible d'utiliser le piston alors que la charge moteur est plus importante. Le fond 44 du piston est également représenté sur cette figure 4. Comme cela est représenté sur la figure 4, trois cotes principales déterminent la configuration des premier et second renfoncements 26, 28 ainsi que de la forme du bol 14. Ainsi, la distance di représente la distance minimale entre la paroi latérale 16 du bol 14 et le conduit 42. De manière avantageuse, d, est au moins égal à une valeur minimale d, min permettant d'assurer une tenue thermomécanique adaptée et donc la durée de vie souhaitée pour le piston. De préférence, d, min est compris entre 6 et 7 mm. De même, la distance d2, représentant la distance entre le conduit 42 et le second renfoncement 28 est au moins égale à une valeur minimale d2 min, comprise entre 6 et 7 mm, ce qui permet d'augmenter avantageusement la durée de vie de la tête de piston 10. Enfin, la distance d3, représentant la distance entre le fond du premier renfoncement 26 et le fond 44 du piston, est de préférence au moins égale à la valeur minimale d32min permettant d'assurer une tenue thermomécanique satisfaisante de la tête de piston 10. De manière préférée, cette valeur d3 min est de l'ordre de 10 mm. Bien entendu, la présente invention ne se limite pas aux modes de réalisation présentés ci-avant. En particulier, le bol ainsi que les premier et second renfoncements peuvent ne pas être coaxiaux avec la tête de piston. Par ailleurs, les premier et second renfoncements peuvent être réalisées sous une forme moins régulière que des rainures circulaires, notamment sous la forme de plusieurs rainures, éventuellement discontinues, s'étendant circonférentiellement. Enfin, l'invention a été décrite dans des modes de réalisation préférés où deux renfoncements sont ménagés dans la tête de piston. Cependant, la tête de piston peut ne présenter qu'un renfoncement, réalisé au niveau du bossage dans le fond du bol, le deuxième renfoncement, réalisé en dehors du bol, n'étant qu'optionnel. REVENDICATIONS 1. Piston destiné à un moteur à combustion interne comportant une tête de piston (10) de forme générale cylindrique terminée par une base (12) dans laquelle est creusé un bol (14), le bol (14) étant délimité par une paroi latérale (16) et un fond (18) présentant un bossage (20), caractérisé en ce qu'un premier renfoncement (26) est ménagé à la surface du bossage (20) . 2. Piston selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit premier renfoncement (26) est réalisé sous la forme d'une première rainure circulaire. 3. Piston selon la revendication 2, caractérisé en ce que ladite première rainure circulaire (26) et ladite tête de piston (10) sont coaxiales. 4. Piston selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'un second renfoncement (28) est ménagé dans ladite base (12) de la tête de piston (10), à l'extérieur du bol (14). 5. Piston selon la revendication 4, caractérisé en ce que ledit second renfoncement (28) est réalisé sous la forme d'une seconde rainure circulaire. 6. Piston selon la revendication 5, caractérisé en ce que ladite seconde rainure circulaire et ladite tête de piston (10) sont coaxiales. 7. Piston selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le volume (V,") du premier renfoncement (26) représente moins de 10% du volume total (V) intégrant le volume total (V,) dudit bol (14) et, le cas échéant, le volume (V2) du second renfoncement (28). 8. Piston selon l'une quelconque des revendications 4 à 7, caractérisé en ce que le volume (V2) dudit second renfoncement (28) représente plus de 10% du volume total (V) et/ou moins de 50% du volume total (V). 9. Piston selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit bossage (20) est de révolution et coaxial avec ladite tête de piston (10). 10. Moteur à combustion interne, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un piston selon l'une quelconque des revendications précédentes.