Brevet FR2885958A1 — publié le 20061124

PISTON POUR MOTEUR A COMBUSTION INTERNE ET MOTEUR ACOMBUSTION INTERNE COMPORTANT AU MOINS UN TEL PISTON DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE ET ART ANTÉRIEUR La présente invention se rapporte principalement à un piston pour moteur à combustion interne à injection directe, notamment pour les moteurs à allumage par compression, et à un moteur à combustion interne comportant au moins un tel piston. Lors de la combustion du carburant dans la chambre de combustion, du monoxyde d'azote ainsi que des suies sont produits. Ces substances étant polluantes, leur taux d'émission dans les gaz d'échappement est réglementé. Il est alors nécessaire d'optimiser les moteurs de manière à réduire la quantité de telles substances dans les gaz d'échappement. Il existe actuellement plusieurs moyens pour réduire ces émissions. Certains moteurs utilisent des stratégies d'injection particulières, cependant ces stratégies ont pour inconvénient de solliciter de manière importante le dispositif d'injection, réduisant pour les dispositifs classiques, leur durée de vie. Il est également utilisé un filtre à particules, qui retient les particules les plus grosses. Or ce filtre est très coûteux à mettre en place et à entretenir. De plus, il a un impact négatif sur les performances du moteur, du fait de la contre pression qu'il provoque en s'interposant dans le chemin d'évacuation des gaz d'échappement. Une autre méthode consiste à réinjecter une partie des gaz d'échappement à l'admission. Ainsi une partie des substances contenues dans les gaz d'échappement est brûlée lors de la combustion. Cependant ceci provoque une baisse d'efficacité du turbo-compresseur. Il est également connu du document EP 0 969 191, un piston pour moteur diesel réduisant la pollution de l'huile du moteur par des particules de suie. Le piston comporte un fond, délimitant une chambre de combustion, le fond étant muni d'une cavité centrale et d'une cavité annulaire entourant la cavité centrale. Le volume de la cavité annulaire représente entre 5% et 20% du volume total formé par le volume des cavités centrale et annulaire. En outre, le rapport des diamètres extérieurs de la cavité annulaire et du piston est au moins égal à 0,9. Or il apparaît que la quantité de monoxyde d'azote produite reste trop importante. C'est par conséquent un but de la présente invention d'offrir un moteur à combustion interne dont les gaz d'échappement contiennent des teneurs acceptables à la fois en monoxyde d'azote et en suies. EXPOSÉ DE L'INVENTION Le but précédemment énoncé est atteint par un piston, dont le fond comporte une chambre principale et une chambre annulaire, le volume de la chambre annulaire étant compris entre 20% et 50% du volume total des chambres principale et secondaire. La présente invention a par conséquent principalement pour objet un piston pour moteur à combustion interne comprenant un fond destiné à délimiter une chambre de combustion avec un cylindre dudit moteur, le piston étant apte à coulisser dans ledit cylindre, le fond comportant une première cavité sensiblement centrale délimitant une chambre principale et une deuxième cavité sensiblement annulaire entourant la chambre principale et formant une chambre auxiliaire, lesdites cavités étant pratiquées dans une face d'extrémité dudit fond, caractérisé en ce que le rapport entre le volume de la chambre auxiliaire et le volume total comprenant le volume de la chambre principale et celui de la chambre auxiliaire est compris entre 0,2 et 0,5 à l'exclusion de 0,2. Dans un exemple de réalisation, la cavité formant la chambre principale comporte sensiblement un bossage central, avantageusement en forme de cône. De manière préférentielle, la paroi longitudinale de la chambre principale est sensiblement en forme de tore. L'extrémité du tore orienté du côté de la face d'extrémité peut se raccorder à une paroi cylindrique. La chambre auxiliaire comporte avantageusement une paroi radialement extérieure de forme tronconique et une paroi radialement intérieure tronconique, leur plus petite base étant orientée du côté de la face d'extrémité du piston. Par exemple, les parois radialement intérieure et extérieure peuvent se raccorder par un fond à section longitudinale en arc de cercle. En outre, le rapport entre rayon extérieur de la chambre auxiliaire et le rayon extérieur du piston peut être inférieur ou égal à 0,9. La présente invention a également pour objet un moteur à combustion interne comportant au moins un cylindre, dans lequel un piston selon la présente invention est apte à coulisser dans ledit cylindre l'allumage se faisant, par exemple, par compression. Le piston selon la présente invention permet d'optimiser l'émission de monoxyde d'azote et la production de suies afin d'atteindre un compromis acceptable pour l'une et pour l'autre. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre et des dessins en annexe sur lesquels : la figure 1 est une représentation schématique d'un piston dans un moteur en phase d'injection ; la figure 2 est une représentation schématique du piston de la figure 1 en phase de détente ; la figure 3 est une vue en coupe longitudinale d'un fond de piston selon la présente invention ; la figure 4 est une vue en coupe longitudinale d'une variante de réalisation d'un piston selon la présente invention. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS Sur la figure 1, on peut voir un piston 2 selon la présente invention d'axe longitudinal X, dans un cylindre (non représenté) d'un moteur à combustion interne, à injection directe, en phase d'injection du carburant. Le piston 2 est sensiblement coaxial au cylindre et est apte à coulisser dans celui-ci. Le piston 2 comporte un fond 8 délimitant une chambre de combustion 6 avec une portion de culasse 10 du cylindre. La chambre de combustion 6 est divisée en une chambre principale 12 et une chambre auxiliaire 14 entourant la chambre principale 12. La chambre principale 12 est formée par un cavité pratiquée dans une face supérieure 24 du fond 8 du piston sensiblement dans une zone centrale de celui-ci. La cavité 12 est délimitée par un fond 16 et une paroi longitudinale 20. Dans l'exemple représenté, le fond 16 est muni d'un bossage central 18, sensiblement en forme de cône d'angle au sommet alpha 3, définissant un canal annulaire 22 avec la paroi 20 dans la partie radialement externe du fond 16 de la cavité 12. De manière avantageuse, le sommet du cône est arrondi ou aplati. L'angle a3 est avantageusement compris entre 40[deg] et 60[deg], quant à la hauteur hl2 de la cavité 12, celle-ci dépend de la cylindrée du moteur muni du piston selon la présente invention. La paroi 20, dans l'exemple représenté, a un profil sensiblement toroïdal. Cette forme a pour avantage de provoquer un mouvement vers l'extérieur du piston des suies produites, pour les mettre en contact de l'oxygène de la chambre auxiliaire, comme il sera expliqué par la suite. Les dimensions du tore dépendent également de la cylindrée du moteur comportant un tel piston. De manière avantageuse, la connexion entre le fond 16 et la paroi 20 a une section longitudinale en forme d'arc. Dans l'exemple représenté, la paroi 20 s'étend vers la partie supérieure du fond 8 par un cylindre 26 d'axe X. La connexion 28 entre l'extrémité supérieure du cylindre et la face supérieure 24 du fond a une section longitudinale en forme d'arc de cercle, par exemple de rayon supérieure à 1 mm. D12 est choisi en fonction de la cylindrée du moteur et du rapport volumétrique de compression recherché. La forme de la chambre auxiliaire 14 est avantageusement choisie, pour provoquer un mouvement de convection dans la zone supérieure du piston ayant pour effet de ramener l'oxygène contenu dans la chambre auxiliaire vers la partie centrale du piston. La chambre auxiliaire comporte une gorge annulaire entourant la chambre principale 12. Dans l'exemple représenté la gorge est d'axe X. La chambre auxiliaire comporte une paroi radialement externe 32 formée par un premier tronc de cône d'axe X et une paroi radialement interne 34 formée par un deuxième tronc de cône. Les parois 32 et 34 se raccordent dans le fond de la chambre par une gouttière annulaire 36 ayant une section longitudinale en arc de cercle. Les troncs de cône sont avantageusement orientés de manière identique, les plus petites bases étant orientées du côté de la face d'extrémité 24. L'angle d'inclinaison al de la paroi 32 par rapport à l'axe X est avantageusement beaucoup plus faible que l'angle a2 de la paroi 34. Par exemple, al est compris avantageusement entre 80[deg] et 120, et a2 est avantageusement compris entre 10[deg] et 150[deg]. Les extrémités supérieures des parois 32 et 34 se raccordent avantageusement à la face supérieure 24 du fond par des arcs de cercle vus en coupe longitudinale. La profondeur hl4 de la chambre auxiliaire dépend également de la cylindrée du moteur muni du piston selon la présente invention et du rapport volumétrique de compression recherché. Dans l'exemple représenté, les chambres 32 et 34 sont coaxiales à l'axe X, mais les deux chambres peuvent ne pas être coaxiales entre elles, une seule peut être coaxiale à l'axe X ou les deux chambres peuvent être coaxiales entre elles et décalées par rapport à l'axe X. Les chambres 12 et 14 peuvent également avoir un axe longitudinal commun, distinct de l'axe X, par exemple pour des moteurs comportant deux soupapes par cylindres. De plus, les parois intérieure 34 et extérieure 32 ne sont pas nécessairement toutes deux de formes tronconiques, une seule d'entre elles peut l'être afin d'induire à l'oxygène le mouvement souhaité. Sur la figure 4, on peut voir une variante de réalisation d'un piston selon la présente invention. La chambre auxiliaire 114 comporte un fond 136 formé par un renflement annulaire 130. Dans l'exemple représenté, le fond 136 est incliné en direction de l'axe X. Mais on peut envisager un fond sensiblement perpendiculaire à l'axe X, ou même incliné vers l'extérieur du piston. La chambre de combustion est de volume V réparti entre le volume VI de la chambre principale 12 et V2 de la chambre auxiliaire 14. Selon la présente invention, V2 est strictement supérieur à 20% du volume V, et inférieur au égal à 50% du volume V. Le choix de ce rapport permet d'obtenir un bon compromis entre la quantité de monoxyde d'azote produite et celle de suies générée. En effet si V2 est trop faible par rapport à V, typiquement inférieur à 20% du volume total V, la quantité de suies générée est faible, cependant celle de monoxyde d'azote est trop importante. Au contraire, si V2 est trop grand, typiquement s'il représente plus de 50% du volume total V, la quantité de monoxyde d'azote est acceptable mais celle des suies ne l'est plus, même en tenant compte d'une post-oxydation. De manière avantageuse, le rapport du diamètre extérieur D32 de la chambre auxiliaire 14 et du diamètre extérieur D2 du piston, est inférieur ou égal à 0,9. V2 est, par exemple, égal à 7000 mm et VI égal à 18000 mm , V est alors égal à 25000 mm . Le rapport V2 sur V est alors égal à 0,28. Nous allons maintenant décrire une phase de combustion-détente dans un moteur muni d'un piston selon la présente invention. Lors de la phase d'injection (figure 1), le piston 2 est dans une position haute dans le cylindre, un injecteur 38 injecte du carburant, typiquement du gazole dans la chambre principale 12. Le carburant sous pression s'enflamme. Il y alors production de monoxyde d'azote et de suies. La phase de détente commence (figure 2), le piston se déplace selon la flèche A. La forme de la chambre auxiliaire 14 ramène vers le centre du piston selon la flèche B, l'oxygène emprisonné dans la chambre 14 lors de la montée du piston jusqu'à sa position haute. La forme de la chambre principale 12, quant à elle, ramène les suies vers l'extérieur de la chambre selon la flèche C. Une partie des suies rencontre l'oxygène, une post-oxydation d'une partie des suies a alors lieu, réduisant alors la quantité de suies rejetée dans les gaz d'échappement. Un moteur selon la présente invention, comporte avantageusement plus d'un cylindre muni d'un piston selon la présente invention, par exemple quatre ou six. Le véhicule comportant un tel moteur, peut également comporter un filtre à particules, et/ou peut appliquer une stratégie multi-injection et/ou réinjecter à l'admission une partie des gaz d'échappement. REVENDICATIONS 1. Piston pour moteur à combustion interne comprenant un fond (8) destiné à délimiter une chambre de combustion (6) avec un cylindre dudit moteur, le piston étant apte à coulisser dans ledit cylindre, le fond (8) comportant une première cavité (12) sensiblement centrale délimitant une chambre principale (12) et une deuxième cavité (14,114) sensiblement annulaire entourant la chambre principale (12) et formant une chambre auxiliaire, lesdites cavités étant pratiquées dans une face d'extrémité (24) du fond (8), caractérisé en ce que le rapport entre le volume (V2) de la chambre auxiliaire (14,114) et le volume total (V) comprenant le volume (VI) de la chambre principale (12) et celui (V2) de la chambre auxiliaire (14,114) est compris entre 0,2 et 0,5 à l'exclusion de 0,2. 2. Piston selon la revendication 1, dans lequel la cavité formant la chambre principale (12) comporte sensiblement un bossage central (18). 3. Piston selon la revendication 2, dans lequel le bossage (18) a une forme de cône. 4. Piston selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel la chambre principale (12) comporte une paroi longitudinale (20) sensiblement en forme de tore. 5. Piston selon la revendication précédente, dans lequel l'extrémité du tore orientée du côté de la face d'extrémité (24) se raccorde à une paroi cylindrique (26). 6. Piston selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel la chambre auxiliaire (14,114) comporte une paroi radialement extérieure (32) de forme tronconique et une paroi radialement intérieure de forme (34) tronconique, leur plus petite base étant orientée du côté de la face d'extrémité (24) du piston. 7. Piston selon la revendication précédente, dans lequel les parois radialement intérieure (34) et extérieure (32) se raccordent par un fond (36) à section longitudinale en arc de cercle. 8. Piston selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel le rapport entre le rayon extérieur de la chambre auxiliaire (14,114)) et le rayon extérieur du piston est inférieur ou égal à 0, 9. 9. Moteur à combustion interne comportant au moins un cylindre, dans lequel un piston selon l'une quelconque des revendications précédentes est apte à coulisser dans ledit cylindre. 10. Moteur selon la revendication précédente, dans lequel l'allumage se fait par compression.