Brevet FR2927667A1 — publié le 20090821

� Bloc moteur avec au moins un piston à périphérie non circulaire et présentant un bol centré circulaire � L'invention concerne le domaine des groupes moteurs 5 de véhicule automobile. Plus particulièrement, l'invention concerne une adaptation spécifique des caractéristiques d'un piston et d'un cylindre associés d'un groupe moteur, notamment en ce qui concerne leur périphérie et la tête du piston, 10 pour accroître entre autres les performances de ce piston. Les contraintes d'implantation du moteur sous le capot d'un véhicule sont régulièrement rendues de plus en plus sévères. Ces contraintes concernent, notamment, la 15 protection du piéton en cas de choc, l'ajout de protections acoustiques et thermiques ainsi que l'ajout de machines électriques ou de moteurs hybrides, ce qui diminue la place réservée au groupe moteur du véhicule afin de dégager de la place pour l'intégration de ces 20 nouveaux éléments. Il y a donc un premier besoin existant de réduire l'encombrement d'un tel groupe moteur. De plus, le renforcement des normes de dépollution rend nécessaire une maîtrise de plus en plus fine du processus de combustion pour tous les types de moteurs. 25 Il est connu que le déroulement de la combustion et les émissions polluantes associées sont fortement fonctions de la géométrie de la chambre de combustion. Il y a ainsi un second besoin d'une meilleure maîtrise du processus de combustion dans un groupe moteur. 30 Enfin, les objectifs de réduction des coûts sont toujours au premier plan lors de la conception d'un nouveau groupe moteur. On sait, par exemple, qu'un moteur à deux soupapes par cylindre, présente un coût de fabrication moins élevé qu'un moteur à quatre soupapes 35 par cylindre, et que donc un tel moteur sera préféré, à performance égale, à un moteur quatre soupapes. Il y a donc aussi un troisième besoin d'élaborer un groupe moteur avec un coût de fabrication réduit par rapport aux groupes déjà existants sur le marché. Le document JP-A-61011418 propose pour rendre un moteur plus léger et plus compact ainsi que pour augmenter aussi sa performance de loger chaque piston du moteur dans un cylindre ovalisé, en ovalisant aussi la forme extérieure associée de ce piston, ce qui permet de réduire la longueur du moteur pour un même déplacement du piston et un même nombre de pistons. Cela permet aussi d'augmenter le diamètre des soupapes d'admission et d'échappement et de pouvoir passer d'un système quatre soupapes à un système deux soupapes. Ce document ne donne cependant aucune indication sur la forme que doit avoir la tête de piston et, en particulier, son bol et se restreint à la forme de la section que doit présenter ce piston afin d'améliorer la performance du moteur. Il méconnaît ainsi l'influence que pourrait avoir une forme particulière du bol combinée avec la surface ovalisée du piston sur les performances du moteur. Ainsi, ce document n'aborde pas le problème de l'amélioration de la performance du moteur par une sélection de caractéristiques pour des éléments constitutifs d'un piston, autres que sa forme extérieure. Le problème à la base de l'invention est de trouver une synergie entre des paramètres sélectionnés d'un piston afin de remplir les trois besoins mentionnés ci-dessus, un de ces paramètres étant la section du piston et du cylindre le recevant. A cet effet, l'invention a pour objet un piston de véhicule automobile présentant un bol à sa partie frontale ainsi qu'une section non circulaire caractérisé en ce que son bol présente une forme circulaire. Selon d'autres caractéristiques de l'invention : - le piston présente une section de forme ovale,35 - son bol est concave et comprend un téton central faisant saillie dans sa partie médiane, ce téton étant sensiblement de forme générale tronconique, et présentant un sommet arrondi, - le téton est complété en direction du fond du bol par un flanc incliné convexe puis à partir de ce fond par une paroi latérale présentant d'abord un renflement concave à sa base inférieure puis rejoignant la surface sensiblement horizontale de la partie frontale de piston. L'invention concerne également un bloc moteur comprenant plusieurs cylindres dans lequel coulisse un piston, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un tel piston. 15 L'invention concerne aussi un ensemble bloc moteur et culasse, cette culasse recouvrant le bloc moteur et formant une chambre de combustion avec chaque cylindre associé à un piston, cette culasse présentant au moins 20 une ouverture d'admission d'air avec une soupape d'admission et une ouverture d'échappement d'air avec une soupape d'échappement, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un tel piston. Avantageusement, la culasse présente un injecteur 25 de carburant produisant une nappe de carburant avec un angle de nappe sur le téton du bol. Préférentiellement, l'ensemble bloc moteur et culasse est du type à deux soupapes. Préférentiellement, l'ensemble bloc moteur est à 30 alimentation Diesel. L'effet technique obtenu est la génération d'un fort mouvement aérodynamique dû à la présence de zones de chasse augmentées et une augmentation de la vitesse de 35 combustion. Ceci n'a été possible que par une synergie entre la géométrie externe non circulaire des faces 10 latérales du piston et la géométrie circulaire du bol de ce piston. Cette géométrie non circulaire des faces latérales du piston est associée à une géométrie du bol qui reste au contraire circulaire. Cette forme de chambre circulaire est avantageuse pour les moteurs à essence car elle permet de retarder l'impact du front de flamme avec la paroi du piston. Elle l'est encore plus surtout pour les moteurs diesel car la forme de la nappe formée par les multiples jets dans certains moteurs a une géométrie axisymétrique. L'invention va maintenant être décrite plus en détail mais de façon non limitative en regard des figures 15 annexées, dans lesquelles : - les figures 1A et 1B sont des représentations schématiques d'une coupe dans un plan perpendiculaire à son axe de symétrie de la partie supérieure d'un cylindre en direction de la culasse d'un moteur Diesel deux 20 soupapes montrant un exemple de face de flamme respectivement selon l'état de la technique et selon un premier mode de réalisation de l'invention, - les figures 2A et 2B sont des représentations schématiques d'une coupe dans un plan perpendiculaire à 25 son axe de symétrie de la partie supérieure d'un cylindre en direction de la culasse d'un moteur Diesel deux soupapes montrant un exemple de face de flamme respectivement selon l'état de la technique et selon un second mode de réalisation de l'invention, 30 - les figures 3A et 3B sont des représentations schématiques d'une coupe dans un plan perpendiculaire à son axe de symétrie de la partie supérieure d'un cylindre en direction de la culasse d'un moteur Diesel deux soupapes montrant un exemple de face de flamme 35 respectivement selon l'état de la technique et selon un troisième mode de réalisation de l'invention, - les figures 4A et 4B sont des représentations schématiques d'une coupe d'un piston dans un plan perpendiculaire à son axe de symétrie montrant respectivement une zone de chasse selon l'état de la technique et une zone de chasse conformément à la présente invention, - les figures 5A et 5B sont des représentations schématiques d'une coupe de la culasse et de la tête d'un piston selon un plan contenant l'axe de symétrie de ce piston, montrant l'effet aérodynamique obtenu avec un piston selon l'état de la technique et avec un piston conformément à la présente invention. Les figures 1A à 3A et 1B à 3B montrent une comparaison entre une face flamme obtenue avec un ensemble piston cylindre culasse selon l'état de la technique et une face flamme selon un mode de réalisation de la présente invention. Sur ces figures, cette face flamme est celle d'un moteur Diesel deux soupapes mais cela n'est pas limitatif. D'une manière connue, un cylindre 1 ou 1' d'un groupe moteur est surmonté à sa partie supérieure par une culasse qui présente une base définissant un plan de culasse orthogonal à l'axe du cylindre 1 ou 1'. La tête de cylindre 1 présente ainsi une forme de cône dont le sommet est tourné vers la face supérieure de la culasse. La tête du piston, se déplaçant dans ce cylindre 1 ou 1' délimite avec la tête de cylindre associée une chambre de combustion. Un injecteur de carburant 2 et une bougie d'allumage 3 sont agencés au sommet de chaque tête de cylindre et débouchent dans la chambre de combustion. Comme le moteur montré à ces figures est à deux soupapes, la culasse est pourvue d'une ouverture d'admission 4 d'air et d'une ouverture d'échappement 5 réparties sur la tête de cylindre. Bien que ces éléments ne soient pas montrés aux figures, il convient de préciser que la culasse présente, d'une part, un conduit d'admission d'air dont une première extrémité est raccordée à un répartiteur d'air, destiné à alimenter la chambre de combustion en air frais et dont une seconde extrémité est raccordée à la tête de cylindre par l'intermédiaire de l'ouverture 4 d'admission d'air. La culasse présente, d'autre part, un conduit d'échappement qui prend naissance dans la chambre de combustion au niveau de l'ouverture 5 d'échappement. Le conduit d'admission et le conduit d'échappement cooperent respectivement avec une soupape d'admission pourvue d'une tête de soupape qui règle le débit d'arrivée d'air dans la chambre de combustion et avec une soupape d'échappement qui régule le débit de gaz brûlés en sortie de la chambre de combustion. Classiquement, l'ouverture 4 de la soupape d'admission est plus large que l'ouverture 5 de la soupape d'échappement, ce qui est le cas aux figures 1A à 3A et 1B à 3B. Dans les exemples des figures 1A et 3A, illustrant l'état de la technique la périphérie du cylindre 1 est circulaire. Selon la présente invention, la périphérie du 25 cylindre 1' est non circulaire, cette périphérie pouvant prendre de multiples formes. Pour les trois modes de réalisation selon les figures 1B à 3B, une forme ovalisée ou une forme elliptique a été choisie, celle-ci présentant des 30 facilités de réalisation, notamment pour l'usinage du piston et du carter cylindre associé. D'autres formes sont aussi envisageables bien que non illustrées dans la présente invention. Seules la forme générale du piston et la 35 disposition des soupapes sont montrées sur ces figures, cette disposition des soupapes permettant encore d'augmenter la compacité de l'ensemble et des surfaces d'ouvertures 4 et 5 de passage des gaz. Dans le premier mode de réalisation de la présente invention selon la figure 1B, la surface de la face flamme f' est plus grande que la surface circulaire de la face flamme f de la figure 1A selon l'état de la technique. Cela permet de maximiser les surfaces des ouvertures 4' et 5' de passage des gaz à l'admission et à l'échappement. Le changement de forme du piston se fait donc, à iso encombrement suivant l'axe moteur selon X, c'est-à-dire selon un axe passant entre les deux ouvertures 4' et 5'. Le gain dû au changement de forme du piston est l'augmentation de la taille des ouvertures 4' et 5' des soupapes admission et échappement, sans que d'autres paramètres comme la position ou l'inclinaison de l'injecteur ou la position de la bougie soient modifiés. Cette augmentation de la taille des ouvertures de soupape s'accompagne d'un gain de perméabilité des conduits et d'une meilleure respiration de la culasse. L'augmentation de la section du piston ainsi engendrée conduit à une augmentation de la cylindrée unitaire du moteur. Celle-ci pourra être conservée ou adaptée, par exemple par réduction de la course du piston. Dans le second mode de réalisation de l'invention selon la figure 2B, les surfaces des ouvertures 4" et 5" sont aussi augmentées par augmentation de la face flamme f" ovalisée comparée à la surface circulaire de la figure 1A. Dans le troisième mode de réalisation de l'invention selon la figure 3B, la surface ovalisée f"' est plus petite que la surface circulaire de l'exemple a mais, dans ce cas, les surfaces des ouvertures 4"' et 5"' de cet exemple sont maintenues sensiblement égales aux surfaces des ouvertures 4 et 5 de la figure 1A. Ainsi le changement de forme peut également être utilisé pour réduire l'encombrement du moteur. Dans ce cas, on peut par exemple aplatir le piston suivant l'axe moteur selon X passant entre les ouvertures des soupapes. Il suffit d'adapter les positions des soupapes en conservant leur taille pour s'adapter à cette nouvelle forme. Si la dimension du piston suivant l'axe Y, c'est- à-dire selon l'axe perpendiculaire à l'axe X et contenu dans le plan de la face flamme f"', est conservée comme dans le cas de la figure 3B, la cylindrée du moteur est réduite. Cela peut être compensé par une course du piston plus grande. Si la section du piston est conservée par une augmentation de la dimension du piston suivant l'axe Y, le moteur conserve sa cylindrée mais diminue son encombrement suivant l'axe X. Ces géométries non circulaires de piston peuvent être obtenues par usinage. En effet, l'usinage d'une telle géométrie de périphérie du piston et du cylindre associé est possible avec des moyens techniques adaptés. La forme du piston sera évidemment choisie en fonction de ce compromis complexité de l'usinage par rapport aux résultats obtenus notamment en ce qui concerne la performance, la consommation et l'encombrement. Ainsi la forme ovalisée pour un piston a été, préférentiellement mais pas exclusivement, adoptée car facile à obtenir par un usinage peu coûteux. Les figures 4A et 4B permettent une comparaison des zones de chasse obtenues avec un piston respectivement selon l'état de la technique et un piston selon la présente invention. Dans les moteurs à combustion interne, on appelle zone de chasse les zones situées entre la périphérie du piston et la face inférieure de la culasse. Lorsque le piston se rapproche de son point mort haut, en abréviation PMH, l'air est renvoyé vers le centre de la chambre de combustion et vers le bol de ce piston. La géométrie du bol a alors un rôle important sur la dynamique des gaz. Inversement, lorsque le piston s'écarte de son point mort haut, l'air situé au centre de la chambre de combustion et dans le bol est aspiré vers les zones de chasse. A ces figures, le bol 6 du piston est sensiblement de même surface pour les deux pistons mais la zone de chasse 7' du piston à périphérie non circulaire selon la présente invention est plus grande que la zone de chasse 7 du piston selon l'état de la technique. Selon une seconde caractéristique essentielle de la présente invention, la forme du bol 6 du piston est à géométrie circulaire et est associée à une géométrie de piston non circulaire, selon la première caractéristique essentielle de la présente invention. Ceci est particulièrement avantageux pour le moteur en permettant d'augmenter considérablement la zone de chasse 7', c'est-à- dire la zone supérieure du piston venant presque au contact de la culasse et générant une forte expulsion de l'air. Cette augmentation des zones de chasse 7', par l'expulsion de la masse d'air concernée, génère une forte aérodynamique qui est très favorable à la dynamique de la combustion en provoquant l'accélération de sa vitesse et donc l'augmentation du rendement ainsi que l'amélioration de la dynamique de fin de combustion pour renforcer la post-oxydation des polluants. Avec une telle forme circulaire pour le bol 6', tous les avantages de la combustion axisymétrique sont conservés, aussi bien en essence qu'en diesel. L'augmentation des zones de chasse 7' apporte un gain significatif sur la vitesse de combustion influant sur la performance du moteur et sur la post-oxydation des polluants pour la régulation des émissions polluantes. Les figures 5A et 5B montrent une coupe de la culasse 8 et de la tête d'un piston selon un plan contenant l'axe longitudinal de ce piston, avec un piston selon l'état de la technique dans le cas de la figure 5A et avec un piston conformément à la présente invention dans le cas de la figure 5B. A ces deux figures, le bol 6 du piston est concave et comprend un téton 9 qui s'élève de l'intérieur de la partie médiane du bol vers la culasse 8. Le téton 9 est sensiblement de forme générale tronconique et présente un sommet de préférence arrondi. Ce téton 9 est poursuivi en direction du fond du bol 6 par un flanc incliné arrondi 10 puis à partir de ce fond par une paroi latérale 11 présentant d'abord un renflement 11' concave à sa base inférieure puis rejoignant la surface sensiblement horizontale de la face supérieure du piston. Cette forme de bol est particulièrement appropriée pour générer un surcroît de turbulence et de mouvement aérodynamique d'ensemble quand il est associé avec un piston non circulaire comme précédemment indiqué. A la figure 5B, cela est montré par la double flèche E, indiquant la direction d'une circulation renforcée de l'air. La forme du bol 6 peut aussi être spécifiquement adaptée à l'injecteur utilisé pour une amélioration des performances du moteur. Il est en effet possible de régler l'injecteur de carburant disposé au dessus du bol 6 pour avoir une nappe de jets d'un certain angle. L'angle de nappe de jets est l'angle au sommet que forme le cône issu de l'injecteur entourant tous les jets de carburant issus de cet injecteur. Par exemple, sans que cela soit limitatif, cet angle de nappe peut être compris entre 140° et 160°. Il faut souligner que l'angle de nappe est défini par l'angle au sommet du cône formé par la nappe. De par cette injection ou les injections successives et la distance du bol 6 par rapport à l'injecteur, le carburant est reçu dans le volume creux du bol 6 ce qui assure ainsi un meilleur mélange dans ce bol entre l'air et le carburant injecté. Ce volume creux du bol 6 peut donc être déterminé en fonction de l'injecteur utilisé. La solution proposée par la présente invention permet d'apporter une solution intéressante en termes d'implantation du moteur tout favorisant l'aérodynamique interne des gaz ayant un impact positif sur les émissions polluantes. Avec une telle combinaison bol de piston circulaire et piston à périphérie non circulaire, diverses formes de réalisation sont possibles. Cette solution peut permettre d'augmenter le nombre 10 de cylindres en conservant l'encombrement longitudinal du moteur. Cette solution est de plus particulièrement favorable dans le cas d'un moteur à deux soupapes par cylindre qui est une solution nettement plus économique 15 que son équivalent à quatre soupapes par cylindre. L'avantage d'un moteur à deux soupapes par cylindre par rapport à un moteur à quatre soupapes par cylindre est la réduction de coût. L'inconvénient est directement perceptible au niveau du remplissage en air du moteur et 20 donc induit une baisse de performance en augmentant la consommation. Avec la combinaison bol de piston circulaire et piston à périphérie non circulaire, il est possible de compenser une bonne partie des déficits dus à la réduction du nombre de soupapes. 25 Ainsi, le surcoût engendré par l'usinage d'une périphérie non circulaire pour le piston et sa chemise de cylindre associée, comme précédemment évoqué, est à mettre en regard de l'économie apportée par l'utilisation d'un moteur deux soupapes par cylindre au lieu de quatre, 30 permettant d'économiser une distribution complète comprenant un arbre à cames, des soupapes, des ressorts, des guides, une chaîne d'entraînement etc... Il s'ensuit aussi un gain en encombrement. Une application préférentielle de la présente 35 invention est donc pour un moteur Diesel à deux soupapes par cylindre. La présente invention peut également être exploitée pour optimiser les surfaces des ouvertures de passage des gaz sans changer le nombre de soupapes, notamment en restant avec quatre soupapes par cylindre. On peut ainsi réduire la course du piston sans que cela soit au détriment de la performance du moteur en utilisant des ouvertures de passage plus grandes. Un moteur plus compact est donc obtenu dans ce cas. L'association du piston non circulaire et du bol de piston circulaire présente donc de nombreux avantages : augmentation possible de la perméabilité des conduits et de la cylindrée du moteur à iso-encombrement moteur, augmentation possible de la perméabilité des conduits en réduisant l'encombrement moteur, - dans tous les cas, augmentation de la dynamique des gaz au PMH grâce à la forme du bol associé au piston à périphérie non circulaire. Il est possible d'améliorer encore la performance du moteur en utilisant d'autres caractéristiques de la face flamme. Ces caractéristiques peuvent être, entre autres, la position de l'injecteur dans la chambre, la position de la bougie dans la chambre, la distance entre injecteur et soupapes pour l'admission et l'échappement et la distance entre les soupapes d'admission et d'échappement et le carter cylindre. Par exemple, pour un moteur Diesel, il est possible de régler l'injecteur pour avoir une nappe de jets d'un certain angle. Il est aussi possible de procéder à plusieurs jets de carburant espacés dans le temps pour un ensemble bloc moteur selon l'invention. REVENDICATIONS 1. Piston de véhicule automobile présentant un bol (6) à sa partie frontale ainsi qu'une section (f', f", f" ') non circulaire caractérisé en ce que son bol (6) présente une forme circulaire. 2. Piston selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il présente une section (f', f", f" ') de forme ovale. 3. Piston selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que son bol (6) est concave et comprend un téton (9) central faisant saillie dans sa partie médiane, ce téton (9) étant sensiblement de forme générale tronconique, et présentant un sommet arrondi. 4. Piston selon la revendication précédente, caractérisé en ce que ce téton (9) est complété en direction du fond du bol (6) par un flanc incliné (10) convexe puis à partir de ce fond par une paroi latérale (11) présentant d'abord un renflement concave (11') à sa base inférieure puis rejoignant la surface sensiblement horizontale de la partie frontale de piston (1'). 5. Bloc moteur comprenant plusieurs cylindres (1') dans chacun desquels coulisse un piston, caractérisé en ce que chaque piston est conforme à l'une quelconque des revendications précédentes. 6. Ensemble bloc moteur et culasse, cette culasse (8) recouvrant le bloc moteur et formant une chambre de combustion avec chaque cylindre (1') associé à un piston, cette culasse (8) présentant au moins une ouverture d'admission (4', 4", 4"') d'air avec une soupape d'admission et une ouverture d'échappement (5', 5", 5" ') d'air avec une soupape d'échappement, caractérisé en ce que chaque piston est conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 4. 7. Ensemble bloc moteur et culasse selon les revendications 3, 4 et 6, caractérisé en ce que laculasse (8) présente un injecteur (2) de carburant produisant une nappe de carburant avec un angle de nappe sur le téton (9) du bol (6). 8. Ensemble bloc moteur et culasse selon la 5 revendication 7, caractérisé en ce qu'il est du type à deux soupapes. 9. Ensemble bloc moteur selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il est à alimentation Diesel.