Brevet FR2925606A1 — publié le 20090626

CHAMBRE DE COMBUSTION DISSYMETRIQUE POUR MOTEUR THERMIQUE. L'invention concerne, de façon générale, la conception des moteurs thermiques, en particulier des moteurs à combustion interne et à allumage par compression. Les normes de dépollution imposées aux constructeurs automobiles sont de plus en plus sévères, chaque changement de norme ayant pour conséquence des développements techniques importants et l'utilisation de dispositifs de dépollution supplémentaires et/ou plus complexes qui se révèlent coûteux. Les futures normes incitent les constructeurs à surtout réduire le niveau d'émission à l'échappement d'oxydes d'azote et de particules, notamment afin de ne pas obstruer trop rapidement les filtres à particules, les constructeurs souhaitant dans le même temps augmenter, sinon au moins maintenir le niveau de performances et d'agrément du moteur. Des solutions généralement utilisées pour améliorer la dépollution des moteurs consistent par exemple à recourir à des dispositifs de post-traitement avancés, tels que des filtres à particules ou bien modifier les spécifications de la recirculation de gaz d'échappement connue sous son acronyme anglais EGR, qui grèvent la rentabilité des moteurs. La présente invention a pour but de proposer un chambre de combustion améliorée, et qui permet notamment de réduire le niveau d'émission à l'échappement d'oxydes d'azote et de particules. L'invention a pour objet un piston pour moteur à combustion interne, notamment pour moteur diesel, comprenant un corps délimité latéralement par une jupe apte à coopérer avec les parois d'un cylindre d'axe de révolution C dans lequel le piston est apte à coulisser selon cet axe C, le dit piston comportant une face frontale qui comprend un téton central, une couronne périphérique et un bol d'axe de révolution B qui s'étend du téton central vers la couronne périphérique à laquelle elle se raccorde au niveau d'une lèvre d'épaisseur Ep, ledit bol comprenant sensiblement à l'aplomb de la lèvre, un tore de profil, de préférence en cul-de-four, de rayon maximal Rt apte à guider un carburant injecté puis le déroulement de la combustion sous la lèvre au niveau d'une zone de réentrant R vers le téton central, remarquable en ce que le sommet du téton central présente une zone aplatie centrée sur l'axe de révolution B du bol de largeur Lt comprise entre 6mm et 10mm et de préférence sensiblement égale à 7,8mm. La mise en œuvre d'un piston selon l'invention permet notamment d'atteindre les avantages suivants : on évite de rendre les systèmes de post- traitement plus complexes et plus coûteux; on réduit les émissions d'oxydes d'azote pour le 25 passage de normes de dépollution. Suivant des modes particuliers de réalisation, le piston comporte l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes . le sommet du téton situé sur l'axe de 30 révolution B du bol s'élève à une hauteur inférieure d'une distance Dt sous le niveau de la couronne périphérique comprise entre 5,4mm et 7mm et de préférence sensiblement égale à 6mm; le téton central présente une pente d'angle A vers le tore pris à partir de l'axe de révolution B du bol dans le sens géométrique compris entre 62,5° et 69° et est de préférence sensiblement égal à 64,9°; le bol est décentré, l'axe de révolution B du bol étant distinct et placé à distance de l'axe de révolution C du cylindre ; - l'épaisseur Ep de la lèvre est comprise entre 2,5mm et 4,5mm et de préférence sensiblement égale à 3,6mm ; le rayon de courbure maximal Rt du tore est compris entre 4,7mm et 5,9mm et de préférence sensiblement égal à 5,45mm ; la lèvre est située à une distance De/2 de l'axe de révolution B du bol, la distance De étant comprise entre 44,6 et 50,4 mm et de préférence sensiblement égale à 48mm ; le tore est situé à une distance Db/2 de l'axe de révolution B du bol, la distance Db étant comprise entre 51mm et 53,4mm et de préférence sensiblement égale à 52mm ; la différence des distances, par rapport à l'axe de révolution B du bol, de l'extrémité de la couronne De/2 et de l'extrémité du tore Db/2 comprise entre 1,5mm et 3,2mm et de préférence sensiblement égale à 2mm ; 30 - la profondeur maximale P du bol est comprise entre 12,6mm et 13,6mm et de préférence sensiblement égale à 13,3mm. 10 15 20 25 L'invention a également pour objet un moteur à combustion interne adapté à des normes de dépollution strictes quant aux émission d'oxydes d'azote et de particules et plus particulièrement un moteur à combustion interne du type diesel remarquable en ce qu'il comprend au moins un piston selon l'invention. Ce moteur à combustion interne du type diesel présente un cylindre d'axe de révolution C dont l'extrémité supérieure est fermée par une culasse pourvue d'une face inférieure qui concourre à définir une chambre de combustion avec la face frontale du piston dont le bol de piston est centré autour d'un axe de révolution B, ledit moteur comprenant, débouchant de la face inférieure de la culasse, au moins un conduit d'admission pouvant être obturé par une soupape d'admission et au moins un conduit d'échappement apte à être obturé par une soupape d'échappement, une bougie de préchauffage et un injecteur de carburant dont le nez débouche dans la chambre de combustion au niveau d'un axe d'injecteur I parallèle à l'axe de révolution du cylindre C et distant de celui-ci, l'injecteur faisant un angle Ai avec l'axe d'injecteur I compris entre 15° et 25°, ce moteur étant remarquable en ce que les axes de cylindre C, de bol B et d'injecteur 1 sont alignés, la distance séparant l'axe de cylindre C de l'axe du bol B étant sensiblement égale à 1,6mm et la distance séparant l'axe de cylindre C de l'axe d'injecteur I étant sensiblement égale à 4mm. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront clairement de la description du mode de réalisation qui en est faite ci-après, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux figures suivantes : la figure 1 est une coupe schématique partielle d'un moteur à combustion interne selon l'invention; la figure 2 est une coupe partielle selon un plan contenant l'axe de révolution du bol de piston détaillant la tête d'un piston selon l'invention, côté admission. On a illustré, figure 1, un moteur à combustion interne 100, notamment pour moteur diesel, comprenant au moins un cylindre 1 d'axe de révolution C, une culasse 2 et un piston 3. Dans la suite de la description, on considérera que cet axe de révolution C est orienté vers le haut, vers la culasse 2. Le piston 3 est monté coulissant dans le cylindre 1 suivant l'axe de révolution du cylindre C, et présente un corps de piston apte à accueillir un axe pour lier le piston à une tête de bielle d'entraînement, ledit corps étant délimité latéralement par une jupe de piston 31 s'étendant parallèlement à l'axe de révolution du cylindre C et coopérant avec une paroi interne du cylindre 1. Le piston comprend en outre une face frontale 32 qui concourre avec la face inférieure 20 de la culasse 2 à délimiter une chambre de combustion du cylindre 1. L'air frais ou un mélange air frais et de gaz d'échappement recirculés est admis dans la chambre de combustion par au moins un conduit d'admission 5 formé dans la culasse 2 et qui peut être obturé par au moins une soupape d'admission 50. Les résidus de combustion du mélange air carburant introduit sont évacués par au moins un conduit d'échappement 6 formé dans la culasse 2, et qui peut être obturé par au moins une soupape d'échappement 60. Une bougie de préchauffage 4 est implantée dans la culasse 2, son extrémité débouchant dans la chambre de combustion de manière à pouvoir chauffer le mélange air carburant lors de démarrages à froid. Un injecteur de carburant 7 est implanté dans la culasse 2 et débouche dans la chambre de combustion. Selon le mode de réalisation représenté, l'injecteur 7 est agencé de telle sorte qu'il est décalé par rapport à l'axe du cylindre C. Le nez de l'injecteur 7 débouche au niveau d'un axe I dit � d'injecteur � parallèle à l'axe de symétrie du cylindre C. Selon le mode de réalisation représenté, 15 l'injecteur 7 est incliné d'un angle Ai compris entre 15° et 25° de l'axe d'injecteur I. Comme représenté à la figure 2 qui détaille, en coupe partielle selon un plan axial, la partie supérieure d'un piston 3 selon l'invention, la face frontale 32 20 comprend un téton central 321, une couronne périphérique 322 et une cavité annulaire ou bol 323 d'axe de révolution B parallèle à l'axe de révolution du cylindre C et situé à distance de celui-ci de manière à compenser le décalage de l'injecteur 7, ledit bol 323 s'étendant du 25 téton central 321 vers la couronne périphérique 322 à laquelle elle se raccorde. De préférence, les axes de cylindre C, de bol B et d'injecteur I sont alignés dans un plan commun, la distance séparant l'axe de cylindre C de l'axe de bol B 30 étant sensiblement égale à 1,6 mm et la distance séparant l'axe de cylindre C de l'axe d'injecteur I étant sensiblement égale à 4 mm. La couronne périphérique 322 s'étend latéralement de la jupe 31 du piston 3 vers l'axe de révolution B du bol 323 jusqu'à une extrémité formant une lèvre 3220 en dessous de laquelle le bol 323 présente un tore 3230 de profil en cul-de-four de rayon de courbure maximal Rt compris entre 4,7 mm et 5,9 mm et de préférence sensiblement égal à 5,45mm. La lèvre 3220 est située à une distance De/2 de l'axe de révolution B du bol 323, la distante De étant comprise entre 44,6 et 50,4 mm et de préférence sensiblement égale à 48mm. Le tore 3230 est situé à une distance Db/2 de l'axe de révolution B du bol 323, la distance Db étant comprise entre 51mm et 53,4mm et de préférence sensiblement égale à 52mm. L'injecteur 7 est conçu pour injecter sélectivement du carburant sous forme de jets dirigés dans une région supérieure du tore 3230 adjacente à une arête inférieure de la lèvre 3220, également dénommée réentrant R de manière à améliorer le guidage du jet de carburant et de la combustion à partir de ce réentrant R par enroulement sur les parois du tore 3230 vers le fond du bol, où se trouve l'oxygène lors de la remontée du piston 3, afin de réduire les fumées et afin de préparer la circulation des gaz vers le téton central 321. De préférence, on conservera un réentrant R en maintenant la différence des distances, par rapport. à l'axe de révolution B du bol 323, de l'extrémité de la couronne De/2 et de l'extrémité du tore Db/2 comprise entre 1,5mm et 3,2mm et de préférence sensiblement égale à 2mm. De préférence, l'épaisseur Ep de la lèvre 3220 correspondant à la distance du réentrant R de la couronne périphérique 322 est comprise entre 2,5mm et 4,5mm et de préférence sensiblement égale à 3,6mm. La profondeur maximale P du bol 323 est comprise entre 12,6mm et 13,6mm et de préférence sensiblement égale à 13,3mm. Une telle profondeur présente l'avantage d'avoir une quantité d'air emprisonnée au fond 323 du bol importante en vue de son mélange avec le carburant. La combinaison de cette définition du réentrant R, du tore 3230 et d'une profondeur maximale P du bol 323 permet un guidage du jet de carburant amélioré vers un volume d'air emprisonné au fond du bol 323. Le sommet du téton central 321 présente une zone aplatie centrée sur l'axe de révolution B du bol de largeur Lt comprise entre 6mm et 10mm et de préférence sensiblement égale à 7,8mm. Le sommet du téton central 321 s'élève à une hauteur inférieure d'une distance Dt sous le niveau de la couronne périphérique , cette distance Dt étant comprise entre 5,4mm et 7mm et de préférence sensiblement égale à 6mm. L'écrêtage du téton central 321 et la distance Dt du sommet de la couronne périphérique permet de limiter les interactions des jets de carburants projetés vers le fond du bol avec le téton central 321 et notamment son sommet, permettant de réduire les émissions de fumées et de carburant imbrûlé. Le téton central 321 présente une pente d'angle A vers le tore 323 pris à partir de l'axe de révolution B du bol dans le sens géométrique est compris entre 62,5° et 69° et est de préférence sensiblement égal à 64,9°. L'utilisation d'une telle pente d'angle A de téton central 321 permet d'extraire les suies formées par 1a combustion au fond du bol 323 vers le téton central 321 pour une post-oxydation améliorée conduisant à une réduction des fumées. Un moteur à combustion interne 100 pourvu d'un piston 3 combinant ces caractéristiques se révèle particulièrement avantageux à l'usage par rapport à un moteur à combustion interne pourvu d'un piston adapté à des normes de dépollution actuelles, du type Euro 4. Ces tests ont été réalisé avec un moteur 100 qui présente les caractéristiques additionnelles suivantes, un alésage de 80mm, un taux de compression d'environ 17 et un niveau de swirl au point mort bas Nd/N proche de 2. En effet, un moteur 100 mettant en œuvre un piston selon l'invention, en cycle de dépollution normalisé, pour un niveau semblable d'émission de particules, de bruit et de consommation, et dans des conditions de combustion (débit d'air, température moteur, puissance motrice interne etc...) identiques a émis 40% d'oxydes d'azote en moins. Un gain significatif en performances et en émission de fumées a été observé à bas et moyens régimes à pleine charge sur un moteur 100 selon l'invention, et notamment une augmentation de 5% du couple à 1500 tr.min- 1 à pleine charge pour un même niveau de dégagement de fumées.25 Revendications 1. Piston (3) pour moteur à combustion interne, notamment pour moteur diesel, comprenant un corps délimité latéralement par une jupe (31) apte à coopérer avec les parois d'un cylindre (1) d'axe de révolution C dans lequel le piston (3) est apte à coulisser selon cet axe C, le dit piston (3) comportant une face frontale (32) qui comprend un téton central (321), une couronne périphérique (322) et un bol (323) d'axe de révolution B qui s'étend du téton central (321) vers la couronne périphérique (322) à laquelle elle se raccorde au niveau d'une lèvre (3220) d'épaisseur Ep, ledit bol (323) comprenant sensiblement à l'aplomb de la lèvre (3220), un tore (3230) de profil, de préférence en cul-de-four, de rayon maximal Rt apte à guider un carburant injecté puis le déroulement de la combustion sous la lèvre (3220) au niveau d'une zone de réentrant R vers le téton central (321), caractérisé en ce que le sommet du téton central (321) présente une zone aplatie centrée sur l'axe de révolution B du bol de largeur Lt comprise entre 6mm et 10mm et de préférence sensiblement égale à 7,8mm. 2. Piston (3) selon la revendication précédente caractérisé en ce que le sommet du téton situé sur l'axe de révolution B du bol (323) s'élève à une hauteur inférieure d'une distance Dt sous le niveau de la couronne périphérique comprise entre 5,4mm et 7mm et de préférence sensiblement égale à 6mm. 3. Piston (3) pour moteur à combustion interne selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le téton central présente une pente d'angle A vers le tore (323) prise à partir de l'axe de révolution B du bol dans le sens géométrique comprise entre 62, 5° et 69° et est de préférence sensiblement égale à 64,9°. 4. Piston (3) selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que le bol (323) est décentré, l'axe de révolution B du bol (323) étant distinct et placé à distance de l'axe de révolution C du cylindre (1). 5. Piston (3) selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que l'épaisseur Ep de la lèvre (3220) est comprise entre 2,5mm et 4,5mm et de préférence sensiblement égale à 3,6mm. 6. Piston (3) selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que le rayon de courbure maximal Rt du tore (3230) est compris entre 4,7mm et 5,9mm et de préférence sensiblement égal à 5,45mm. 7. Piston (3) selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que la lèvre (3220) est située à une distance De/2 de l'axe de révolution B du bol (323), la distance De étant comprise entre 44,6 et 50,4 mm et de préférence sensiblement égale à 48mm. 8. Piston (3) selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que le tore (3230) est situé à une distance Db/2 de l'axe de révolution B du bol (323), la distance Db étant comprise entre 51mm et 53,4mm et de préférence sensiblement égale à 52mm. 9. Piston (3) selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que la différence des distances, par rapport à l'axe de révolution B du bol (323), de l'extrémité de la couronne De/2 et de l'extrémité du tore Db/2 est comprise entre 1,5mm et 3,2mm et de préférence sensiblement égale à 2mm. 10. Piston (3) selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que la profondeur maximale P du bol (323) est comprise entre 12,6mm et 13,6mm et de préférence sensiblement égale à 13,3mm. 11. Moteur (100) à combustion interne du type diesel caractérisé en ce qu'il comprend au moins un piston (3) selon l'une quelconque des revendications précédentes.10