Brevet FR2964156A1 — publié le 20120302

Piston de moteur à combustion interne [0001 La présente invention concerne un piston de moteur à combustion interne déformable ainsi qu'un moteur pourvu d'un tel piston. [0002 Tant pour les moteurs essence que Diesel, on cherche à réduire la consommation, les émissions de polluants et le coût sans devoir changer radicalement l'architecture actuelle des moteurs et ce, pour des raisons économiques liées soit à la modification des moyens de production soit au coût de revient des pièces telles qu'injecteurs, turbo, alterno-démarreurs. Le point de départ, à la fois pour la consommation de carburant et pour la formation des polluants, est la chambre de combustion. La chambre de combustion et les systèmes annexes (distribution, système d'injection, etc.) doivent assurer plusieurs fonctions : - permettre une combustion rapide, totale tout en limitant les émissions de polluants (CO, HC, Suies, NOx, etc.), - afficher un rendement thermodynamique maximum, - résister aux phénomènes d'endommagement (principalement fissuration) par fatigue thermomécanique oligocyclique (principalement lié au cyclage en température des structures) et polycyclique (principalement lié au cyclage en pression des structures) et - assurer une tenue statique maîtrisée (température et pression maximales). [0003] La plupart des moteurs actuels sont basés sur une géométrie de chambre de combustion figée quelque soit le point de fonctionnement du moteur à savoir : [0004] une culasse formant le haut de la chambre, le piston ayant un mouvement de va-et-vient et qui balaye le volume de la cylindrée du moteur, la chemise formant le pourtour de la chambre. [0005] Toutes ces pièces ont une forme spécifique et unique définie lors de la conception de la chambre de combustion. [0006] D'un point de vue théorique, pour améliorer la performance du moteur, la chambre de combustion devrait prendre une forme différente pour chaque point de fonctionnement afin d'optimiser : 1 - le déroulement de la combustion (aérodynamique interne, interaction spray-parois, mélange air-carburant, etc.), - le taux de compression du moteur pour améliorer le rendement thermodynamique, - la répartition des flux thermiques sur les parois ainsi que les échanges avec les fluides en présence (glycol et huile) pour limiter la fatigue des pièces. [000n Ainsi, il a été proposé quelques concepts visant à adapter en partie la géométrie du système de combustion au point de fonctionnement. On peut citer par exemple les éléments suivants tels que la longueur variable de la bielle cf. US 6 568 357, un piston déformable ou une partie mobile dans le piston pour réduire le volume mort PMH (poids mort haut) avec des systèmes contrôlés par la pression dans la chambre de combustion cf. US5 755 192, FR 1 153 247, FR 1 217 378, GB 235 676, US 2 376 214, JP 2002 371912, ou avec des systèmes contrôlés par de l'huile sous pression cf. US 7 066 118, US 6 925 973, JP63105245, US 3 934 560, une modification de la cinétique du piston en ajoutant un ou plusieurs éléments entre le vilebrequin et la bielle cf. FR 2 763 096, US 7 059 280, US 7 191 756, US 7 174 865, une modification de la liaison bielle-manivelle en désaxant un axe, un mouvement de l'ensemble du haut carter (cylindre et culasse) par rapport au bas carter (ensemble mobile) pour faire varier le taux de compression cf. US 7 036 468 ou un dégagement d'un volume mort supplémentaire dans la culasse pour augmenter le volume mort PMH et diminuer le taux de compression cf. US 6 708 655. [000si Il existe des chambres de combustion Diesel adaptées aux points de faibles charges ou favorisant au contraire la combustion pour les fortes charges. Nous pouvons noter par exemple que les bols Diesel standards sont optimisés pour les points de faible charge avec une utilisation optimale de l'air contenu dans le bol. A contrario, ces bols montrent certaines limites quant à l'utilisation de l'air contenu dans la zone de chasse. [0009] L'ensemble des concepts mentionnés précédemment ne sont cependant pas capables d'adapter dynamiquement la forme de la chambre de combustion et le taux de compression au point de fonctionnement moteur. [0010 On a proposé également dans DE 36 12 842, un moteur dans lequel la chambre de combustion définie par un piston dans un cylindre est modifiable elle- même par modification du volume et/ou de la forme du piston en fonction de la température. Le piston présente une partie de fond en creux recouverte d'une paroi réalisée en un matériau à mémoire de forme. Cette paroi change de forme sous l'effet de la température qui règne au sein de la chambre de combustion permettant ainsi une variation de la dimension de la chambre de combustion. On a pu s'apercevoir que si on a bien une modification du volume et de la géométrie de la chambre de combustion, ce changement est simplement dû à la modification du bol du piston ce qui ne permet pas une utilisation optimale de l'air pour la combustion. [0011] L'invention a donc pour but de proposer un piston Diesel propre à permettre une variation du volume et de la géométrie de la chambre de combustion adaptée pour chaque point de fonctionnement tant d'un point de vue de l'utilisation de l'air pour la combustion, que d'un point de vue de la thermodynamique avec une adaptation du taux de compression ou encore d'un point de vue thermomécanique avec une meilleure répartition flux thermiques et in fine des efforts sur les points les plus chargés. [0012] A cet effet l'invention concerne un piston pour chambre de combustion de moteur à combustion interne, en particulier Diesel, formée par un cylindre dans lequel le piston est adapté à coulisser, le profil dudit piston définissant une cavité centrale en forme de bol pour la combustion du carburant, une lèvre disposée à la périphérie supérieure du bol, la surface supérieure du piston comprise entre la lèvre et le bord externe du piston étant désignée « chasse » et l'espace compris entre ladite chasse et la culasse étant désigné « zone de chasse », caractérisé en ce que le piston constitué au moins dans sa partie supérieure d'un matériau déformable sous l'effet de la pression régnant dans la chambre de combustion présente le long de son profil des variations d'épaisseur appropriées pour générer lors de la déformation dudit piston une inclinaison de la lèvre vers le fond du bol et en conséquence une inclinaison de la chasse vers ledit bol. [0013] Ainsi, de manière avantageuse, le profil spécifique du piston présentant des épaisseurs variant le long du contour du profil permet de favoriser la déformation du piston d'une forme initiale à une forme voulue telle qu'avec une chasse inclinée. Les pistons à « chasse inclinée » permettent une utilisation efficace de l'air contenu dans la zone de chasse et sont performants sur les points de forte charge. [0014] Ainsi, on peut définir réellement une géométrie de chambre de combustion souhaitée en imposant des variations dans l'épaisseur du profil de la partie supérieure du piston. [0015] Le matériau constitutif d'au moins la partie supérieure du piston est choisi pour être suffisamment rigide pour se déformer sous l'effet de la pression mais sans induire des niveaux de contraintes trop élevés, ni provoquer une trop importante plastification. Un tel matériau est ainsi choisi parmi les aciers traités, les alliages de titane ou de nickel, ou encore des matériaux à mémoire de forme. [0016] Ainsi, la partie supérieure du piston peut se présenter sous la forme d'une lame déformable et peut éventuellement être dans un matériau différent que la partie massive la soutenant. [0017] De plus, de manière très avantageuse, cette déformation du piston se réalise passivement, sans système de contrôle externe, sous l'effet de la seule pression dans la chambre de combustion. [ools] Ainsi, on propose un piston dont la forme de la tête grâce à sa déformation d'une forme initiale à une forme différente recherchée et voulue est adaptable en fonction du point de fonctionnement moteur. [0019] Ainsi, il est possible d'optimiser la combustion à la fois sur les points de faible et forte charge afin de maximiser la vitesse et le rendement de combustion, minimiser la formation des polluants : NOx, HC, CO, Suies. Typiquement, à forte charge partielle, un bol ouvert présentant une chasse inclinée permet d'augmenter les sites de combustion ce qui permet d'accélérer le mélange entre l'air et le carburant, de brûler plus rapidement et de réduire la consommation. [0020] De plus, avec un piston selon l'invention, est créée une adaptation du taux de compression du moteur au point de fonctionnement. Ainsi, pour un moteur Diesel il existe un taux de compression optimum pour chaque point de charge. Pour les faibles charges, ce taux de compression est faible pour limiter les transferts thermiques. Ce taux de compression idéal croît avec la charge jusqu'à rencontrer la limite architecturale de pression cylindre maximum liée au dimensionnement de chaque moteur. Une fois cette limite atteinte, le taux de compression doit être adapté pour respecter la contrainte de pression cylindre maximum jusqu'au point de pleine charge. [0021] Un piston selon l'invention est donc un piston avec un volume de bol relativement faible pour afficher un taux de compression géométrique au repos suffisamment élevée (entre 18 et 25 pour le Diesel et entre 10 et 20 pour l'essence par exemple). Le taux de compression effectif peut être contrôlé grâce à la distribution sur les points de faible charge en utilisant des cycles type Miller ou Atkinson (fermeture des soupapes admission précoce ou tardive). Ces stratégies réduisent la cylindrée effective et le taux de compression effectif du moteur sur les points de faible charge pour obtenir un rendement de cycle maximal. [0022] Selon une forme de réalisation préférée, la partie supérieure du piston est retenue en débattement par un système de butée, de façon à ne pas se déformer sous les efforts d'inertie au point mort haut et venir toucher la culasse. [0023] Selon une variante, on prévoit en outre des moyens de précontrainte tels qu'un système de ressort type Belleville, logés entre la face du dessous du piston et la butée de manière à précontraindre ledit piston au repos. Un tel système de butée peut également être adapté de manière à induire un effet amortissant ou « retard » quant au retour du piston dans sa position initiale, ce qui peut permettre d'éviter un débattement constant du piston à chaque explosion. [0024] De préférence, dans la présente invention, on dispose notamment d'un système de butée qui peut prendre appui au centre du bol (via des ressorts disposés le long d'une tige centrale) ou à la périphérie du bol. [0025] L'invention concerne également un moteur à combustion Diesel dans lequel chaque piston du moteur est du type conforme à l'invention telle que décrite précédemment ainsi qu'un véhicule comportant un tel moteur. [0026] On décrira maintenant l'invention plus en détail en référence au dessin dans lequel les figures 1 a et 1 b représentent respectivement une vue en coupe d'une première forme de réalisation d'un piston selon l'invention l'un à l'état non déformé et l'autre à l'état déformé ; les figures 2a et 2b représentent respectivement une vue partielle en perspective d'un piston selon l'invention l'un à l'état non déformé et l'autre à l'état déformé ; les figures 3a et 3b représentent respectivement une vue en coupe d'une deuxième forme de réalisation d'un piston selon l'invention l'un à l'état non déformé et l'autre à l'état déformé ; les figures 4a et 4b représentent respectivement une vue en coupe une première variante de la deuxième forme de réalisation d'un piston selon l'invention l'un à l'état non déformé et l'autre à l'état déformé les figures 5a et 5b représentent respectivement une vue en coupe une deuxième variante de la deuxième forme de réalisation d'un piston selon l'invention l'un à l'état non déformé et l'autre à l'état déformé les figures 6a et 6b représentent respectivement une vue en coupe une troisième variante de la deuxième forme de réalisation d'un piston selon l'invention l'un à l'état non déformé et l'autre à l'état déformé la figure 7 représente des courbes comparant l'évolution de la consommation spécifique sur un point de fonctionnement de forte charge partielle pour des bols classiques et un bol selon l'invention ; [0027] les figures 8, 9 et 10 représentent respectivement un schéma d'évolution du taux de compression idéal à iso-régime pour un moteur, un schéma d'évolution du taux de compression effectif à iso-régime pour un moteur Diesel sans précontrainte et avec précontrainte. [0028] Comme on peut le voir sur les figures 1 a, 1 b et 2a, 2b, un piston 1 selon l'invention présente une face supérieure ou tête la dont le profil (en coupe figures 1 a et 1 b) définit une cavité centrale en forme de bol 2 pour la combustion du carburant, une lèvre 3 disposée à la périphérie supérieure du bol 2 tandis que la surface supérieure du piston comprise entre la lèvre 3 et le bord externe du piston 4 est désignée « chasse » 5. [0029] Ce piston 1 comme on peut le voir à la figure 1 b est déformable sous l'effet de la pression régnant dans la chambre de combustion. Ce piston 1 présente en effet le long de son profil 1 a des variations d'épaisseur appropriées pour générer lors de la déformation dudit piston 1 une inclinaison de la lèvre 3 vers le fond du bol 2 et en conséquence une inclinaison de la chasse 5 (voir la figure 1 b). [0030] Ainsi, le profil spécifique du piston 1 présente des épaisseurs variant le long du contour du profil adaptées et conçues de manière à obtenir la déformation recherchée en minimisant les contraintes mécaniques ce qui permet de favoriser la déformation du piston 1 d'une forme initiale représentée à la figure 1 a ou 2a à une forme voulue définissant ainsi une chambre de combustion de forme et géométrie définies telle qu'avec une chasse inclinée comme on peut le voir à la figure 1 b ou 2b. [0031] Ainsi, la partie supérieure du piston 1 se présente sous la forme d'une lame 1 a déformable présentant une épaisseur relativement constante au niveau de la chasse 5, puis une épaisseur plus grande au niveau de la lèvre 3 puis une épaisseur de nouveau plus mince que la lèvre 3 et la chasse 5 au niveau du bol 2. Le matériau constitutif du piston est donc choisi pour être suffisamment rigide pour se déformer sous l'effet de la pression mais sans induire des niveaux de contraintes trop élevés, ni provoquer sa plastification (ou en la limitant au maximum si jamais elle est provoquée). Un tel matériau est ainsi choisi parmi les aciers traités, les alliages de titane ou de nickel ou encore des materiraux à mémoire de forme. La partie supérieure 1 a du piston 1 se présente sous la forme d'une lame déformable et peut éventuellement être dans un matériau différent que la partie massive 1 b la soutenant. [0032] Le piston 1 présente donc une tête dont la forme est adaptable en fonction du point de fonctionnement moteur. Ainsi comme on peut le voir sur la figure 1 b où la position non déformée est représentée en pointillés, la lame 1 a déformable ou tête du piston s'abaisse en quelque sorte sous l'effet de la pression, le bol 2 étant repoussé ce qui entraîne l'inclinaison de la lèvre 3 et de la chasse 5. [0033] A forte charge partielle, un bol 2 ouvert présentant une chasse 5 ainsi inclinée permet d'augmenter les sites de combustion puisqu'on libère un volume au-dessus de la chasse 5 et que le carburant injecté sur la lèvre 3 ainsi abaissée se répartit à la fois vers le bol 2 et vers la zone au-dessus de la chasse 5 ce qui permet d'accélérer le mélange entre l'air et le carburant, de brûler plus rapidement et de réduire la consommation. [0034] On peut voir ainsi à la figure 7, la consommation de carburant en fonction des émissions de NOx lors d'un balayage EGR (exhaust gaz recirculation) pour un bol conventionnel courbes ni et n2 et un bol typé ch asse inclinée courbe n''3. [0035] Avec un piston 1 selon l'invention, on obtient une adaptation du taux de compression du moteur au point de fonctionnement. Ainsi, pour un moteur Diesel il existe un taux de compression optimum pour chaque point de charge. Pour les faibles charges, ce taux de compression est faible pour limiter les transferts thermiques. Ce taux de compression idéal croît avec la charge jusqu'à rencontrer la limite architecturale de pression cylindre maximum liée au dimensionnement de chaque moteur. Une fois cette limite atteinte, le taux de compression doit être adapté pour respecter la contrainte de pression cylindre maximum jusqu'au point de pleine charge. La figure 8 représente l'évolution du taux de compression idéal à iso-régime pour un moteur. [0036] Un piston 1 selon l'invention est donc un piston avec un volume de bol relativement faible pour afficher un taux de compression géométrique au repos suffisamment élevée (entre 20 et 25 par exemple). Le taux de compression effectif peut être contrôlé grâce à la distribution sur les points de faible charge en utilisant des cycles type Miller ou Atkinson (fermeture des soupapes admission précoce ou tardive). Ces stratégies réduisent la cylindrée effective et le taux de compression effectif du moteur sur les points de faible charge pour obtenir un rendement de cycle maximal. [0037] Le piston 1 est retenu en débattement par un système de butée 6, constitué d'un disque 6a s'étendant sous la lame déformable la et pourvu d'un orifice au travers duquel s'étend une tige 6b depuis la lame déformable jusqu'à une partie 6c formant butée contre le disque 6a comme on peut le voir à la figure 3a ou 3b. Ainsi le piston ne se déforme pas sous les efforts d'inertie au point mort haut et ne vient pas toucher la culasse. [0038] Selon une variante, on prévoit en outre des moyens de précontrainte tels qu'un système de ressort type Belleville 7, des ressorts 8 ronds ou usinés logés entre la face du dessous de la partie supérieure du piston 1 et le disque 6a du système de butée 6 de manière à précontraindre ledit piston 1 au repos. [0039] Un tel système de butée 6 peut également être adapté de manière à induire un effet amortissant ou « retard » quant au retour du piston 1 dans sa position initiale, ce qui peut permettre d'éviter un débattement constant du piston à chaque explosion. De préférence, dans la présente invention, on dispose notamment de moyens de précontrainte à effet amortissant qui prennent appui au centre du bol 2 tels que des ressorts 9 disposés le long d'une tige centrale 6b reliant le centre du bol 2 à la butée 6c ou à la périphérie du bol 2. [0040] Il est alors possible de mettre en place deux stratégies. La première concerne un piston déformable seul, sans système de précontrainte : le piston s'écrase et le taux de compression diminue sous l'effet d'une quelconque augmentation de pression dans la chambre de combustion. On a donc un écrasement du piston lors de la compression et de la combustion. [0041] Si on a un piston déformable avec un système de précontrainte, le piston s'écrase et le taux de compression ne diminue que lorsque la pression dans la chambre de combustion compense les forces de précontraintes appliquées par le système de ressort, on a alors un écrasement du piston en fin de compression et/ou lors de la combustion. [0042] Ces deux stratégies mènent à deux comportements en termes d'évolution du taux de compression en fonction de la charge moteur différents. Ces deux comportements sont illustrés dans la figure 9 et la figure 10. [0043] Le concept de piston déformable sans la précontrainte ne permet pas de bénéficier du taux de compression géométrique car le piston se déforme dès qu'il y a de la pression dans la chambre de combustion. Le taux de compression effectif va être proche du taux de compression géométrique sur les points de très faibles charges et va diminuer avec l'augmentation de la charge. Le concept de piston déformable avec le système ressort et la précontrainte permet de bénéficier du taux de compression géométrique sur les faibles et moyennes charges (en fonction de la force de précontrainte). Dans ces deux cas, le taux de compression effectif du moteur est réduit via le système de distribution variable sur les points de faible charge pour s'adapter au taux de compression optimum en termes de rendement global moteur. Le concept avec un système de précontrainte est plus souvent proche du taux de compression optimal que le concept sans système de précontrainte sur le balayage de charge. Le système avec précontrainte donne lieu à des cycles au rendement thermodynamique plus élevé sur les points de charge moyenne que le concept sans la précontrainte. [0044] De plus, ce concept de limiteur de pression dans la chambre de combustion, permet de pallier les contraintes liées à la cylindrée plus réduite (encore appelé downsizing) du moteur. En effet, le « downsizing » des moteurs permet de fortes augmentations du rendement moyen mais augmente significativement la charge moyenne du moteur et les pressions maximums atteintes dans la chambre de combustion. [0045] L'invention n'est nullement limitée aux exemples donnés mais englobe l'ensemble des variante dans le champ de protection de l'invention. REVENDICATIONS1. Piston (1) pour chambre de combustion de moteur à combustion interne formée par un cylindre dans lequel le piston (1) est adapté à coulisser, le profil dudit piston définissant une cavité centrale en forme de bol (2) pour la combustion du carburant, une lèvre (3) disposée à la périphérie supérieure du bol (2), la surface supérieure du piston comprise entre la lèvre (3) et le bord externe du piston étant désignée « chasse » (5) et l'espace compris entre ladite chasse (5) et la culasse étant désigné « zone de chasse », caractérisé en ce que le piston (1) constitué au moins dans sa partie supérieure d'un matériau déformable sous l'effet de la pression régnant dans la chambre de combustion présente le long de son profil (1a) des variations d'épaisseur appropriées pour générer lors de la déformation dudit piston (1) une inclinaison de la lèvre (2) vers le fond du bol (2) et en conséquence une inclinaison de la chasse (5) vers ledit bol (2). 2. Piston selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'au moins la partie supérieure du piston (1) est constituée d'un matériau choisi parmi les aciers traités, les alliages de titane ou de nickel. 3. Piston selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que ladite partie supérieure du piston (1) se présente sous la forme d'une lame déformable. 4. Piston selon la revendication 3, caractérisé en ce que la partie supérieure du piston (1) se présente sous la forme d'une lame déformable présentant une épaisseur relativement constante au niveau de la chasse (5), puis une épaisseur plus grande au niveau de la lèvre (3) puis une épaisseur de nouveau plus mince que la lèvre (3) et la chasse (5) au niveau du bol (2). 5. Piston selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la partie massive du piston (1) soutenant la partie supérieure est en un matériau différent. 6. Piston selon la revendication 1 à 5, caractérisé en ce que la partie supérieure du piston(l) est retenue en débattement par un système de butée (6). 7. Piston selon la revendication 6, caractérisé en ce que le système de butée (6) 30 est constitué d'un disque (6a) s'étendant sous la lame déformable (1a) ou partie supérieure du piston (1) et pourvu d'un orifice au travers duquel s'étend une tige (6b) depuis la partie supérieure jusqu'à une partie (6c) formant butée contre le disque (6a). 8. Piston selon la revendication 7, caractérisé en ce que des moyens de précontrainte tels qu'un système de ressort type Belleville (7), ressort (8) ronds ou usinés sont logés entre la face du dessous de la partie supérieure du piston (1) et le disque (6a) du système de butée (6) de manière à précontraindre ledit piston au repos. 9. Piston selon la revendication 7, caractérisé en ce que des moyens de précontrainte à effet amortissant prennent appui au centre du bol (2) tels que des 10 ressorts (9) disposés le long de la tige centrale (6b). 10. Piston selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'un système de butée prend appui à la périphérie du bol (2). 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.