Brevet FR2952680A1 — publié le 20110520

Piston pour moteur à combustion interne et moteur à combustion interne comprenant un tel piston Domaine technique de l'invention La présente invention se rapporte à un piston pour un moteur à combustion interne, plus particulièrement pour un moteur à combustion interne à injection directe de carburant. Arrière-plan technologique La conception du système de combustion selon le cycle Diesel et en particulier celle de la géométrie du piston consiste à assurer les prestations moteur spécifiques à savoir des performances sur les points de fonctionnement de pleine charge et des émissions polluantes et une consommation réduite sur les points de fonctionnement de cycle d'homologation dits de charge partielle. Pour assurer ces prestations une fois la base du moteur figée par le choix par exemple de la cylindrée ou le dimensionnement de la ligne d'air, un des éléments du système de combustion les plus influents sur le rendement de combustion et sur les émissions polluantes reste la géométrie du piston. 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. Ainsi la plupart des pistons Diesel comprennent une cavité formant un bol. Le bol contient l'air pour faire brûler le carburant lorsque le piston est à sa position la plus haute, autrement dit au point mort haut. Le bord du bol comprend une lèvre qui relie le bol à la face supérieure du piston en forme de couronne encore nommée chasse et qui délimite avec la culasse une zone de chasse. Ainsi des concepteurs vont d'abord optimiser la géométrie du piston à pleine charge pour garantir la performance moteur demandée et réduire la consommation à charge partielle, d'autres vont optimiser la géométrie du piston à charge partielle pour garantir le niveau le plus bas d'émissions polluantes. Il est connu, en fonction du type de motorisation Diesel, plusieurs familles de géométries de pistons Diesel. Pour les poids lourds notamment, les géométries de piston sont optimisées d'un point de vue performance et consommation ce qui a conduit à des bols ouverts à savoir des bols avec de grands diamètres. Pour les moteurs d'automobiles, de nombreux types de géométries de piston existent et dépendent des exigences des constructeurs qui aboutissent à des compromis pleine charge / charge partielle plus ou moins différents. La forme du piston Diesel a ainsi été beaucoup travaillée afin d'augmenter le rendement de combustion c'est-à-dire la consommation à charge partielle et les performances à pleine charge. Pour augmenter ce rendement de combustion, la forme du piston Diesel va être optimisée pour favoriser le plus possible le mélange entre l'air et le carburant liquide injecté. On connait du document JP03168322, un moteur à combustion interne à injection directe en particulier de type Diesel comprenant une chambre de combustion délimitée par un piston, une culasse et un cylindre. Le moteur à combustion interne comprend de plus un injecteur implanté dans la culasse pour injecter directement par une pluralité de jets du carburant dans la chambre de combustion. Dans ce moteur, le piston présente un bol, une face supérieure sensiblement plane en forme de couronne et une lèvre raccordant le bol à la face supérieure. Le piston comprend de plus des canaux radiaux. Le mouvement relatif du piston face à la culasse génère un mouvement aérodynamique radial par rapport à l'axe du cylindre appelé communément « squish ». Selon le document JP03168322, les canaux radiaux sont disposés dans la lèvre sensiblement en regard des jets de carburant afin de favoriser les mouvements aérodynamiques de type «squish » dans le sens de la zone de chasse vers le fond du bol, au niveau des jets de carburant pour améliorer le mélange dans le bol de piston. Cependant généralement, lors de l'injection du carburant, une quantité de carburant est envoyée dans la zone de chasse qui brûlera en fin de combustion, lorsque le piston descend, or cette combustion est lente car elle dépend directement de la vitesse de descente du piston qui libère de l'espace et donc de l'air pour faire brûler le carburant présent dans la zone de chasse. Ainsi une telle forme de piston avec des canaux radiaux disposés dans la lèvre ne permet pas d'obtenir un bon mélange de l'air et du carburant présents dans la zone de chasse. Un objet de la présente invention est donc de proposer un nouveau piston pour moteur à combustion interne à injection directe qui permet de résoudre les inconvénients de l'art antérieur. Ce but est atteint par un piston pour moteur à combustion interne à injection directe, ledit piston comprenant un axe central, une cavité centrale en forme de bol, une lèvre disposée à la périphérie supérieure du bol, une couronne supérieure sensiblement plane comprise entre la lèvre et le bord externe du piston, au moins un canal s'étendant selon un axe radial par rapport à l'axe central, caractérisé en ce que ledit canal radial est aménagé dans la couronne du piston, ledit canal étant débouchant sur la lèvre. Ces canaux permettent de guider les jets de carburant, encore dénommés « sprays », injectés dans la chambre de combustion et impactant la lèvre vers la zone de chasse. Ils ont pour avantage supplémentaire d'augmenter l'intensité de la turbulence et donc de favoriser le mélange entre l'air et le carburant présents dans la zone de chasse. Par ailleurs, l'invention peut comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : De préférence, le canal comprend une longueur sensiblement égale à la moitié de la largeur de la couronne supérieure. De préférence, le canal comprend un fond et deux parois latérales délimitant une section 20 transversale trapézoïdale, ladite section transversale s'évasant vers la couronne supérieure. De préférence, le canal a une profondeur par rapport à la couronne supérieure comprise entre 0,2 mm et 5 mm. De préférence, le fond du canal du coté débouchant a une largeur comprise entre 2 mm et 10 mm. De préférence, les parois latérales présentent un angle d'inclinaison par rapport au fond 30 du canal compris entre 10° et 60 ° et de préférence entre 30° et 45°. De préférence, les parois latérales présentent un angle d'écartement par rapport à l'axe radial, compris entre -25° et +25° et de préférence compris entre -10° et +10°. 25 35 Dans une variante, l'extrémité opposée à l'extrémité débouchante du canal est courbée. L'invention a aussi pour objet un moteur à combustion interne à injection directe caractérisé en ce qu'il comprend au moins une chambre de combustion délimitée par une culasse, un cylindre, et un piston selon l'invention. De préférence, ledit moteur comprenant un injecteur implanté dans la culasse pour injecter du carburant par une pluralité d'orifice d'injection directement dans la chambre de combustion sous forme de jets de carburant dont au moins une partie impacte la lèvre, la couronne supérieure du piston comprend pour chacun des jets impactant la lèvre un canal disposé en regard de l'impact dudit jet. Dans une variante où le moteur comprenant de plus des moyens d'admission d'air dans la chambre de combustion aptes à générer dans ladite chambre un mouvement aérodynamique circulaire tournant autour de l'axe central, le canal s'étend selon un axe radial décalé angulairement par rapport à l'axe radial d'injection du carburant jusqu'à 30° dans le sens dudit mouvement aérodynamique circulaire. De préférence, l'extrémité opposée à l'extrémité débouchante du canal est courbée dans le sens du mouvement aérodynamique circulaire. 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 : 25 - La figure 1 est une coupe partielle d'un moteur à combustion interne à injection directe dans un plan passant par l'axe central du piston, - la figure 2 est une représentation surfacique d'1/8e d'un piston comprenant un premier mode de réalisation de canal radial, 30 - la figure 3 est une vue en coupe selon le plan référencé C-C sur la figure 2 du premier mode de réalisation de canal radial, - la figure 4 est une vue de dessus du premier mode de réalisation de canal radial, - la figure 5 est une vue de face de l'entrée du canal radial, - la figure 6 est une représentation surfacique d'1/8e d'un piston comprenant un second 35 mode de réalisation de canal radial.20 Description détaillée La figure 1 présente une coupe partielle d'un moteur à combustion interne 1 à injection directe, en particulier de type Diesel. Le moteur 1 comprend au moins une chambre de combustion 2 délimitée par un piston 3, une culasse 4, et un cylindre 5. Le piston 3 et le cylindre 5 ont un axe central Z de révolution. Par ailleurs, le moteur 1 comprend un injecteur 6 implanté dans la culasse 4 et doté d'une pluralité d'orifice d'injection 7, dont seul un est représenté sur la figure 1, permettant d'injecter directement sous forme de jets 8 encore dénommés « sprays » du carburant dans la chambre de combustion 2. Le piston 3 comprend un bord externe 16 cylindrique, une couronne supérieure 9 encore appelée chasse, sensiblement plane, qui concoure à délimiter avec la culasse 4 une zone de chasse 10 annulaire. Le piston 3 comprend de plus une cavité interne ou bol 11 de forme périphérique sensiblement torique. Par ailleurs, le bol 11 peut être centré par rapport à l'axe central Z, ouvert du coté de la culasse 4 par un col 12 de bol 11 circulaire et délimité par une lèvre 13 qui raccorde la couronne supérieure 9 du piston 3 au bol 11. Le bol 11 peut comprendre un bossage central 14 formant une élévation dans le bol 11. Le piston 3 comprend au moins un canal 15 dont un premier mode de réalisation est aussi visible sur la figure 2 s'étendant selon un axe radial R, par rapport à l'axe central Z. Conformément à l'invention, le canal radial 15 est aménagé dans la couronne supérieure 9 du piston 3, ledit canal 15 étant débouchant sur la lèvre 13. Le canal 15 débouche sur la lèvre 13 par une entrée 20. Cette disposition a pour objectif de guider le carburant le plus loin possible vers la périphérie du cylindre 5. L'injecteur 6 peut comprendre une pluralité d'orifice d'injection 7, chacun permettant de pulvériser du carburant directement dans la chambre de combustion 2 sous forme de jets 8 de carburant dont au moins une partie de l'ensemble des jets 8 impacte la lèvre 13. Dans de cas, la couronne supérieure 9 du piston 3 comprend pour chacun des jets impactant la lèvre 13 un canal 15 disposé sensiblement en regard de l'impact du jet. Ainsi, dans une configuration d'injecteur 6 où tous les jets sont orientés de manière à impacter la lèvre 13, de préférence, la couronne supérieure 9 comprend un nombre de canaux 15 égal au nombre d'orifice d'injection 7 de l'injecteur 6. Les figures 3 à 5 présentent plus en détail les préconisations géométriques du canal radial 15 selon ce premier mode de réalisation. Selon ce premier mode de réalisation, le canal 15 comprend une entrée 20 (cf. figure 4) ouverte du coté de la lèvre 13 et se termine avant le bord externe 16 du piston 3, autrement dit le canal 15 est longiligne et débouche d'un coté sur le bol 11 tandis qu'il ne débouche pas sur le cylindre 5. Le canal 15 comprend un fond 17 et deux parois latérales 18, 18' qui délimitent une section transversale de passage 19 en forme de trapèze, matérialisée par des hachures sur la figure 4, le fond 17 du canal 15 formant la petite base du trapèze qui s'évase vers la couronne supérieure 9. Comme le montre la figure 3, la couronne supérieure 9 ayant une largeur Lco, entre le bord externe 16 d'un coté et l'arête de raccordement entre la lèvre 13 et la couronne supérieure 9, de préférence, le canal a une longueur Lc sensiblement égale à la moitié de la largeur de couronne supérieure 9. Le canal 15 permet de guider une fraction du jet 8 de carburant, après que celui-ci ait impacté la lèvre 13, vers la zone de chasse 10 où l'air est encore présent en fin de combustion. Le canal 15 permet en outre d'accélérer le carburant et donc de générer de la turbulence ce qui favorise le mélange de l'air et du carburant, lors de la remontée du piston 3. De préférence, Le canal 15 a une profondeur P (voir en figure 3) par rapport à la face supérieure 9 comprise entre 0,2 mm et 5 mm. Cette profondeur P peut aller en se réduisant de l'entrée 20 de la lèvre 13 au bord périphérique 16. De préférence, le fond 17 du canal 15 à l'entrée 20, c'est-à-dire du coté débouchant du canal 15, a une largeur L comprise entre 2 mm et 10 mm. Afin d'éviter les angles vifs favorables à l'apparition de points chauds lors de la combustion, de préférence, les canaux 15 présentent, entre la face supérieure et les parois latérales d'une part, et entre les parois latérales et le fond du canal d'autre part, des arêtes arrondies. Par ailleurs, afin de ne pas présenter de rupture de pente trop forte favorable aux recirculations, elles-mêmes favorables au piégeage des hydrocarbures, de préférence les parois latérales 18, 18' du canal 15 présentent un angle d'inclinaison G (voir en figure 5) par rapport au fond 17 du canal 15 compris entre 10° et 60° et de préférence compris entre 30 ° et 45°. En outre, les parois latérales 18, 18' peuvent être divergentes, comme illustré sur la figure 4, donc s'écarter à partir de l'entrée 20. Egalement, les parois latérales 18, 18' peuvent être convergentes, donc se rapprocher à partir de l'entrée 20. Avantageusement, les parois latérales 18, 18' présentent respectivement un angle E d'écartement par rapport à l'axe radial R, compté positivement pour la divergence et négativement pour la convergence, compris entre -25° et +25° et de préférence compris entre -10° et +10°, afin d'améliorer la distribution du carburant dans l'air. Le maximum de convergence est obtenu par exemple pour une largeur L de canal 15 maximum soit 10 mm et une longueur Lc de canal de 10 mm. De préférence, l'entrée 20 du canal 15 est disposée en regard de l'impact du jet 8 de carburant avec la lèvre 13. La lèvre 13 permet de dévier le jet 8 de carburant et de le séparer en deux zones de mélanges pour créer au final deux zones de combustion. Le carburant est ainsi réparti entre deux zones : le bol 11 et la zone de chasse 10 dont le volume d'air est par ailleurs augmenté par le volume du canal 15. Le canal 15 canalise la partie du carburant dévié en direction de la zone de chasse 10 et le guide à la périphérie de la zone de chasse 10. Le moteur à combustion interne peut comprendre des moyens d'admission d'air, non représenté ici, aptes à la générer dans la chambre de combustion 2 un mouvement aérodynamique circulaire tournant autour de l'axe central Z, encore nommé « swirl », représenté en figure 4 par la flèche Sw. A titre d'exemple, les moyens d'amission peuvent être des conduits d'amission hélicoïdaux, introduisant l'air d'amission sensiblement tangentiellement à la paroi du cylindre 5. Ainsi Alors que sans la présence du mouvement aérodynamique Sw, le jet de carburant impacte la lèvre 13 selon son axe d'injection I et donc le l'axe radial R du canal 15 est sensiblement confondu avec l'axe d'injection I, sous l'effet de ce mouvement aérodynamique Sw, le jet 8 de carburant est dévié de son axe I d'injection avant d'impacter la lèvre 13 du bol 11. Ce mouvement aérodynamique est classiquement quantifié par une intensité Lw définie comme le rapport entre les vitesses angulaires du mouvement aérodynamique et du régime moteur. Ainsi une intensité de « swirl », ISW = 2 désigne un mouvement aérodynamique 2 fois plus rapide que le régime moteur. Afin de compenser la déviation du jet 8 sous l'effet du mouvement aérodynamique Sw, avantageusement, le canal 15 s'étend selon un axe radial R décalé angulairement, d'un angle F, par rapport à l'axe radial d'injection I du carburant jusqu'à 30° dans le sens dudit mouvement aérodynamique circulaire Sw. De préférence, il est prévu un angle de décalage de 10° pour une intensité Lw de « swirl » de 2. La figure 6 présente maintenant un second mode de réalisation de canal 15'. Dans ce second mode de réalisation, l'extrémité du canal 15' opposée à l'entrée 20 qui représente l'extrémité débouchante du canal 15, est courbée en forme de griffe 21 ou de crochet. De préférence, l'orientation de la griffe 21 est dans le sens du mouvement aérodynamique Sw. La partie courbée fait peut faire suite à une partie rectiligne de longueur Lc sensiblement du même ordre de grandeur que pour le premier mode de réalisation. Par ailleurs, pour ce second mode de réalisation les préconisations géométriques concernant la largeur L, la profondeur P, l'angle d'inclinaison G des parois latérales et l'angle E d'écartement par rapport à l'axe radial R sont, du coté de l'entrée 20, sensiblement les mêmes que pour le premier mode de réalisation. Afin de pouvoir respecter au montage de l'injecteur 6 dans la culasse 4, l'angle de décalage F préconisé entre l'axe I d'injection et l'axe radial R du canal, il est prévu que le moteur comprenne des moyens d'indexation de l'injecteur 4 par rapport au piston 3. Les moyens d'indexation peuvent être par exemple un repère placé sur l'injecteur 6 et / ou la culasse 4. L'invention est particulièrement adaptée pour les moteurs à combustion interne dotés de cylindres dont le diamètre, encore nommé alésage A est compris entre 73 mm et 88 mm tel que le l'on peut en trouver dans les véhicules automobiles légers, mais convient également pour des moteurs à combustion interne à injection directe comprenant un alésage plus importants, jusqu'à 100 mm et au-delà, tel que l'on peut en trouver dans les camions de transport. L'invention est présentée dans ce mémoire pour un moteur à combustion interne à injection directe de type Diesel, mais convient aussi pour un moteur à injection directe d'essence dans une chambre de combustion. Revendications1. Piston pour moteur à combustion interne à injection directe, ledit piston (3) comprenant un axe central (Z), une cavité centrale en forme de bol (11), une lèvre (13) disposée à la périphérie supérieure du bol (11), une couronne (9) supérieure sensiblement plane comprise entre la lèvre (13) et le bord externe du piston (3), au moins un canal (15 ; 15') s'étendant selon un axe radial (R) par rapport à l'axe central (Z), caractérisé en ce que ledit canal (15 ; 15') radial est aménagé dans la couronne (9) du piston (3), ledit canal (15 ; 15') étant débouchant sur la lèvre (13). 2. Piston selon la revendication 1, caractérisé en ce que le canal (15 ; 15') comprend une longueur (Lc) sensiblement égale à la moitié de la largeur (Lco) de la couronne (9) supérieure. 3. Piston selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le canal comprend un fond (17) et deux parois (18, 18') latérales délimitant une section transversale (19) trapézoïdale, ladite section transversale (19) s'évasant vers la couronne (9) supérieure. 4. Piston selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le canal (15 ; 15') a une profondeur (P) par rapport à la couronne (9) supérieure comprise entre 0,2 mm et 5 mm. 5. Piston selon la revendication 3 ou la revendication 4, caractérisé en ce que le fond (17) du canal (15 ; 15') du coté débouchant a une largeur (L) comprise entre 2 mm et 10 mm. 6. Piston selon l'une quelconque des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que les parois (18, 18') latérales présentent un angle (G) d'inclinaison par rapport au fond (17) du canal (15 ; 15') compris entre 10 ° et 60 ° et de préférence entre 30 ° et 45 °. 7. Piston selon l'une quelconque des revendications 3 à 6, caractérisé en ce que les parois (18, 18') latérales présentent un angle (E) d'écartement par rapport à l'axe radial (R), compris entre -25° et +25° et de préférence compris entre -10° et +10°. 8. Piston selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'extrémité opposée à l'extrémité débouchante du canal (15') est courbée. 9. Moteur à combustion interne à injection directe caractérisé en ce qu'il comprend au moins une chambre de combustion (2) délimitée par une culasse (4), un cylindre (5), et un piston (3) selon l'une quelconque des revendications précédentes. 10. Moteur à combustion interne selon la revendication 9, caractérisé en ce que ledit moteur comprenant un injecteur (6) implanté dans la culasse (4) pour injecter du carburant par une pluralité d'orifice (7) d'injection directement dans la chambre de combustion (2) sous forme de jets (8) de carburant dont au moins une partie impacte la lèvre (13), la couronne (9) supérieure du piston (3) comprenant pour chacun des jets (8) impactant la lèvre (13) un canal (15 ; 15') disposé en regard de l'impact dudit jet. 11. Moteur à combustion interne selon la revendication 9 ou la revendication 10, caractérisé en ce que le moteur comprenant de plus des moyens d'admission d'air dans la chambre de combustion (2) aptes à générer dans ladite chambre un mouvement aérodynamique circulaire (Sw) tournant autour de l'axe central (Z), le canal (15 ; 15') s'étend selon un axe radial (R) décalé angulairement par rapport à l'axe radial d'injection (I) du carburant jusqu'à 30° dans le sens dudit mouvement aérodynamique circulaire (Sw). 12. Moteur à combustion interne selon la revendication 11, caractérisé en ce que l'extrémité opposée à l'extrémité débouchante du canal (15') est courbée dans le sens du mouvement aérodynamique circulaire (Sw).20