Brevet FR2958977A1 — publié le 20111021

Piston pour chambre de combustion de moteur Diesel Domaine technique de l'invention La présente invention concerne un piston pour chambre de combustion de moteur Diesel. Elle concerne aussi un moteur à combustion Diesel de véhicule, en particulier de véhicule automobile, qui comporte un tel piston dont la structure permet d'améliorer l'efficacité de la combustion. Arrière-plan technologique A cylindrée donnée, pour améliorer la puissance maximale d'un moteur à combustion Diesel, il faut augmenter le plus possible la vitesse de combustion de façon à permettre l'injection d'une quantité maximale de carburant tout en respectant les contraintes d'architecture du moteur, à savoir la pression maximale admissible dans la chambre de combustion et la température d'échappement. La combustion étant fonction de la vitesse de mélange du carburant avec l'air, on a cherché à favoriser ce mélange en jouant sur la pression d'injection, la définition de la buse de l'injecteur ou encore la forme du piston, par exemple. Un piston de moteur Diesel comprend, de manière classique, une cavité en forme de bol, qui contient l'air pour faire brûler le carburant en position haute du piston, et une lèvre, qui relie le bol à la zone de chasse du piston, c'est-à-dire l'espace situé entre la surface inférieure de la culasse et la surface supérieure du piston. Dans un mode de combustion classique, le carburant liquide vient heurter directement la lèvre, et cette dernière assure la séparation du carburant injecté en deux courants : un premier courant vers le bol et un autre courant vers la zone de chasse. Cette interaction entre l'injection de carburant liquide et la lèvre constitue la problématique majeure de la recherche de la meilleure performance du moteur à combustion Diesel. Le principe sous-jacent de cette recherche est d'utiliser au maximum l'air qui se trouve dans le bol en bénéficiant du mouvement d'air généré par l'injection liquide et, de plus, d'envoyer une faible quantité de carburant dans la zone de chasse afin qu'elle brûle en fin de combustion lorsque le piston descend. Dans ce mode de combustion, la fin de combustion est lente car elle dépend directement de la vitesse de descente du piston qui libère de l'espace, et par conséquent de l'air, pour faire brûler le carburant injecté dans la zone de chasse. De ce fait, la quantité de carburant maximale à injecter, qui détermine la puissance maximale du moteur, est directement limitée par la rapidité de la fin de combustion. En effet, plus la combustion est lente et plus la fin de combustion a lieu tardivement dans la détente. Ceci a pour conséquence d'augmenter la température d'échappement, ce qui constitue une des contraintes majeures dans cette recherche de meilleure efficacité du moteur. La problématique de conception de la géométrie du piston pour moteur Diesel réside dans le fait que l'on ne dispose que d'une seule géométrie pour assurer les prestations de performances à pleine charge d'une part et les prestations de consommation et/ou d'émissions polluantes à charge partielle d'autre part. Or ces prestations sont antagonistes d'un point de vue de la combustion sauf pour la performance et la consommation. Le document EP1983168A1 décrit une structure de chambre de combustion pour un moteur Diesel à injection directe, laquelle structure présente une cavité sur la surface supérieure du piston. La cavité est de forme concave de façon à fournir une grande partie de la chambre de combustion. Le carburant est injecté à partir du centre de la partie supérieure du cylindre dans la périphérie interne de la cavité pour une combustion instantanée. Une dépression est formée à la périphérie externe de la cavité et est décalée vers le bas par rapport à la surface supérieure du piston pour fournir une sorte de marche. La dépression a un fond, dont la périphérie externe remonte graduellement radialement vers l'extérieur selon une surface de profil curviligne jusqu'à la surface supérieure du piston. La lèvre d'admission est formée dans une zone légèrement inférieure au plan de la surface supérieure du piston par la périphérie interne du fond de la dépression et une paroi de la chambre de combustion interne s'élevant à partir du fond de la cavité. Le but de la présente invention est de fournir un piston pour chambre de combustion de moteur Diesel, qui permette d'améliorer l'efficacité de la combustion, et, par conséquent, la puissance maximale du moteur. Un autre but de la présente invention est de fournir un tel piston, qui, pour une puissance donnée, permette d'améliorer le mélange air/carburant et la vitesse de combustion, par conséquent de réduire la consommation de carburant. Enfin, c'est également un but de la présente invention, de fournir une nouvelle structure de piston, qui soit de conception et de fabrication simples, et qui soit économique. Pour parvenir à ces buts, la présente invention a pour objet un piston pour chambre de combustion de moteur Diesel, ledit piston présentant un axe central, un bol formant cavité35 et présentant une partie centrale en élévation, une partie périphérique formant un tore, caractérisé en ce que ledit bol présente une partie plane constituant le fond du bol qui entoure la partie centrale et relie ladite partie centrale à la partie périphérique. Dans une variante, l'axe central est un axe de révolution. Ainsi le piston à une surface frontale globalement invariante par toute rotation autour dudit axe de révolution. Dans une autre variante, la partie plane est en forme de forme de couronne. De préférence, la partie plane présente une longueur radiale L, comptée partir de la transition avec la partie périphérique, comprise entre 5 mm et la moitié de la distance radiale D de la lèvre à l'axe du piston, soit : 5 mm De préférence encore, la partie plane présente une longueur radiale constante. Dans une variante, la longueur radiale est sensiblement égal au rayon du tore de la partie périphérique. Dans une variante, ledit piston comprenant une lèvre disposée à la périphérie supérieure 20 du bol, il présente une chasse inclinée dans la direction du fond du bol en allant du bord externe du piston vers la lèvre. De préférence, la chasse inclinée est sensiblement plane ou présente un profil légèrement incurvé convexe. De préférence, la chasse inclinée présente une longueur radiale C comprise entre 1% et 100% de la différence entre le rayon A du piston et la distance radiale D de la lèvre à l'axe du piston, soit : 0,01 (A ù D) 5 C 5 (A ù D). 30 De préférence, la hauteur axiale H de la section d'entrée de la zone de chasse est comprise entre 101% et 400% de la hauteur axiale T de la section de sortie de la zone de chasse, soit : 1,01 T 5 H 5 4 T. L'invention a aussi pour objet un moteur à combustion Diesel, caractérisé en ce que 35 chaque piston du moteur est du type conforme à l'invention. 25 Brève description des dessins D'autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description ci-après d'un mode particulier de réalisation, non limitatif de l'invention, faite en référence aux figures dans lesquelles : - la figure 1 représente, de manière schématique, la structure d'un piston de moteur à combustion Diesel connu de l'art antérieur, - la figure 2 représente, de manière schématique, la structure d'un piston de moteur à combustion Diesel selon la présente invention et les effets de mélange air/carburant que 10 cette structure nouvelle favorise, - la figure 3 illustre les principales cotes de la structure géométrique du piston selon l'invention. 15 Description détaillée En référence au dessin de la figure 1, on a représenté la partie supérieure d'un piston de moteur à combustion Diesel. Le piston, de référence générale 1, d'axe central de révolution X, comprend, de manière classique, une cavité ou bol, de référence 2, dont la section inférieure présente un profil curviligne, et une lèvre, de référence 3, qui est située 20 à la périphérie supérieure du bol 2 et qui relie ce dernier à la surface supérieure annulaire 4 du piston, appelée aussi « chasse ». La zone comprise entre la « chasse » 4, et la surface inférieure de la culasse 6 est appelée « zone de chasse », référencée 5. Le bol 2 est centré par rapport à l'axe de révolution X et est ouvert du coté de la culasse 6. Le bol 2 comprend un bossage central 7 formant une élévation dans le bol 2. 25 L'injection de carburant liquide, illustrée par la référence C, vient impacter directement la lèvre 3, qui assure la séparation de l'injection de carburant liquide C vers le bol 2 (courant Cl) et vers la zone de chasse 5 (courant C2). 30 Le principe de la présente invention est illustré par la figure 2, sur laquelle les parties sensiblement identiques à celles de la figure 1 sont désignées par les mêmes références numériques. Le piston 1 comprend également, de manière classique, un bol 2 avec une partie centrale en élévation ou bossage 7, une partie périphérique 13 en forme de tore et une lèvre 3. La forme en tore de la partie périphérique 13 conduit à ce que la lèvre 3 35 s'avance dans la direction du centre du bol 2 pour former une zone arrondies et réentrante. Le principe de l'invention consiste à concevoir une partie plane 8 constituant le fond du bol 2 qui entoure la partie centrale 7 et relie ladite partie centrale 7 à la partie périphérique 13. Par fond on entend ici la partie le plus basse du bol 2. La partie plane 8 est horizontale, c'est-à-dire perpendiculaire par rapport à l'axe X. Elle forme autour de la partie centrale 7 une couronne. Le jet de carburant pulvérisé dont le trajet est représenté par les flèches Fc vient impacter la lèvre 3. Une première partie du carburant entre dans le bol 2 et remonte vers le centre de la chambre, comme indiqué par les flèches Fc'. Ce faisant, le carburant peut alors brûler en s'évaporant et en se mélangeant avec l'air contenu dans le bol 2 (ce qui est illustré par les flèches Fa). La présence du fond 8 de bol plat permet de bénéficier d'une zone de combustion en tête du jet de carburant pulvérisé plus large, avec plus d'air dans le bol 2 pour améliorer le rendement de combustion donc la consommation et réduire les émissions de particules. Le fond 8 de bol plat permet également d'éviter que la partie du carburant pulvérisé remontant vers le centre de la chambre (flèches Fc') n'interagisse avec la queue du jet de carburant pulvérisé (coté convergent des flèches Fc) en retardant cette remontée au centre de la chambre. En effet le trajet en boucle du jet de carburant est plus long. Ce phénomène permet d'améliorer le rendement de combustion et de diminuer les émissions d'imbrulés et de particules en évitant les zones de forte richesse qui pourraient être créées de la rencontre de la tête et de la queue de jet de carburant pulvérisé. Le piston peut aussi comprendre une chasse inclinée 9. Ainsi, au lieu d'être horizontale, comme on peut le voir sur la figure 1, la partie radiale de la surface supérieure du piston, qui relie la lèvre 3 au bord périphérique externe du piston et délimite la nouvelle zone de chasse 5', est inclinée par rapport à l'horizontale dans la direction du fond du bol 2 en allant du bord externe du piston vers la lèvre 3. Une seconde partie du carburant entre dans la zone de chasse 5'. L'inclinaison de la chasse 9 permet d'améliorer l'entraînement d'air. Le carburant peut alors brûler, en se mélangeant avec de l'air contenu dans la zone de chasse 5' (ce qui est illustré par les flèches Fd). La chasse inclinée 9 est sensiblement plane ou peut présenter un profil légèrement incurvé convexe. La chasse inclinée 9 ne couvre pas toute la surface haute du piston. Pour des raisons de tenue mécanique, la chasse inclinée 9 est terminée sur la périphérie externe du piston par une partie plane sensiblement horizontale de référence 10. En référence à la figure 3, la géométrie du piston selon l'invention est mieux définie grâce aux cotes A, D, L, H, T, C, R dans lesquelles : - A est le rayon du piston 1, - D la distance radiale de la lèvre 3 au centre X du piston 1, - L est la longueur radiale du fond 8 plat, - H est la hauteur axiale de la section d'entrée de la zone de chasse 5', - T est la hauteur axiale de la section de sortie de la zone de chasse 5', - C est la longueur radiale de la chasse inclinée 9, - R est le rayon du tore de la partie périphérique du bol. Selon la présente invention, la longueur radiale L du fond plat 8 du bol 2 peut varier de 5 mm à la moitié de D la distance radiale de la lèvre 3 au centre X du piston 1, soit : 5mm Il est apparu que choisir la distance radiale L sensiblement équivalente au rayon R du tore de la partie périphérique 13 représentait un bon compromis de conception. La longueur radiale L est ici comptée à partir de la transition 11 entre la partie périphérique en forme de tore et la partie plane 8. L'élévation centrale 7 présente donc une longueur radiale Z déterminée par la distance radiale entre l'axe de révolution X et la transition 12 avec la partie plane 8. Selon la présente invention également, la longueur radiale C de la chasse inclinée 9 peut être comprise entre 1% et 100% de la différence entre le rayon A du piston et la distance radiale D de la lèvre 3 au centre X du piston, soit : 25 30 35 0,01 (A û D) 5 L 5 (A û D) Selon la présente invention également, la hauteur axiale de la section d'entrée H de la zone de chasse Z' peut être comprise entre 101% et 400% de la hauteur axiale de la section de sortie T de la zone de chasse Z', soit 1,01T5H54T Le piston de l'invention permet soit d'augmenter la performance maximale du moteur, soit de réduire la consommation de carburant, par conséquent les émissions de CO2 du moteur. La Demanderesse a effectué des calculs 3D en combustion diesel et des essais sur un moteur Diesel conforme à la présente invention, et ces essais ont montré un gain en performances de 2% par rapport aux moteurs Diesel à bol de forme classique connus de l'art antérieur. Le piston de l'invention permet également de réduire les émissions de particules et d'imbrulés sur des points de fonctionnement chargés. Le mode de réalisation décrit aux figures 2 et 3 n'est aucunement limitatif, Selon une variante, le piston peut comprendre une chasse horizontale. Revendications1. Piston pour chambre de combustion de moteur Diesel, ledit piston (1) présentant un axe (X) central, un bol (2) formant cavité et présentant une partie centrale (7) en élévation, une partie périphérique (13) formant un tore, caractérisé en ce que ledit bol présente une partie (8) plane constituant le fond du bol (2) qui entoure la partie centrale (7) et relie ladite partie centrale (7) à la partie périphérique (13). 2. Piston selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'axe central (X) est un axe de révolution. 3. Piston selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que la partie plane (8) est en forme de forme de couronne. 4. Piston selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la partie plane (8) présente une longueur radiale (L), comptée partir de la transition avec la partie périphérique, comprise entre 5 mm et la moitié de la distance radiale D de la lèvre (3) à l'axe (X) du piston (1), soit : 5 mm 5. Piston selon la revendication 4, caractérisé en ce que la partie plane (8) présente une longueur radiale (L) constante. 6. Piston selon la revendication 4 ou la revendication 5, caractérisé en ce que la longueur radiale (L) est sensiblement égal au rayon (R) du tore de la partie périphérique (13). 7. Piston selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit piston comprenant une lèvre (3) disposée à la périphérie supérieure du bol (2), il présente une chasse inclinée (5') dans la direction du fond du bol (2) en allant du bord externe du piston vers la lèvre (3). 8. Piston selon la revendication 7 caractérisé en ce que la chasse inclinée (5') est sensiblement plane ou présente un profil légèrement incurvé convexe. 9. Piston selon la revendication 7 ou la revendication 8, caractérisé en ce que la chasse inclinée présente une longueur radiale (C) comprise entre 1% et 100% de la différence entre le rayon (A) du piston et la distance radiale (D) de la lèvre (3) à l'axe (X) du piston, soit : 0,01 (A ù D) 5 C 5 (A ù D) 10. Piston l'une quelconque des revendications 7 à 9, caractérisé en ce que la hauteur axiale (H) de la section d'entrée de la zone de chasse (5') est comprise entre 101% et 400% de la hauteur axiale (T) de la section de sortie de la zone de chasse (5'), soit : 1,01 T5H54T. 11. Moteur à combustion Diesel, caractérisé en ce que chaque piston du moteur est du type conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 10.