Brevet FR2923866A1 — publié le 20090522

PISTON POUR MOTEUR A COMBUSTION INTERNE ADAPTE AU FONCTIONNEMENT AVEC UN CARBURANT DU TYPE GAZ NATUREL POUR. VEHICULE L'invention concerne un piston pour moteur à combustion interne par allumage commandé comprenant un corps de piston délimité latéralement par une jupe, s'étendant verticalement selon un axe de révolution du cylindre, apte à coopérer avec les parois internes d'un cylindre, une tête de piston comportant une face frontale, ledit piston étant pourvu d'un logement apte à accueillir un axe pour lier le piston à une tête de bielle Les tensions sur l'approvisionnement et les coûts des carburants et par des normes environnementales strictes sur certains marchés, poussent les constructeurs automobiles et plus particulièrement les motoristes à adapter leurs moteurs à combustion interne pour fonctionner avec des carburants aux caractéristiques intrinsèques différentes. Notamment, il existe un besoin d'adapter des moteurs à combustion interne pour fonctionner avec du gaz naturel pour véhicule (GNV) qui se révèle meilleur marché et moins polluant que certains des carburants habituellement utilisés tel que l'essence. Ce carburant présente une vitesse de combustion plus lente d'environ 10 à 20% et des propriétés anti- détonantes très supérieures à ces carburants. En outre, les très forts indices d'octane de l'ordre de 120 à 130 offrent un potentiel pour des rendements importants dans les moteurs à allumage commandés. Pour exploiter au mieux les caractéristiques du GNV, on 30 recherche à augmenter le taux de compression pour améliorer le rendement tout en tenant compte des caractéristiques -2- particulières de ce carburant. Notamment, on cherche à conserver une distance séparant la bougie des surfaces de la chambre de combustion optimale et à intensifier le mouvement aérodynamique interne. C'est un objet de la présente invention que de proposer un piston par ailleurs conforme au préambule précité dans lequel une couronne périphérique s'élève sur la face frontale, dans lequel un bol s'étend sensiblement au centre de la face frontale et est délimité par cette couronne, et dans lequel un canal est formé dans la tête de piston pour guider un mélange de carburant et de comburant vers le bol afin d'y être mélangé. L'utilisation d'un piston selon l'invention permet d'atteindre les avantages suivants : - une génération de niveaux de turbulence élevés sans devoir recourir à des moyens générateurs de turbulence de tumble dans les conduits d'admission permettant de maintenir une perméabilité élevée de ces conduits ; - une augmentation du rendement spécifique du moteur en puissance et couple à tous les régimes moteurs pouvant atteindre 5% environ; - une baisse de la consommation de ce moteur de l'ordre de 5%. Suivant des modes particuliers de réalisation, le piston 25 comporte l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : le bol s'étend sur une surface comprise entre 50% et 75% de la surface totale de la face frontale ; - le fond du bol est situé à une distance comprise entre 30 et 32mm de l'axe du logement et de préférence de 30 31.7mm, tout en étant apte à être situé à une distance comprise entre 6 et 7 mm d'une bougie d'allumage ; - 3 le canal présente une profondeur comprise entre 0,7 mm et la profondeur du bol ; la profondeur du canal est sensiblement égale à la moitié de la profondeur du bol ; le canal présente une profondeur variable entre son entrée et sa sortie, la profondeur à la sortie du canal étant alors de préférence sensiblement égale à la moitié de la profondeur du bol ; - la largeur du canal est sensiblement constante et comprise entre 16 et 20mm et est de préférence sensiblement égale à 18mm ; la largeur à la sortie du canal est environ égale à la moitié de la largeur à l'entrée du canal ; -la forme du bol est une portion d'un ellipsoïde, et de préférence un ellipsoïde dont le grand axe appartient au plan de symétrie du piston ; la forme du bol est une portion d'une sphère pour permettre une propagation isotrope de la flamme dans la chambre de combustion. la face supérieure du piston comporte des évidements complémentaires des soupapes d'admission réalisées de part et d'autre du canal. L'invention a également pour objet un moteur à combustion interne adapté au fonctionnement avec un 25 carburant du type GNV, comprenant au moins un piston selon l'invention. Plus particulièrement, l'invention a également pour objet un moteur à combustion interne à allumage commandé dans lequel est formé un cylindre dont l'extrémité supérieure est 30 fermée par une culasse pourvue d'une face inférieure comprenant une première face inclinée par laquelle débouche -4 au moins un conduit d'admission pouvant être obturé par une soupape d'admission et une deuxième face inclinée par laquelle débouche au moins un conduit d'échappement apte à être obturé par une soupape d'échappement, le dit moteur comprenant une bougie d'allumage débouchant sensiblement au sommet de la paroi inférieure de la culasse et au moins un injecteur de carburant remarquable en ce que la chambre de combustion est formée entre une face frontale d'un piston selon l'invention et la face inférieure de la culasse. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront clairement à la lecture de la description suivante du mode de réalisation non limitatif de celle-ci dans lequel on recherche un taux de compression de 12:1, en liaison avec les figures suivantes : la figure 1 est une coupe schématique partielle d'une chambre de combustion selon l'invention ; - la figure 2 représente en perspective la tête d'un piston selon l'invention ; la figure 3 A représente une vue de dessus d'une tête 20 de piston selon l'invention ; la figure 3B représente une coupe selon l'axe B-B de la tête de piston représenté à la figure 3 A ; la figure 4A représente les courbes de puissance et de couple pour un moteur A et un moteur B ; 25 la figure 4B représente les courbes de puissance et de couple pour un moteur B et un moteur C. On a illustré figure 1, un moteur à combustion interne 100 comprenant un cylindre 1, une culasse 2, un piston 3. Une paroi inférieure de la culasse 2 comprend une première face 30 inclinée 21 et une deuxième face inclinée 22, disposées chacune d'un côté d'un plan de symétrie Z formé par l'axe de -5 révolution C du cylindre 1 et l'axe de révolution d'un vilebrequin (non représenté) sur lequel est monté le piston via un embiellage (non représenté). Les côtés du moteur 100 et du piston 3 situés de part et d'autre de ce plan de symétrie Z sont dénommés côté admission et échappement. Des conduits d'admission 5 sont formés dans la culasse 2 et débouchent par la première face inclinée 21 et des conduits d'échappement 6 sont formés dans la culasse 2 et débouchent par la deuxième face inclinée 22. Ces conduits d'admission 5 et d'échappement 6 sont respectivement obturés par des soupapes d'admission 50 et d'échappement 60. Selon le mode de réalisation représenté, ces conduits 5, 6 et soupapes 50, 60 sont au nombre de deux côté admission et de deux côté échappement. Une bougie d'allumage 4 est implantée dans la culasse 2, de préférence à l'intersection de l'axe de révolution du cylindre C et des premières 21 et deuxièmes 22 faces inclinées, ou autrement dit au sommet de la paroi inférieure de la culasse 2. Un injecteur de carburant 7 est monté dans le conduit d'admission 5 de manière à injecter du carburant aux instants appropriés, pour qu'il se mélange à l'air circulant dans le conduit d'admission 5. En variante, l'injecteur 7 peut déboucher directement 25 dans la chambre de combustion. Le piston 3 est monté coulissant dans le cylindre 1 suivant un axe de révolution et de symétrie du cylindre C, et présente un corps de piston délimité latéralement par une jupe de piston 31 s'étendant parallèlement à l'axe de révolution du 30 cylindre C et coopérant avec une paroi interne du cylindre 1, et une tête de piston 32 comportant une face frontale 33 contribuant avec la paroi inférieure de la culasse 2 à délimiter une chambre de combustion du moteur 100. Sur la figure 2 est représentée en perspective une tête de piston 32 conforme à l'invention. La face frontale 33 de la tête de piston 32 comprend un évidement, ou bol 34 disposé sensiblement au centre de cette face frontale 33. Selon la vue de dessus du piston, comme représentée à la figure 3A, la surface d'ouverture du bol 34 prend une forme d'ellipse dont le grand axe se situe sensiblement dans le plan de symétrie Z. Le volume du bol 34 formant alors une calotte ellipsoïdale, dont le plan de coupe est situé de préférence entre le pôle et l'équateur de l'ellipse. Le bol 34 pourra prendre également d'autres formes par exemple de calotte sphérique dont le plan de coupe est situé de préférence entre le pôle et l'équateur de la sphère. La surface d'ouverture peut être comprise entre 50% et 75% de la surface frontale de la tête de piston 32. Une augmentation de la surface est favorable à la propagation de la flamme. Un bol 34 de la forme d'une portion d'ellipsoïde permet de favoriser la propagation de la flamme suivant une direction suivant le grand axe. Un bol 34 de la forme d'une portion de sphère permet une propagation de la flamme de manière isotropique autour du centre du bol 34. Le bol 34 aura une profondeur adaptée au taux de compression recherché, sachant qu'une augmentation de la surface d'ouverture entraînera une diminution de la profondeur pour atteindre le taux de compression recherché. Dans le mode de réalisation représenté, pour un taux de compression recherché de 12:1, le fond du bol est situé à une distance de -7- 31.7mm de l'axe du logement 38 et à une distance de 6mm environ de l'extrémité inférieure de la bougie d'allumage 4. Le bol 34 est délimité par une couronne périphérique 35, un sommet 35S de la couronne 35 formant l'arête du bol 34. Le profil de la couronne 35 peut varier en différents points autour du bol 34. Cette variation des dimensions permet de conserver le volume de chambre de combustion nécessaire au taux de compression recherché ainsi que la distance piston, soupape et piston bougie requises. La profondeur du bol 34 correspond à la distance prise entre le point le plus bas du bol 34 et le sommet 35S de la couronne 35. La partie située autour de la partie centrale du bol 34 peut être une surface sensiblement plane. Dans ce cas, le bol 34 prendra alors la forme d'un segment ellipsoïdal ou sphérique. La largeur sur laquelle s'étend la couronne 35 dans le plan de la face frontale 33 de la tête de piston 32 peut varier autour du bol 34. La hauteur sur laquelle s'étend la couronne 35 peut également varier autour du bol 34. Le contour intérieur 351 prendra la forme d'une ellipse, de manière à favoriser la propagation de la flamme à l'intérieur du bol 34. Ce contour intérieur peut coïncider avec le sommet 35S de la couronne périphérique 35. Le contour extérieur 35E de cette couronne 35 peut prendre une forme sensiblement rectangulaire, ellipsoïdalle ou encore circulaire pour participer à la propagation isotropique de la flamme autour de l'axe C. -8- Un canal 36, situé côté admission, s'étend radialement à partir du bol 34 et coupe la couronne périphérique 35 sur au moins une partie de sa largeur. Ce canal 36 présente une entrée située au niveau du bord extérieur du piston, et une sortie débouchant dans le bol 34. Ce canal 36 permet de générer un passage privilégié pour les gaz d'admission lorsqu'ils sont aspirés dans la chambre de combustion globalement durant la phase d'admission. De par sa géométrie, le canal 36 génère des turbulences qui participent au mélange du carburant avec l'air admis. La largeur du canal 36 est au moins égale à la distance séparant les sorties des conduits d'admission 5 formées sur la première face inclinée 21. Selon le mode de réalisation représenté, la largeur du canal est comprise entre 16 et 20mm et de préférence égale à 18mm. La largeur du canal 36 peut également être convergente vers sa sortie de manière à augmenter les turbulences en augmentant la vitesse du flux circulant dans le canal 36. La largeur à la sortie du canal 36 peut être environ égale à la moitié de la largeur à l'entrée du canal 36. La profondeur du canal 36 est comprise entre un minimum de 0,7mm et une valeur maximum correspondant à la profondeur du bol. De préférence, la profondeur maximum du canal 36 est inférieure à la profondeur du bol 34, de manière à générer un mouvement aérodynamique intense à la sortie du canal 36. Ce mouvement aérodynamique, représenté par la flèche sur la figure 1, sera un mouvement dit de tumble c'est-à-dire un enroulement du fluide admis dans la chambre de combustion autour d'un axe parallèle à l'axe du piston, de manière à faire -9 remonter ce fluide du bol 34 vers la bougie d'allumage 4. On pourra prendre la profondeur du canal égale à la moitié de la profondeur du bol. Les mouvements tourbillonnaires générés permettent de mélanger le carburant et le comburant afin d'obtenir un mélange tendant vers ou atteignant un mélange dit � homogène �, en vue de son craquage par la bougie d'allumage 4. La profondeur du canal 36 peut être constante sur sa 10 longueur ou bien variable entre son entrée et sa sortie. La profondeur du canal 36 pourra être sensiblement égale à la profondeur du bol 34. La profondeur à l'entrée du canal 36 pourra être supérieure à la profondeur à la sortie du canal 36 de manière à 15 accélérer le flux y circulant et augmenter le mouvement tourbillonnaire. Des poches 37a, 37b sont formées côté admission, sur la face frontale 33 afin d'éviter que les soupapes d'admission 50 ne rentrent en contact la tête de piston 32 lorsque le piston 20 3 se situe au voisinage d'un Point Mort Haut (PMH) lors de sa remontée vers la culasse 2. De manière analogue, des poches (non représentés) peuvent être formées côté échappement, pour éviter un contact entre le piston 3 et les soupapes d'échappement 60. 25 Les figures 4A et 4B présentent les performances, puissance et couple, d'un moteur A ayant un taux de compression de 12:1 obtenu par un dessin de piston selon l'invention, comparées à des moteurs ne mettant pas en oeuvre l'invention et adapté à un fonctionnement avec de l'essence, le 30 moteur B ayant un taux de compression de 10:1 et le moteur C ayant un taux de compression de 12:1. Les courbes indicées Px - 10 - et Cx représentent respectivement les courbes de puissance et de couple pour le moteur X. Les moteurs A, B et C dont les courbes sont représentées ont été testés en fonctionnement avec un 5 carburant du type GNV. La courbe de couple du moteur A Ca, est au dessus de la courbe du moteur B Cb à tous les régimes, tandis que la courbe du moteur C Cc, si elle est au dessus à haut régime, est sous la courbe Cb à bas régime. Cette comparaison démontre 10 que l'accroissement du taux de compression d'un moteur adapté à un fonctionnement avec de l'essence, rend le moteur plus creux, alors qu'un moteur selon l'invention permet un accroissement du couple d'environ 4,5% sur toute la plage de régime. 15 ' L'analyse des courbes de puissance montre des tendances analogues, avec des courbes de puissance du moteur A Pa supérieures à celles du moteur B Pb à tous les régimes, et des courbes Pc du moteur C inférieures à celles Pb du moteur B à bas régimes et supérieures à haut régimes. L'accroissement de la puissance avec un moteur selon l'invention s'établit à 5% environ à haut régime. Dans les mêmes temps, des tests de consommation ont été menés sur le moteur A comparativement à un moteur du type B, qui ont permis de mettre en évidence une baisse de la 25 consommation d'environ 5%. REVENDICATIONS 1) Piston (3) pour moteur à combustion interne par allumage commandé (100) comprenant un corps de piston (3) délimité latéralement par une jupe (31), s'étendant verticalement selon un axe de révolution du cylindre (1) C, apte à coopérer avec les parois internes d'un cylindre (1), une tête de piston (32) comportant une face frontale (33), le piston étant par ailleurs pourvu d'un logement (38) apte à accueillir un axe pour lier le piston à une tête de bielle caractérisé en ce que le dit piston comprend une couronne périphérique (35) s'élevant sur la face frontale (33), un bol (34) s'étendant sensiblement au centre de la face frontale (33) et délimité par cette couronne (35), et un canal (36) formé dans la tête de piston (32) apte à guider un mélange de carburant et de comburant vers le bol (34) pour y être mélangé. 2) Piston selon la revendication 1 caractérisé en ce 20 que le bol (34) s'étend sur une surface comprise entre 50% et 75% de la surface totale de la face frontale (33). 3) Piston selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que le fond du.. bol (34) est situé à une distance comprise entre 30 et 32mm de l'axe du logement (38) 25 et de préférence de 31.7mm, tout en étant apte à être situé à une distance comprise entre 6 et 7 mm d'une bougie d'allumage (4) 4) Piston selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que le canal (36) présente une profondeur 30 comprise entre 0,7 mm et la profondeur du bol (34).- 12 - 5) Piston selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que la profondeur du canal (36) est sensiblement égale à la moitié de la profondeur du bol (34). 6) Piston selon l'une des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que le canal (36) présente une profondeur variable entre son entrée et sa sortie, la profondeur à la sortie du canal étant alors de préférence sensiblement égale à la moitié de la profondeur du bol (34). 7) Piston selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que la largeur du canal (36) est sensiblement constante et comprise entre 16 et 20mm et est de préférence sensiblement égale à 18mm. 8) Piston selon l'une des revendications 1 à 6 caractérisé en ce que la largeur à la sortie du canal (36) est environ égale à la moitié de la largeur à l'entrée du canal (36). 9) Piston selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que la forme du bol (34) est une portion d'un ellipsoïde, et de préférence un ellipsoïde dont le grand axe appartient au plan de symétrie Z du piston. 10) Piston selon l'une des revendications 1 à 8 caractérisé en ce que la forme du bol (34) est une portion d'une sphère pour permettre une propagation isotrope de la flamme dans la chambre de combustion. 11) Piston selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que la face supérieure du piston comporte des évidements complémentaires (37a, 37b) des soupapes d'admission (5) réalisés de part et d'autre du canal (36). 12) Moteur (100) à combustion interne adapté au fonctionnement avec un carburant du type GNV, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un piston (3) selon l'une quelconque des revendications précédentes.