Brevet FR2886683A1 — publié le 20061208

PISTON POUR MOTEUR A INJECTION DIRECTE L'invention concerne un piston pour un moteur à injection directe de carburant, et en particulier pour un moteur à injection directe de type diesel à quatre temps, tel qu'utilisé dans l'industrie automobile, et un moteur correspondant équipé d'un tel piston. Ces moteurs à injection directe comprennent classiquement, en référence à la figure 1, au moins un cylindre 1 avec une culasse 2 formant couvercle au-dessus du cylindre, et un piston 3 monté coulissant dans le cylindre entre un point mort haut et un point mort bas. Au moins une soupape d'admission d'air frais, au moins une soupape d'échappement, et un injecteur central de carburant 4 sont montés sur la culasse, sensiblement parallèlement à l'axe du cylindre. La couronne 31 du piston présente sur sa face supérieure 31a opposée à la culasse une cavité en forme de bol 5. Le bol du piston comporte classiquement un téton en forme de cône ou de tronc de cône, se raccordant à une paroi latérale 52. La paroi latérale 52 peut comprendre une partie inférieure concave 53 se prolongeant par une partie supérieure verticale 54 formant lèvre ou col rentrant. L'injecteur pulvérise le carburant sous haute pression en plusieurs jets disposés selon un cône, dans la chambre de combustion 6 définie entre la culasse et la couronne du piston. Pour réduire les émissions de polluants, tels que fumées, NOx, HC et CO, tout en maintenant ou améliorant les performances du moteur, une solution simple et facile à mettre en oeuvre consiste à réduire le diamètre de trou de la buse de l'injecteur pour favoriser la fragmentation des gouttelettes de carburants. Cette réduction de la perméabilité de la buse nécessite sur les points fortement chargés du cycle de fonctionnement du moteur une augmentation de la durée d'injection, pour assurer de bonnes quantités de carburant injectées. Les risques d'injection de jets de carburant en dehors du bol sur ces points chargés, lors de la phase de détente, tel qu'illustré sous la référence 7, sont alors importants. Le carburant injecté en dehors du bol produit des suies 8 dans la zone de chasse annulaire, à proximité de la paroi du cylindre, qui se mélangeront facilement à l'huile et produiront des matières charbonneuses. Le but de la présente invention est de pallier les inconvénients précités, notamment de proposer une solution visant à obtenir un bon compromis entre des performances spécifiques élevées et une émission de gaz polluants réduite. A cet effet, la présente invention a pour objet un piston pour moteur à injection directe de carburant, destiné à être monté coulissant dans un cylindre entre un point mort haut et un point mort bas, du type comprenant une couronne dont la face supérieure est munie d'une cavité en forme de bol, caractérisé en ce que ledit piston comprend une pièce montée mobile sur la couronne, ladite pièce étant apte à se déplacer entre une position rétractée et une position active dans laquelle ladite pièce forme une paroi entourant au moins partiellement ladite cavité, dont le bord supérieur fait saillie de la face supérieure de la couronne, de manière à guider les jets de carburant lors de la phase de détente. La pièce mobile permet donc de conduire sensiblement tout le carburant dans le bol même si la durée d'injection est très longue. Selon une particularité, ladite pièce mobile est apte à se déplacer entre ses deux positions par effet d'inertie lors du déplacement du piston entre le point mort haut et le point mort bas. Avantageusement, le bord supérieur de la pièce affleure sensiblement la face supérieure de la couronne dans sa position rétractée. Selon un mode de réalisation, ladite pièce est montée coulissante en translation sur la partie supérieure de la paroi latérale du bol, ladite pièce constitue une lèvre mobile du bol. Ladite pièce mobile est par exemple formée d'une bague annulaire munie d'une nervure radiale s'étendant radialement vers l'extérieur, disposée dans une gorge annulaire ménagée sur la partie supérieure cylindrique de la paroi latérale du bol, la course de la bague entre ses deux positions étant délimitée par la venue en butée de la nervure contre les parois parallèles opposées de ladite gorge. Avantageusement, la paroi latérale du bol présente une partie inférieure concave, le bord inférieur du bol étant disposé sensiblement dans le prolongement de ladite partie concave dans la position rétractée de la bague. L'invention a également pour objet un moteur à injection directe de carburant comprenant au moins un cylindre avec une culasse formant couvercle au-dessus du cylindre, sur laquelle sont montés, sensiblement parallèlement à l'axe du cylindre, au moins une soupape d'admission, au moins une soupape d'échappement, et un injecteur central de carburant apte à injecter des jets de carburant, et un piston monté coulissant dans le cylindre entre un point mort haut et un point mort bas, caractérisé en ce qu'il comprend un piston tel que défini précédemment, ladite pièce mobile étant apte à se déplacer vers sa position active lors du déplacement du piston de son point mort haut vers son point mort bas, et à revenir vers sa position rétractée lors du déplacement du piston de son point mort bas vers son point mort haut. L'invention sera mieux comprise, et d'autres buts, détails, caractéristiques et avantages apparaîtront plus clairement au cours de la description explicative détaillée qui va suivre d'un mode de réalisation particulier actuellement préféré de l'invention, en référence aux dessins schématiques annexés sur lesquels: - la figure 1 représente une vue schématique en coupe du cylindre d'un moteur de l'art antérieur; - la figure 2 représente une vue schématique en coupe du cylindre d'un moteur selon l'invention, illustrant le piston en phase de compression, au voisinage de son point mort haut, sa lèvre mobile en position retractée; et, - la figure 3 est une vue schématique analogue à la 20 figure 2, illustrant le piston en phase de détente, sa lèvre mobile en position active. Les figures 1 et 2 illustrent un cylindre 101 de moteur à injection directe selon l'invention, en particulier d'un moteur de type diesel. Le cylindre est fermé à son extrémité supérieure par une culasse 102, et un piston 103 est monté coulissant, de manière étanche, dans l'alésage 111 du cylindre. La chambre de combustion 106 est délimitée par la culasse et la face supérieure 131a de la tête ou couronne 131 du piston qui coulisse entre son point mort bas et son point mort haut. La face supérieure 13la du piston comporte une cavité circulaire ou bol profilé 105, sensiblement centré par rapport à l'axe A du cylindre. Le fond du bol comprend une élévation centrale ou téton 151 relié par une paroi latérale 152 à la face supérieure 131a, cette dernière formant une zone de chasse frontale annulaire entourant le bol. Le téton 151 présente une forme conique avec un sommet arrondi se poursuivant par une paroi conique. Cette paroi conique se poursuit par la paroi latérale 152 comprenant une première partie concave ou torique 153, et une partie supérieure cylindrique 154, raccordée à la face supérieure 131a. La culasse 102 comprend un injecteur central de carburant 104, disposé sensiblement selon l'axe A du cylindre. L'injecteur comporte une tête ou nez d'injection 141 disposé en saillie dans la chambre de combustion et muni de trous ou passages pour injecter le carburant sous forme de jets. La culasse comprend également une bougie de réchauffage et des soupapes d'admission et d'échappement (non représentées), par exemple deux soupapes d'admission et deux soupapes d'échappement, disposées autour de l'injecteur. Le moteur regroupe plusieurs cylindres avec des chambres de combustion analogues. Selon l'invention, une bague annulaire 109 est montée coulissante en translation, selon l'axe A, sur la partie supérieure 154 de la paroi latérale du bol, et constitue une lèvre mobile de bol. La bague présente sur sa face cylindrique extérieure un collet ou nervure annulaire 191, de section transversale sensiblement rectangulaire, orienté radialement vers l'extérieur. La paroi cylindrique de la partie supérieure 154 présente une gorge annulaire 155, de section transversale sensiblement rectangulaire, définie par une paroi de fond 155a et deux parois parallèles opposées 155b,155c, dans laquelle vient se positionner ladite nervure annulaire de la bague. Le bord extérieur de la nervure est en contact glissant avec la paroi de fond 155a de la gorge, et la hauteur de la gorge, correspondant à la distance entre les deux parois parallèles opposées 155b, 155c, est supérieure à la largeur de la nervure pour permettre le coulissement vertical de la bague, selon l'axe A, entre une position dite rétractée et une position active. Dans la position rétractée illustrée à la figure 2, la bague est en butée par sa nervure contre la paroi dite inférieure 155c de la gorge. La hauteur de la bague correspond sensiblement à celle de la partie supérieure de la paroi latérale. Le bord supérieur 109a de la bague est sensiblement au même niveau que la face supérieure 131a de la couronne, tandis que son bord inférieur 109b vient se positionner dans le prolongement de la partie concave pour garantir une continuité de surface. La bague est en contact glissant par sa face extérieure avec les portions restantes de paroi supérieure disposées de part et d'autre de la gorge. Dans la position active illustrée à la figure 3, la nervure est en butée contre la paroi supérieure 155b de la gorge. La bague dépasse de la face supérieure 131a, son bord supérieur étant disposé au-delà de la face supérieure de la couronne. Une description du fonctionnement du piston selon l'invention va à présent être effectuée. Dans la phase de compression du point mort bas vers le point mort haut, la bague est maintenue en position rétractée en butée contre la paroi inférieure de la gorge par effet d'inertie. La figure 2 illustre le piston à proximité de son point mort haut en phase de compression. Dans cette position rétractée, la bague ne perturbe pas la combustion dans la chambre. Pour améliorer le mélange du carburant et de gaz d'admission, et donc augmenter le rendement de la combustion dans la chambre, il est connu de générer un flux tourbillonnaire des gaz d'admission, appelé communément "swirl", autour d'un axe sensiblement identique à celui du cylindre, en adoptant par exemple une géométrie et une disposition particulière des conduits d'admission d'air. La bague en position rétractée n'altère pas cet effet de squish . Lors de la phase de détente, du point mort haut vers le point mort bas, la bague monte par rapport à la couronne, de manière progressive, par l'effet d'inertie, jusqu'à sa position active illustrée à la figure 3. La bague sépare la zone périphérique de chasse de la zone centrale de la chambre de combustion. Les jets de carburant 107 sont ainsi guidés dans le passage interne de la bague vers le fond du bol, tel qu'illustré par la flèche F1. Même si la durée d'injection est longue, pour compenser notamment une fragmentation importante du carburant, la bague permet de guider sensiblement tout le carburant vers le bol ce qui permet de limiter ou supprimer la production de suies près de la paroi de l'alésage de cylindre et donc d'éviter la production de matières charbonneuses dans l'huile. Par ailleurs, lors de la détente, comme la distance entre la culasse et la partie lèvre reste faible, la vitesse d'écoulement des gaz d'admission vers la zone de chasse, appelé communément reverse squish et représenté par la flèche référencée F2, est élevée et génère une forte turbulence, ce qui assure un bon mélange des gaz d'admission. La bague reste en position active jusqu'au point mort bas, puis revient progressivement vers sa position rétractée au début de la phase de détente. Au point mort haut, la bague demeure dans sa position rétractée, au même niveau que la face supérieure de la couronne, sans toucher la culasse. Par ailleurs, la bague est en position rétractée lorsque les soupapes d'échappement sont ouvertes, et le piston est suffisamment éloigné de son point mort haut lors de l'ouverture des soupapes d'admission d'air frais de manière à éviter un contact de la bague avec ces dernières. Le piston selon l'invention, équipé de sa bague mobile ne nécessite aucune adaptation particulière de la culasse. En variante, le montage de la bague sur la couronne est obtenu également par un système de nervure et de gorge, la gorge étant cette fois-ci ménagée sur la face extérieure de bague, la partie supérieure de la paroi latérale étant munie d'une nervure annulaire apte à coopérer avec ladite gorge pour assurer le coulissement de la bague entre ses deux positions. Bien que l'invention ait été décrite en liaison avec un mode de réalisation particulier, il est bien évident qu'elle n'y est nullement limitée et qu'elle comprend tous les équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons si celles-ci entrent dans le cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Piston pour moteur à injection directe de carburant, destiné à être monté coulissant dans un cylindre entre un point mort haut et un point mort bas, du type comprenant une couronne dont la face supérieure est munie d'une cavité en forme de bol, caractérisé en ce que ledit piston (103) comprend une pièce (109) montée mobile sur la couronne (131), ladite pièce étant apte à se déplacer entre une position rétractée et une position active dans laquelle ladite pièce forme une paroi entourant au moins partiellement ladite cavité, dont le bord supérieur (109a) fait saillie de la face supérieure de la couronne. 2. Piston (103) selon la revendication 1, 15 caractérisé en ce que ladite pièce mobile (109) est apte à se déplacer entre ses deux positions par effet d'inertie lors du déplacement du piston entre le point mort haut et le point mort bas. 3. Piston selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le bord supérieur (109a) de la pièce (109) affleure sensiblement la face supérieure (131a) de la couronne (131) dans sa position rétractée. 4. Piston selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ladite pièce est montée coulissante en translation sur la partie supérieure (154) de la paroi latérale (152) du bol, ladite pièce constitue une lèvre mobile du bol. 5. Piston selon la revendication 4, caractérisé en ce que ladite pièce mobile est formée d'une bague annulaire (109) munie d'une nervure radiale (191) s'étendant radialement vers l'extérieur, disposée dans une gorge annulaire (155) ménagée sur la partie supérieure cylindrique (154) de la paroi latérale (152) du bol (105), la course de la bague entre ses deux positions étant délimitée par la venue en butée de la nervure contre les parois parallèles opposées (155b, 5 155c) de ladite gorge. 6. Piston selon la revendication 5, caractérisé en ce que la paroi latérale du bol présente une partie inférieure concave, le bord inférieur (109b) du bol étant disposé sensiblement dans le prolongement de ladite partie concave dans la position rétractée de la bague. 7. Moteur à injection directe de carburant comprenant au moins un cylindre avec une culasse formant couvercle au-dessus du cylindre, sur laquelle sont montés, sensiblement parallèlement à l'axe du cylindre, au moins une soupape d'admission, au moins une soupape d'échappement, et un injecteur central de carburant apte à injecter des jets de carburant, et un piston monté coulissant dans le cylindre entre un point mort haut et un point mort bas, caractérisé en ce qu'il comprend un piston (103) selon l'une des revendications 1 à 6, ladite pièce mobile (109) étant apte à se déplacer vers sa position active lors du déplacement du piston de son point mort haut vers son point mort bas, et à revenir vers sa position rétractée lors du déplacement du piston de son point mort bas vers son point mort haut.