Brevet FR2904042A1 — publié le 20080125

DISPOSITIF D'AIDE AU DEMARRAGE A FROID POUR LES MOTEURS A ESSENCE [0001] Le domaine technique de l'invention concerne les moteurs à combustion interne, et plus spécifiquement les moteurs impliquant des pistons en deux parties, l'une définissant un piston interne, et l'autre un piston externe, ledit piston interne étant apte à coulisser dans le piston externe, et ledit piston externe se déplaçant dans une chambre de combustion. De cette manière, l'utilisation de ce principe de piston en deux parties, dont l'une se déplace avec un déphasage temporel et une amplitude différente par rapport à l'autre, va influencer de façon significative les conditions d'aérodynamique interne de la chambre de combustion, en créant, en accentuant ou en diminuant des phénomènes d'écoulement gazeux de type swirl, tumble ou squish. Le besoin de maîtriser l'aérodynamique de la chambre de combustion, provient du fait que les moteurs actuels souffrent d'un fort taux d'émission d'hydrocarbures imbrûlés, particulièrement lors de leur démarrage à froid, et ce principalement tant que le catalyseur n'a pas atteint sa température d'activation. Les premières secondes de fonctionnement du moteur sont donc extrêmement pénalisantes en terme d'émission de polluants, puisque selon le cycle d'homologation considéré jusqu'à 90% des émissions imbrûlés peuvent être produites durant les 30 premières secondes. Or, les mesures d'émissions sur le cycle normalisé européen prennent e n compte une période de ralenti de I l s avant la première rampe de montée en charge, période critique en terme de montée en température du moteur et donc en terme d'émission. Les mécanismes de préparation du mélange et de combustion sont donc primordiaux durant cette période tant en terme d'émissions de polluants qu'en terme de rendement du moteur. De même, les échanges thermiques avec les parois sont synonymes de pertes importantes, particulièrement à froid. Or, plus le taux de compression d'un moteur est élevé, plus les transferts thermiques entre les gaz et les parois du cylindre sont élevées durant la phase de compression. De plus, pour les moteurs à combustion diesel tout comme les moteurs essence utilisant une combustion de type auto-allumage contrôlé, la compression à un taux suffisamment élevé de l'air ou du mélange carburé est nécessaire au phénomène d'inflammation du mélange et de combustion qui s'en suit, combustion en 2904042 2 diffusion pour les moteurs diesel, et en auto-allumage pour les moteurs à essence. Cette compression élevée augmente les transferts thermiques. Donc, en raison de tous les phénomènes précités lors du déroulement de la combustion, la maîtrise de l'aérodynamique interne de la chambre de combustion est essentielle pour 5 permettre de stabiliser la combustion, d'accélérer son déroulement et de limiter les risques d'imbrûlés. [0002] Les dispositifs faisant intervenir un piston interne dans un piston externe existent déjà et ont fait l'objet de brevets. On peut citer, par exemple, le brevet WO 2004/015256 qui divulgue l'utilisation d'un piston en deux parties, l'une matérialisant un piston interne 10 et l'autre un piston externe, ledit piston interne étant monté dans le piston externe, et ledit piston externe étant apte à se déplacer dans une chambre de combustion d'un moteur à combustion interne. La position du piston interne est réglée au moyen d'une came reliée au piston externe, ladite position étant déterminée en fonction du taux de compression recherché. Le montage qui est décrit dans ce brevet permet de fixer le piston interne dans 15 une position donnée, mais n'est pas conçu pour faire varier en continu ladite position. [0003] Les moteurs à combustion interne selon l'invention mettent en jeu un piston interne monté coulissant dans un piston externe, lui-même apte à coulisser dans une chambre de combustion. Lesdits pistons ont la possibilité de se déplacer en continu l'un par rapport à l'autre et également par rapport à la chambre, permettant de moduler en 20 permanence, au cours du temps, le volume de ladite chambre, offrant ainsi une grande variabilité d'écoulements gazeux dans ladite chambre. Ce système à deux pistons emboîtés l'un dans l'autre, permet, entre autres, en fonction de la cinématique de déplacement desdits pistons, de conserver un taux de compression géométrique constant par rapport à un système à un piston unique courant, et permet la création d'une aérodynamique interne 25 importante dans la chambre de combustion. Les moteurs selon l'invention permettent de réduire l'émission d'hydrocarbures imbrûlés tout en conservant un bon rendement. Pour toute la suite de la description, les termes partie interne , cylindre interne et piston interne sont équivalents. Il en est de même pour les mêmes expressions avec l'adjectif externe . De plus, les termes anglais squish , swirl et tumble ne sont 2904042 3 pas explicités dans la description, puisqu'ils correspondent à des notions bien connues de l'homme du métier et couramment utilisées telles quelles. [0004] Plus spécifiquement, l'invention a pour objet un moteur à combustion interne comprenant au moins une chambre de combustion et au moins un piston se décomposant 5 en un piston interne et un piston externe, ledit piston interne étant apte à coulisser dans le piston externe, et ledit piston externe pouvant se déplacer dans ladite chambre, lesdits pistons étant reliés à un maneton du vilebrequin au moyens de bielles. La principale caractéristique d'un moteur selon l'invention est que le maneton se présente sous la forme d'un premier tronçon droit relié au piston interne au moyen d'au moins une bielle, et d'un 10 deuxième tronçon droit relié au piston externe au moyen d'au moins une bielle, lesdits fronçons étant parallèles entre eux et décalés. Les caractéristiques géométriques et dimensionnelles des bielles ainsi que le positionnement relatif des deux tronçons du maneton sont autant de paramètres qui vont régir la cinématique de déplacement du piston interne et du piston externe, en terme de déphasage et d'amplitude. L'objectif visé par 15 l'utilisation d'un double piston est d'introduire un déphasage spatio-temporel entre les mouvements du piston interne et du piston externe, afin de mieux contrôler le volume de la chambre de combustion et le déplacement des flux gazeux. [0005] Avantageusement, les axes longitudinaux des deux tronçons sont décalés radialement par rapport à l'axe de rotation du vilebrequin. Autrement dit, l'un des deux 20 fronçons est plus proche de l'axe du vilebrequin que l'autre. Ainsi, lors d'une rotation complète de l'axe du vilebrequin, les axes longitudinaux desdits fronçons vont dessiner deux cercles concentriques de rayons distincts. La variation de rayons des deux pistons induit une différence de course entre lesdits pistons, bien que leurs mouvements restent phasés. 25 [0006] De façon préférentielle, il existe un décalage angulaire entre les axes longitudinaux des deux tronçons, par rapport à l'axe de rotation du vilebrequin. L'introduction d'un écart angulaire entre les deux tronçons fait que l'un desdits tronçons sera constamment en avance par rapport à l'autre tronçon lors de la rotation du vilebrequin. Ledit écart angulaire est un paramètre supplémentaire qui multiplie les possibilités de déplacement relatif 30 desdits pistons, l'un par rapport à l'autre. 2904042 4 [0007] De façon avantageuse, le piston interne et le piston externe sont indépendants l'un de l'autre. De cette manière, il n'existe aucune servitude directe entre lesdits pistons, accentuant encore la souplesse d'utilisation du double piston mis en oeuvre dans l'invention. 5 [0008] Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, le piston externe est relié au deuxième tronçon du maneton au moyen de deux bielles, chacune des deux bielles s'insérant sur ledit piston externe de part et d'autre du cylindre interne. L'utilisation de deux bielles disposées symétriquement l'une par rapport à l'autre autour du piston interne, permet de renforcer la liaison entre le piston externe et le tronçon du maneton associé, en 10 offrant une meilleure répartition des efforts. [0009] De façon avantageuse, le deuxième tronçon du maneton se scinde en deux parties situées en continuité l'une de l'autre, lesdites parties étant séparées par le premier tronçon. De cette manière, chacune des deux bielles reliant le piston externe au maneton, vient se fixer en rotation autour de chacune desdites parties dudit deuxième tronçon. 15 [0010] Préférentiellement, le piston externe et le piston interne possèdent sur leur périphérie, des segments pour assurer l'étanchéité de la chambre de combustion, respectivement entre le piston externe et la paroi interne de la chambre de combustion et entre les pistons interne et externe. [0011] Selon un autre mode de réalisation préféré de l'invention, le cylindre interne est 20 fixé au premier tronçon du maneton au moyen d'une bielle, ladite bielle et les bielles reliant le cylindre externe au deuxième tronçon dudit maneton, ayant des longueurs différentes. De cette manière, cette différence de longueur va engendrer une modification du déphasage entre les mouvements du piston interne et externe, ainsi qu'une variation relative des amplitudes de mouvement desdits pistons. 25 [0012] Les moteurs à combustion interne selon l'invention, présentent l'avantage de posséder une efficacité renforcée en terme d'émission de polluants, en particulier lors de la phase de démarrage, tout en conservant le même encombrement. En effet, le piston externe a approximativement les mêmes dimensions que les pistons monoblocs classiques, et les bielles utilisées sont également de géométrie et de taille usuelles. De plus, ils 2904042 5 présentent l'avantage d'être fiables dans la mesure où les mécanismes de mise en mouvement des bielles associées à chaque piston sont déjà connus et bien maîtrisés. [0013] On donne ci-après une description détaillée de trois modes de réalisation préférés d'un moteur à combustion interne selon l'invention en se référant aux figures 1 à 9. 5 - La figure 1 est une vue en coupe axiale transversale d'un piston d'un moteur selon l'invention, montrant un cylindre interne logé dans un cylindre externe. Les segments entre la chambre de combustion et le piston externe sont représentés, alors que ceux entre les pistons internes et externes ne le sont pas pour un soucis de lisibilité de la figure. - La figure 2 est un schéma de coté de l'assemblage des deux pistons de la figure 1 dans la 10 configuration où ils sont alignés. - La figure 3 est un schéma correspondant à un premier mode de réalisation préféré d'un moteur selon l'invention, montrant les deux tronçons d'un maneton du vilebrequin représentant un décalage angulaire à iso course. - la figure 4 est un schéma correspondant à un deuxième mode de réalisation préféré d'un 15 moteur selon l'invention, montrant les deux tronçons d'un maneton du vilebrequin décalés radialement. - La figure 5 est un schéma correspondant à un troisième mode de réalisation préféré d'un moteur selon l'invention, montrant les deux tronçons d'un maneton du vilebrequin décalés radialement et présentant également un décalage angulaire. 20 - La figure 6 est une vue en coupe axiale longitudinale d'un piston d'un moteur selon l'invention, lors de la remontée décalée du piston interne, pour le cas où le piston externe atteint son point mort haut avant ledit piston interne. - La figure 7 est une vue en coupe axiale longitudinale d'un piston d'un moteur selon l'invention, lors du début de la phase de redescente du piston interne, pour le cas où le 25 piston externe atteint son point mort haut avant ledit piston interne. 2904042 6 - La figure 8 est une vue en coupe axiale longitudinale d'un piston d'un moteur selon l'invention, lors de la remontée décalée du piston externe, pour le cas où le piston externe atteint son point mort haut après ledit piston interne. - La figure 9 est une vue en coupe axiale longitudinale d'un piston d'un moteur selon 5 l'invention, lors du début de la phase de redescente du piston interne, pour le cas où le piston externe atteint son point mort haut après ledit piston interne. [0014] En se référant à la figure 1, un moteur à combustion interne selon l'invention, comprend au moins une chambre de combustion et au moins un piston 1 cylindrique se décomposant en un piston interne 2 cylindrique et un piston externe 3 cylindrique, ledit 10 piston interne 2 étant apte à coulisser dans le piston externe 3, et ledit piston externe 3 pouvant se déplacer dans ladite chambre, lesdits pistons 2,3 étant reliés à un maneton de vilebrequin au moyens de bielles. [0015] En se référant à la figure 2, le piston interne 2 est creux et est traversé transversalement, selon un diamètre, par une pièce cylindrique 4 servant d'axe de rotation 15 pour le pied d'une bielle, dont la tête est fixée en rotation autour d'un maneton de vilebrequin. Ledit piston interne 2 possède une section circulaire. Le piston externe 3 est doté d'un jeu de segments 5 circulaires disposés sur sa circonférence pour assurer l'étanchéité entre ledit piston externe 3 et la paroi interne de la chambre de combustion, et présente un canal interne destiné à recevoir le piston interne 2, ledit piston interne 2 étant 20 dimensionné pour coulisser dans le piston externe 2. Le piston interne 2 possède également un jeu de segments non représenté, pour assurer l'étanchéité entre les deux pistons 2,3. La paroi latérale du piston externe 3 est creuse et est traversée par deux pièces cylindriques 6,7, dont les axes de rotation sont orientés suivant un même diamètre et se retrouvent donc en continuité l'un de l'autre. Comme l'indique la figure 2, le piston interne 2 est placé 25 dans le piston externe 3, de sorte que les deux pièces 6,7 traversant la paroi latérale du piston externe 3 se retrouvent diamétralement opposées par rapport au piston interne 2 et en continuité de la pièce cylindrique 4 traversant le cylindre interne 2 lorsque les deux surfaces supérieures des deux pistons sont alignées. Ces deux pièces 6 et 7 peuvent également ne pas se retrouver sur le même axe, mais sur deux axes parallèles, 2 lorsque les 2904042 7 deux surfaces supérieures des deux pistons sont alignées. Les deux pièces cylindriques 6,7 traversant la paroi latérale du cylindre externe 3, vont constituer des axes de rotation pour les pieds de deux bielles fixées en rotation autour d'un maneton de vilebrequin. Autrement dit, le cylindre interne 2 est relié à un maneton de vilebrequin au moyen d'une bielle, et le 5 cylindre externe 3 est relié à un maneton de vilebrequin au moyen de deux bielles encadrant la bielle solidaire dudit cylindre interne 2. [0016] En se référant à la figure 3, selon un premier mode de réalisation préféré de l'invention, un maneton 8 de vilebrequin 9 comprend deux tronçons 10,12 cylindriques et identiques, situés dans le prolongement l'un de l'autre, lesdits tronçons 10,12 encadrant un 10 tronçon central 11 cylindrique dont l'axe de rotation est parallèle à l'axe de rotation desdits fronçons 10,12. Le tronçon central 11, qui est destiné à recevoir la tête de la bielle solidaire du piston interne 2, présente un décalage angulaire (3 avec l'axe des deux autres tronçons 10,12, situés en continuité l'un de l'autre et qui sont destinés à recevoir la tête des deux bielles solidaires du piston externe 3. L'axe de rotation du tronçon interne 11 et l'axe de 15 rotation des deux autres tronçons 10,12 sont équidistants de l'axe de rotation d'un tourillon 13 du vilebrequin 9. La partie gauche de la figure 3 est une vue à 90 de la partie droite de ladite figure 3, montrant notamment les trajectoires circulaires, de même rayon mais décalées dans le temps, de l'axe du tronçon central 11 et des axes des deux autres tronçons 10,12. 20 [0017] En se référant à la figure 4, selon un deuxième mode de réalisation préféré de l'invention, un maneton 8 de vilebrequin 9 comprend deux tronçons 10,12 cylindriques et identiques, situés dans le prolongement l'un de l'autre, lesdits tronçons 10,12 encadrant un tronçon central 11 cylindrique dont l'axe de rotation est parallèle à l'axe de rotation desdits fronçons 10,12. Le tronçon central 11, qui est destiné à recevoir la tête de la bielle solidaire 25 du piston interne 2, présente un décalage radial avec l'axe des deux autres tronçons 10,12, situés en continuité l'un de l'autre, et qui sont destinés à recevoir la tête des deux bielles solidaires du piston externe 3. L'axe de rotation du tronçon central 11 et l'axe de rotation des deux autres tronçons 10,12 coupent perpendiculairement un même diamètre d'un cercle fictif, dont le centre serait matérialisé par l'axe de rotation d'un tourillon 13 du 30 vilebrequin 9. De cette manière, l'axe de rotation des deux tronçons 10, 12 en continuité 2904042 8 l'un de l'autre, est plus proche de l'axe de rotation du vilebrequin 9 que ne l'est l'axe du tronçon central 11. Lorsque ledit vilebrequin 9 effectue un tour complet, les axes de rotation du tronçon central 11 et des deux autres tronçons 10,12 dessinent deux cercles concentriques mais de rayons différents. 5 [0018] En se référant à la figure 5, selon un troisième mode de réalisation préféré de l'invention, un maneton 8 de vilebrequin 9 comprend deux tronçons 10,12 cylindriques et identiques, situés dans le prolongement l'un de l'autre, lesdits tronçons 10,12 encadrant un tronçon central 11 cylindrique dont l'axe de rotation est parallèle à l'axe de rotation desdits fronçons 10,12. Le tronçon central 11, qui est destiné à recevoir la tête de la bielle solidaire 10 du piston interne 2, présente à la fois un décalage radial et un décalage angulaire a avec l'axe des deux autres tronçons 10,12, situés en continuité l'un de l'autre, et qui sont destinés à recevoir la tête des deux bielles solidaires du piston externe 3. Ce troisième mode de réalisation préféré de l'invention est une combinaison des caractéristiques du premier et du deuxième mode de réalisation préféré de l'invention décrits ci-avant. 15 [0019] Les décalages angulaires, les décalages radiaux ainsi que la combinaison desdits décalages, vont conduire le piston interne 2 et le piston externe 3 à se déplacer dans la chambre de combustion avec un déphasage spatio-temporel, particulièrement recherché pour maîtriser l'aérodynamique dans ladite chambre. [0020] Les figures 6 et 7 illustrent un premier exemple d'application d'un double piston 20 2,3 appartenant à un moteur à combustion interne selon l'invention, correspondant à la situation pour laquelle le piston externe 3 atteint son point mort haut avant le piston interne 2. [0021] En se référant à la figure 6, lors de la remontée décalée de forte amplitude du cylindre interne 2, il se produit un effet de chasse des gaz, appelée encore reverse 25 squish , initiée par ledit cylindre interne 2, depuis la partie centrale de la chambre 14 de combustion vers l'extérieur de ladite chambre 14, comme indiquées par les flèches 15. Dans le même temps, subsiste un effet de squish induit par la faible remontée du piston externe 3, ledit effet étant plus ou moins marqué en fonction de la géométrie de la chambre 2904042 9 14. Parallèlement, il se créé dans la chambre 14 une aérodynamique interne de type swirl et/ou tumble, différentiel au niveau de la surface de chaque piston 2,3, permettant une homogénéisation du mélange. [0022] En se référant à la figure 7, lors du début de la phase de redescente de faible 5 amplitude du piston interne 2, il se produit un effet de reverse squish matérialisé par les flèches 16, et initié par la redescente de forte amplitude du piston externe 3, ledit effet étant ensuite accentué par la descente retardée du cylindre interne 2. [0023] Ce double effet de reverse squish contribue, d'une part, à extraire les hydrocarbures imbrûlés piégés dans la zone de segmentation, et, d'autre part, à favoriser 10 leur oxydation de façon à réduire l'émission desdits hydrocarbures imbrûlés. Cet effet conjugué des deux pistons 2,3, engendre une aérodynamique interne beaucoup plus marquée que celle produite par un piston monobloc, et participe donc à l'amélioration de la combustion dans la phase de détente. [0024] Les figures 8 et 9 illustrent un deuxième exemple d'application d'un double 15 piston 2,3 appartenant à un moteur à combustion interne selon l'invention, correspondant à la situation pour laquelle le piston externe 3 atteint son point mort haut après le piston interne 2. [0025] En se référant à la figure 8, lors de la remontée décalée de forte amplitude du cylindre externe 3, il se produit un effet de chasse des gaz, appelée encore reverse 20 squish , depuis la partie externe de la chambre 14 de combustion vers l'intérieur de ladite chambre 14, comme indiquées par les flèches 17. Dans le même temps, subsiste un effet de squish induit par la montée de forte amplitude du piston externe 3, ledit effet étant plus ou moins marqué en fonction de la géométrie de la chambre 14, et permettant l'amélioration de l'homogénéité du mélange. Parallèlement, il se créé dans la chambre 14 une 25 aérodynamique interne de type swirl et/ou tumble différentiel au niveau de la surface de chaque piston 2,3, permettant une homogénéisation du mélange. [0026] En se référant à la figure 9, lors de la phase de redescente de forte amplitude du piston interne 2, il se crée un effet de reverse squish d'aspiration, induit par ledit piston 2904042 lo interne 2 comme cela est indiqué avec les flèches 18, ledit effet étant ensuite inversé par la descente retardée de faible amplitude du piston externe 3. [0027] Tous les effets induits par le double piston 2,3 sont applicables, par exemple, aux allumages commandés, aux auto-allumages contrôlés et aux moteurs diesel. REVENDICATIONS 1. Moteur à combustion interne comprenant au moins une chambre de combustion (14) et au moins un piston se décomposant en un piston interne (2) et un piston externe (3), ledit piston interne (2) étant apte à coulisser dans le piston externe (3), et ledit piston externe (3) pouvant se déplacer dans ladite chambre (14), lesdits pistons (2,3) étant reliés à un maneton (8) du vilebrequin (9) au moyens de bielles, caractérisé en ce que le maneton (8) se présente sous la forme d'un premier tronçon (11) relié au piston interne (2) au moyen d'au moins une bielle, et d'un deuxième tronçon (10,12) relié au piston externe (3) au moyen d'au moins une bielle, lesdits tronçons (10,11,12) étant parallèles entre eux et décalés. 2. Moteur à combustion interne selon la revendication 1, caractérisé en ce que les axes longitudinaux des deux tronçons (10,11,12) sont décalés radialement par rapport à l'axe de rotation du vilebrequin (9). 3. Moteur à combustion interne selon la revendication 2, caractérisé en ce que il existe un décalage angulaire entre les axes longitudinaux des deux tronçons (10,11,12), par rapport à l'axe de rotation du vilebrequin (9). 4. Moteur à combustion interne selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que le piston interne (2) et le piston externe (3) sont indépendants. 5. Moteur à combustion interne selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le piston externe (3) est relié au deuxième tronçon (10,12) du maneton (8) au moyen de deux bielles, chacune des deux bielles s'insérant sur ledit piston externe (3) de part et d'autre du cylindre interne (2). 6. Moteur à combustion interne selon la revendication 5, caractérisé en ce que le deuxième tronçon (10,12) du maneton (8) se scinde en deux parties situées en continuité l'une de l'autre, lesdites parties étant séparées par le premier tronçon (11). 2904042 12 7. Moteur à combustion interne selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le piston externe (3) et le piston interne (2) possèdent des segments (5) sur leur périphérie, pour assurer l'étanchéité, respectivement entre le piston externe (3) et la paroi interne de la chambre de combustion (14) et entre les 5 pistons interne (2) et externe (3). 8. Moteur à combustion interne selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le cylindre interne (2) est fixé au premier tronçon (11) du maneton (8) au moyen d'une bielle, ladite bielle et les bielles reliant le cylindre externe (3) au deuxième tronçon (10,12) dudit maneton (8), ayant des longueurs 10 différentes.