Brevet FR2948730A1 — publié le 20110204

PERFECTIONNEMENT AUX PISTONS POUR MOTEUR THERMIQUE. Domaine technique La présente invention concerne un perfectionnement aux pistons pour moteur thermique. Plus précisément, mais non limitativement, la présente invention s'applique aux pistons pour moteur thermique de motocyclette du type à quatre temps, destiné à fonctionner à un régime élevé, par exemple de l'ordre de 25 000 tours/minute. Etat de la technique antérieure Il est connu de réaliser des moteurs à grande puissance par utilisation d'un piston de grand diamètre, dans un cylindre de diamètre correspondant et en combinaison avec des soupapes de culasse de diamètre approprié. II en résulte des pertes thermiques importantes à la surface du piston qui engendrent une mauvaise combustion. Généralement, de tels pistons connus coopèrent avec une chambre de combustion de faible hauteur, la course du piston étant réduite, ce qui autorise un régime de cycle compression-décompression élevé. En outre les jupes des pistons sont dotées d'un alésage diamétral traversant dans lequel est monté un axe d'articulation de la bielle au piston. Cette disposition de perçage introduit des fuites de gaz de combustion vers le volume interne du bloc moteur et ce malgré un montage sans jeu ou ajusté de l'axe d'articulation dans son alésage. Ces fuites se traduisent par une perte de compression et donc de rendement et par une pollution inutile du volume interne du bloc moteur. Des fuites se produisent également par les échancrures inférieures que présentent les jupes des pistons de l'état de la technique. Exposé de l'invention. La présente invention, pour obtenir le résultat souhaité : augmentation de puissance par accélération de la combustion par extension rapide du front de flamme, rompt avec l'état de la technique, en augmentant la température du piston par accumulation de chaleur. Le piston est du type à grand diamètre et à faible course dans une chambre de combustion de hauteur réduite et se caractérise essentiellement en ce que la surface de tête du piston est dotée en son centre d'un dôme proéminent en vis-à-vis de l'organe d'allumage. Ce dôme, entre le point d'avance d'allumage et le point mort haut, monte en température et accumule de la chaleur. Simultanément le dôme de par la protubérance qu'il forme, accélère grandement le front de flamme. La chaleur accumulée pendant la phase précédente est restituée au mélange gazeux pendant la phase de détente et de ce fait est transformée en énergie mécanique. II en résulte donc un gain d'énergie mécanique. Pendant la phase d'échappement, le dôme récupère sous forme de chaleur une partie de l'énergie contenue dans les gaz brûlés. Le dôme se réchauffe et la chaleur qu'il a accumulée est ensuite restituée, lors de l'admission et de la compression, au mélange gazeux nouvellement introduit dans la chambre de travail, cette introduction s'opérant à partir du point d'avance à l'ouverture. Cet apport de chaleur amené au mélange gazeux frais renforce l'homogénéité de celui en forçant le carburant, typiquement l'essence, par accroissement de l'agitation moléculaire, à mieux se répartir dans l'air comburant. Le mélange se trouve ainsi mieux préparé à la combustion future. Ainsi, grâce à cette redistribution et récupération énergétique est obtenu un accroissement de la force motrice délivrée par le moteur et ce sur une plage 20 étendue de régimes moteur, typiquement de 3 000 tours/minute à 13 000 tours/minute. Il ya lieu de noter qu'au point mort haut du piston, le dôme demeure dans la chambre de travail en ce sens qu'il ne pénètre pas dans un logement dédié pratiqué dans la culasse. En raison de cette disposition, le dôme lors de la phase 25 de combustion, se trouve entouré de toute part par la combustion et peut ainsi accumuler de manière uniforme une partie de la chaleur dégagée par cette dernière. Avantageusement, selon une autre caractéristique de l'invention, ce dôme est plein pour accroître la quantité de chaleur qu'il peut emmagasiner mais on 30 pourra prévoir un dôme creux pour diminuer la masse du piston. De même, selon une autre caractéristique de l'invention, le dôme sera un élément rapporté sur le piston et fixé de manière indémontable ou démontable à ce dernier par tout moyen connu. Alternativement, selon une autre disposition de l'invention, le dôme sera formé avec le piston, soit par usinage soit par moulage. Selon une autre caractéristique de l'invention, la partie supérieure de la jupe du piston est diamétralement rétrécie et ne participe pas au guidage du piston dans le cylindre. Cette disposition vise à diminuer l'intensité des forces de frottement du piston contre le cylindre et vise à accroître encore le rendement mécanique du moteur. Un autre intérêt de cette disposition réside dans le fait que le guidage du piston est effectué sur la zone la moins chaude de la jupe de ce dernier, c'est-à-dire la partie la moins soumise à déformation par dilation. De préférence, selon une autre caractéristique de l'invention, la partie supérieure de la jupe est tronconique, la petite base du tronc de cône formé, correspondant à la surface 1. Comme le piston au point mort haut ou au point mort bas est susceptible de basculer autour de son axe d'articulation, la conicité donnée à la partie supérieure, permet d'assurer un contact linéaire entre cette partie supérieure et le cylindre et non pas un contact ponctuel. En outre la forme donnée à cette partie supérieure permet de mieux tenir compte de son gradient de dilatation, la partie terminale haute de cette partie supérieure, plus chaude, étant amenée à se dilater plus que la partie terminale basse moins chaude. Il va de soi que la forme donnée à la partie haute du piston n'est pas limitée à cette forme tronconique et que toute autre forme adaptée pourra être adoptée. Selon une autre caractéristique de l'invention, visant à améliorer le rendement du moteur, la jupe du piston présente au moins une gorge prévue pour recevoir lors de la phase compression, les fuites gazeuses. Une telle disposition, notamment lors de la phase de détente, vise à former au niveau de la gorge, entre les faces de cette dernière et le cylindre, une zone annulaire à pression gazeuse élevée formant une barrière d'étanchéité s'opposant aux fuites des gaz. Ainsi pendant la phase de détente notamment, les gaz stockés dans la gorge se détendent et rejoignent la chambre de travail en repoussant vers cette dernière les fuites gazeuses. Ainsi les fuites gazeuses sont d'abord stockées dans cette gorge et ensuite, sont utilisées pour renforcer l'étanchéité de la chambre de travail. On comprend tout l'intérêt d'une telle disposition qui assure une étanchéité sans frottement mécanique. Selon une autre caractéristique de l'invention, la section droite de la gorge adopte un profil évasé depuis le fond de la gorge vers la surface externe de la jupe. Cette disposition est propice à assurer une meilleure progressivité dans le remplissage et le vidage de la gorge. Selon une autre caractéristique de l'invention, le piston, dans le volume interne défini par la jupe et par sa paroi supérieure ou paroi de tête, est équipé d'une forme de chape formée de deux ailes parallèles enracinées à la face inférieure de la paroi de tête du piston, ces deux ailes étant chacune dotées d'un palier sous forme d'alésage dans lequel prend appui l'axe d'articulation de la bielle par sa partie terminale correspondante. De plus, la jupe, pour permettre l'introduction de l'axe d'articulation dans les paliers des ailes de la chape, dans l'alignement géométrique de ces derniers, est dotée d'un perçage radial, et d'un seul, lequel, pour assurer l'herméticité de la jupe, est obturé de manière étanche par un bouchon d'obturation en matériau élastiquement compressible. Selon une autre caractéristique de l'invention, le bouchon est monté dans la jupe en compression entre la face interne de cette dernière à la périphérie du perçage radial 15 et l'aile de la chape en regard de ce perçage. Ce bouchon ou tampon, outre d'assurer l'herméticité de la jupe, diminue l'importance des volumes morts. Selon une forme pratique de réalisation, le bouchon comprend deux embouts d'extrémité, cylindriques, axialement alignés, dont un par sa face terminale vient en appui contre la face interne de la jupe à la périphérie du perçage radial pratiqué dans cette dernière, et dont l'autre est engagé en force dans le palier formé dans l'aile correspondante de la chape. L'étanchéité est principalement réalisée au niveau de l'arête, interne à la jupe, du perçage radial que comporte cette dernière, mais est complétée par l'appui annulaire que réalise la face terminale de l'embout autour de ladite arête. Description sommaire des fiqures et des dessins. D'autres avantages, buts et caractéristiques de l'invention apparaîtront à la lecture de la description ci-après d'une forme préférée de réalisation de l'invention, donnée à titre d'exemple non limitatif et illustrée par les dessins joints dans lesquels : - la figure 1 est une vue en coupe du piston selon l'invention, - la figure 2 est une vue partielle en coupe de la jupe périphérique annulaire, caractéristique dudit piston, - la figure 3 est une vue en coupe longitudinale du piston montrant les moyens aptes à assurer l'herméticité de la jupe du piston, - La figure 4 est une vue illustrant sous forme de courbes, la différence de gain en puissance DIN et la différence de gain en termes de couple moteur. Meilleure manière de réaliser l'invention. Tel que représenté en figure 1, le piston selon l'invention pour moteur thermique du type quatre temps, préférentiellement mais non limitativement à essence, est du type à grand diamètre et à faible course dans une chambre de travail de hauteur réduite. Ce piston comprend une paroi de tête prolongée par une jupe annulaire périphérique 4. La paroi de tête est dotée d'une surface de tête 1 délimitant avec le cylindre et la culasse, non représentés, la ou l'une des chambres de travail du moteur thermique. Ce piston est équipé de plus d'un axe horizontal 12, diamétral à la jupe, prévu pour recevoir en articulation une bielle, non représentée, de transmission de l'effort moteur à un vilebrequin non représenté. Ce piston se caractérise essentiellement en ce que sa surface 1 est dotée en son centre d'un dôme 2 de préférence plein, proéminent, en vis-à-vis de l'organe d'allumage non représenté. Le dôme pourra être sensiblement hémisphérique ou de toute autre forme adaptée. Ce dôme 2 se situe au centre de la cylindrée, c'est-à-dire occupe une position centrale sur la surface de tête 1. Le dôme 2 accumule de la chaleur qu'il restitue ensuite et contribue à expulser les gaz vers la périphérie de la surface 1, et donc vers la périphérie de la chambre de travail, ce qui étend au maximum de la surface 1 du piston, le front de flamme. Avantageusement, le piston est pourvu d'une gorge périphérique 3 autour du dôme 2 pour l'isoler et accentuer sa hauteur. A titre d'exemple purement indicatif, le dôme, pour une cylindrée de 250 cm3, avec une chambre de 77 mm de diamètre et une course de piston de 53,6 mm présentera une hauteur de 7 mm et un diamètre à sa base de 15 mm. Les essais effectués sur banc avec ce moteur, monocylindre, équipé d'un piston conforme à l'invention ont montré un accroissement de puissance et accroissement de couple moteur. Les résultats de ces essais sont représentés en figure 4 sous forme de courbes Cl, C2, C3, C4. Les deux courbes Cl, C2 illustrent la différence de gain en puissance exprimé en chevaux DIN et les deux courbes C3 et C4 illustrent la différence de gain en termes de couple moteur. Sur cette figure, les régimes moteurs, exprimés en termes de pourcentage de la vitesse maximale de déplacement du véhicule, sont portés en abscisse tandis que les puissances et couples sont portés en ordonnées, respectivement à gauche pour la puissance et à droite pour le couple moteur. La courbe Cl illustre le résultat des essais effectué avec un piston usuel et la courbe C2 le résultat des essais effectués avec un piston selon l'invention. On note une puissance maximale de 36 chevaux DIN avec un piston usuel et une puissance de 36,7 chevaux DIN avec un piston selon l'invention. La courbe C3 illustre le résultat des essais effectué avec un piston usuel et tandis que la courbe C4 montre le résultat des essais effectué avec un piston selon l'invention. On note un couple maximal de 28 daN.m avec un piston usuel et un couple de 28,6 daN.m avec un piston selon l'invention. Les courbes montrent que le gain en termes d'énergie est obtenu sur une plage étendue de régimes moteurs. Selon une forme préférée de réalisation, le corps de piston présente une jupe annulaire verticale 4 périphérique, hermétique. Une portion inférieure 5 de cette jupe est cylindrique. Cette portion 5 correspond approximativement au quart de la hauteur venant en frottement contre le cylindre ; elle assure une fonction d'étanchéité et de guidage. On notera à ce propos que le guidage du piston dans le cylindre est assuré par la zone la moins chaude de ce dernier. La portion supérieure 6 de la jupe est tronconique, cette portion supérieure étant limitée par la surface de tête 1. Cette disposition permet de diminuer l'importance des surfaces de guidage, le guidage du piston n'est assuré que par la partie inférieure 5 de ce dernier, et de diminuer l'importance des forces de frottement entre le piston et le cylindre. On comprend donc que cette disposition contribue à diminuer les pertes mécaniques et améliore de ce fait, le rendement du moteur. La portion supérieure de la jupe reçoit dans deux gorges parallèles 7 une segmentation appropriée constituée par exemple, d'un segment pare-feu et d'un 10 segment racleur . Entre les gorges 7 recevant les segments pare-feu et racleur est ménagée au moins une gorge 8 apte à stocker pendant la phase de compression, les fuites de gaz. Avantageusement la gorge 8 s'élargit progressivement à partir du fond de gorge 15 vers la surface externe cylindrique de la jupe. Selon la forme préférée de réalisation, la gorge 8 présente une section droite triangulaire. Cette gorge présente une première face plane supérieure formée selon un plan diamétral à la jupe et une surface tronconique inférieure sécante à la précédente inclinée vers le bas. 20 En partie inférieure de la jupe, sous les gorges des segments pare-feu et racleur, est réalisée au moins une gorge 9. De préférence sont réalisées deux gorges 9 parallèles entre elles. Ces gorges sont disposées à équidistance de l'axe géométrique longitudinal de symétrie AA' de l'axe 12 d'articulation de la bielle. Ces gorges 9 assurent une retenue d'huile et contribuent à la formation de 25 coins d'huile propices à améliorer le guidage du piston et la lubrification des surfaces de guidage. La répartition équidistantes de ces gorges confère au guidage une symétrie par rapport à l'axe géométrique AA' améliorant ainsi la tenue du piston en oscillation par rapport à l'axe AA'. 30 On peut observer sur la figure 2 que la gorge supérieure 9 est formée sur la partie conique 6 alors que l'autre gorge 9 est formée immédiatement au-dessus de la partie cylindrique 5. II y a lieu aussi de noter que la partie inférieure 5 se situe sous l'axe AA' de sorte que lors de la phase de compression cette partie de guidage se trouve tirée et non poussée. Il faut noter également que les gorges 9 constituent aussi un volume de stockage des fuites de gaz pendant la phase de compression, lesquelles fuites pendant les phases de détente, contribueront à l'étanchéité de la chambre de travail comme cela a été décrit précédemment pour la gorge 8. II va de soi que les gorges 8, 9 peuvent avoir toute autre conformation adaptée. Dans le volume interne que définit la jupe, le piston est équipé d'une chape 13 prévue pour recevoir l'axe d'articulation 12, ce dernier étant creux pour réduire l'importance des masses en mouvement . Cette chape est formée de deux ailes 13 parallèles entre elles et parallèles à l'axe longitudinal du piston. On peut remarquer que ces ailes sont écartées de la face interne de la jupe du piston. Ces ailes 13 sont enracinées toutes deux à la paroi de tête du piston et sont dotées chacune d'un palier 14, sous forme d'un alésage cylindrique traversant, dans lequel prend appui la zone terminale correspondante de l'axe d'articulation 12. Les ailes 13 de la chape sont mécaniquement liées à la jupe 4 par des ailettes de renfort 19, visibles en figure 1. Pour permettre l'engagement de l'axe 12 dans les paliers 14, la jupe 4 est dotée d'un perçage radial traversant 15 en relation d'alignement avec les paliers 14. Ce perçage 15, après mise en place de l'axe 12, est obturé de manière étanche par un bouchon d'étanchéité 16 en toute matière adaptée, élastiquement compressible, par exemple en un élastomère de silicone. Ce bouchon est monté en compression entre la zone de la face interne de la jupe, périphérique au perçage radial 15 et l'aile 13 disposée en regard de ce perçage. Selon la forme pratique de réalisation, le bouchon d'obturation 16 comprend deux embouts cylindriques 18, axialement alignés, dont un par sa face terminale, (face perpendiculaire à l'axe longitudinal du tampon) vient fermement en appui contre la face interne de la jupe à la périphérie du perçage radial 15 et dont l'autre est engagé en force dans le palier formé dans l'aile correspondante de la chape. Avantageusement, le bouchon 16, entre les embouts cylindriques 18, présente un profil concave. Cette disposition a pour but d'assurer une répartition uniforme de la pression de contact du bouchon contre la face interne de la jupe. Enfin il y a lieu de noter que l'axe d'articulation 12 est monté de manière libre en rotation dans les paliers 14. Par ailleurs cet axe peut se déplacer en translation dans ces derniers sur faible une distance limitée d'une part par l'embout du bouchon 16 et d'autre part par un anneau élastique 17 du genre circlips, engagé dans une gorge pratiquée dans le palier 14 correspondant. II va de soi que la présente invention peut recevoir tous aménagements et variantes du domaine des équivalents techniques sans pour autant sortir du cadre du présent brevet tel que définit par les revendications ci-après.