Brevet FR3060059A1 — publié le 20180615

PISTON DE MOTEUR A COMBUSTION INTERNE [1] L'invention concerne de manière générale le domaine de l'automobile. Plus particulièrement, l'invention concerne un piston de moteur à combustion interne, notamment de type Diesel. L'invention concerne aussi un moteur à combustion interne I et 5 un véhicule automobile équipé d'un tel moteur. [2] Dans le contexte de la réduction des rejets polluants des véhicules automobiles, les normes européennes d'émission, dites normes « Euro », imposent de fortes baisses des limites acceptables pour ces rejets. Pour les oxydes d'azote NOx notamment, entre la norme « Euro 1 » (en vigueur en 1993) et la norme « Euro 6 » (en vigueur en 2014), une 10 baisse des émissions d'environ 90% a été introduite sur les motorisations de type Diesel. [3] Pour réduire les rejets polluants des véhicules, les constructeurs automobiles se sont orientés vers une réduction de la cylindrée des moteurs à combustion interne dite « downsizing » en anglais. Cette réduction de la cylindrée doit être compensée par une augmentation des performances spécifiques des moteurs à combustion interne. 15 [004] Par le brevet FR2947009B1 du présent demandeur, il est connu un piston pour une chambre de combustion d'un moteur Diesel qui autorise un accroissement des performances du moteur et une réduction des émissions de CO2. Ce piston comporte, de manière classique, une cavité en forme de bol et une lèvre qui relie le bol à une surface supérieure du piston dite « chasse » ou « tête de piston ». Le bol contient l'air pour brûler 20 le carburant lorsque le piston est en position haute dans la chambre de combustion du moteur. Conformément au brevet FR2947009B1, la tête de piston comprend un chanfrein qui permet la création d'un volume de mélange air/carburant supplémentaire dans la zone de chasse, c'est-à-dire, dans l'espace situé entre la surface inférieure de la culasse du moteur et la surface supérieure du piston. 25 [005] Pour un moteur Diesel, l'augmentation des performances impose une anticipation de l'alimentation en carburant du volume de la chambre de combustion située au-dessus du piston et une préservation de la qualité du mélange air/carburant dans ce volume. Cela ne peut être obtenu que par une injection plus précoce du carburant dans cette partie de la chambre de combustion. 3060059 2 [006] Il apparaît aujourd'hui souhaitable d'optimiser la géométrie du piston de moteur Diesel proposé dans le brevet FR2947009B1 du présent demandeur de manière, à en tirer tous les avantages possibles en termes d'accroissement de la puissance du moteur et de réduction de sa consommation. [007] L'invention concerne un piston de moteur à combustion interne de type Diesel comprenant une cavité centrale, dite bol, destinée à une combustion de carburant, une lèvre située au niveau d'une périphérie supérieure du bol, et une surface annulaire supérieure comprise entre la lèvre et un bord externe de piston, la surface annulaire supérieure comportant un chanfrein et une partie plane supérieure, et le chanfrein étant incliné vers l'intérieur du bol et se prolongeant entre la partie plane supérieure et la lèvre. Conformément à l'invention, le chanfrein est incliné avec un angle de pente compris entre 11° et 15°. [8] L'introduction du chanfrein dans la tête de piston permet d'éviter des problèmes de proximité entre les jets de carburant de l'injecteur et la culasse du moteur à combustion 15 interne, en gardant une distance entre les jets et la culasse au-dessus d'une valeur critique pour des puissances élevées. [9] L'invention favorise le mélange air-carburant au-dessus du piston quand celui-ci descend dans le cylindre du moteur, par une augmentation de la quantité de mouvement injectée dans cette zone ainsi que par une augmentation du volume qui y est disponible. 20 Le bol étant plus petit, la dynamique du jet dans le bol permet de mieux exploiter l'air qu'il contient. L'invention permet ainsi une réduction de la consommation du moteur à combustion interne et une réduction de l'émission de CO2 pour des fortes charges du moteur, sans dégrader les performances de celui-ci pour les faibles charges. [0010] En outre, l'invention présente l'avantage d'être de réalisation peu coûteuse et 25 préserve une place importante dans la tête de piston pour y loger une galerie d'huile. Elle permet également de conserver des valeurs de taux de compression classiques, entre 15 et 18, pour les moteurs Diesel. [0011] Selon une caractéristique particulière, le piston selon l'invention a un rapport H1/D3, en pourcentage, qui est compris entre 25% et 30%, 30 H1 étant la hauteur du bol, et D3 étant le diamètre maximum du bol. 3060059 3 [0012] Selon une autre caractéristique particulière, le piston selon l'invention a un rapport (D2-D3)/D3, en pourcentage, qui est compris entre -7% et -2%, D2 étant le diamètre minimum du bol, et D3 étant le diamètre maximum du bol. 5 [0013] Selon encore une autre caractéristique particulière, le piston selon l'invention a un rapport (A-11),)/A, en pourcentage, qui est voisin de 10%, A étant le diamètre extérieur du piston, et D, étant le diamètre maximum du chanfrein. [0014] Selon encore une autre caractéristique particulière, le piston selon l'invention a un 10 rapport H/Hi, en pourcentage, qui est voisin de 40%, H étant la distance entre un sommet du bol et le plan horizontal de la partie plane supérieure, et H1 étant la hauteur du bol. [0015] Selon d'autres aspects, l'invention concerne également un moteur à combustion 15 interne, notamment de type Diesel, comprend au moins un piston comme décrit brièvement ci-dessus et un véhicule automobile équipé d'un tel moteur à combustion interne. [0016] D'autres avantages et caractéristiques de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description détaillée ci-dessous d'une forme de réalisation 20 particulière d'un piston de moteur à combustion interne Diesel selon l'invention, en référence aux dessins annexés, dans lesquels : la Fig.1 est une vue simplifiée montrant la structure géométrie optimale et les cotes correspondantes d'un piston de moteur à combustion interne Diesel selon l'invention ; et la Fig.2 est une vue tronquée en perspective de la partie supérieure du piston de la 25 Fig.1. [0017] En référence aux Figs.1 et 2, il est décrit ci-dessous la partie supérieure d'un piston 1 de moteur à combustion interne Diesel selon l'invention. Le piston 1 a un axe 3060059 4 longitudinal X et comprend, de manière classique, une cavité ou bol 2 asymétrique. Le bol 2 a un profil curviligne 20 et une lèvre 3 qui est située à la périphérie supérieure du bol 2 et qui relie le bol 2 à la surface supérieure annulaire 4 du piston appelée « chasse » ou « tête de piston ». Cette surface supérieure annulaire 4 est comprise entre la lèvre 3 et un bord 5 externe de piston 42. La surface supérieure annulaire 4 comporte une partie formant chanfrein 40 et une partie plane supérieure 41. Le chanfrein 40 est incliné, avec un angle de pente a, vers l'intérieur du bol 2 et se prolonge entre la partie plane supérieure 41 et la lèvre 3. Dans cette forme de réalisation, le plan horizontal de la partie plane supérieure 41 est perpendiculaire à l'axe longitudinal X du piston 1. 10 [0018] Les essais réalisés par l'entité inventive ont permis de définir une structure géométrie optimale, décrite ci-dessous, pour le piston 1 selon l'invention. [0019] En référence à la Fig.1, la structure géométrique du piston 1 est définie au moyen des cotes suivantes : a qui est l'angle de pente du chanfrein 40 par rapport à l'horizontale ; - A qui est le diamètre extérieur du piston 1, correspondant sensiblement au diamètre d'alésage du cylindre du moteur ; - D1 qui est le diamètre maximum du chanfrein 40 ; - D2 qui est le diamètre minimum du bol 2 ; - D3 qui est le diamètre maximum du bol 2 ; - H qui est la distance entre un sommet de bol 21 et le plan horizontal de la partie plane supérieure 41 ; et - H1 qui est la hauteur du bol 2. [0020] Le chanfrein 40 doit posséder un angle de pente a compris entre 11 ° et 15°. [0021] En dessous de la valeur minimum de a=11°, l'effet du chanfrein 40 devient trop 25 faible pour être déterminant. 3060059 5 [0022] Au-dessus de la valeur maximum de a=15°, la zone de chanfrein est soit trop courte, soit de volume trop important, ce qui dans les deux cas annule les bénéfices en rendement de l'invention sur les fortes charges. [0023] Le rapport Hi/D3 en pourcentage, de la hauteur de bol sur le diamètre de bol 5 maximum, doit être compris entre 25% et 30%. [0024] Pour des rapports Hi/D3 plus faibles, le profil du bol 2 est aplati et le jet de carburant dans le bol 2 voit sa dynamique diminuer. De plus, le volume V compris entre le chanfrein 40 du piston et la culasse du moteur diminue. Les deux effets ci-dessus tendent à réduire le bénéfice en rendement recherché avec le chanfrein 40. 10 [0025] Pour des rapports Hi/D3 plus grands, le bol 2 devient trop étroit, ce qui augmente la probabilité d'interaction entre la tête et la queue de jet et conduit à une augmentation rapide des émissions de particules. [0026] Le rapport (D2-D3)/D3 en pourcentage, entre la différence des diamètres de bol maximum et minimum et le diamètre maximum de bol, doit être compris entre -7% et -2%, 15 ce rapport (D2-D3)/D3 étant appelé le « réentrant » dans le domaine technique de l'invention. [0027] Des réentrants (D2-D3)/D3 plus grands en valeur absolue ne sont pas compatibles avec des contraintes thermomécaniques du matériau utilisé. [0028] Des réentrants (D2-D3)/D3 plus faibles en valeur absolue sont défavorables pour 20 l'aérodynamique et conduisent à une augmentation des particules. [0029] Le rapport (A-11),)/A en pourcentage, entre la différence du diamètre extérieur de piston et le diamètre maximum de chanfrein rapporté à la différence du diamètre extérieur de piston, doit être voisin de 10%. [0030] Pour les valeurs trop faibles du rapport (A-11),)/A, il y a un risque de manque de tenue mécanique du piston 1 sur sa périphérie extérieure. Cependant, cette valeur doit être minimisée pour que le volume V de la zone chanfreinée soit suffisant et puisse jouer son rôle de manière efficace. Les effets attendus de l'invention reposent sur ce volume V introduit par le chanfrein 40. Plus le volume V est réduit, moins son effet sera important. Les essais réalisés par l'entité inventive ont montré qu'une valeur voisine 10% pour le rapport (A-11),)/A en pourcentage est un bon compromis. 3060059 6 [0031] On notera également que le piston 1 selon l'invention ne doit pas comporter d'empreintes de soupape, dites « embrèvements ». En effet, ces embrèvements impactent le volume V de la zone chanfreinée et réduisent sensiblement l'effet de celle-ci. De plus, les embrèvements ne sont pas compatibles avec les contraintes thermomécaniques pour 5 les puissances spécifiques élevées. [0032] Le rapport H/H, en pourcentage, de la distance entre le sommet de bol 21 et le plan horizontal de la partie plane supérieure 41 à la profondeur de bol, doit être voisin de 40%. [0033] En dessous de cette valeur voisine de 40% du rapport H/Hi, la colonne d'air 10 située au-dessus du sommet de bol 21 reçoit peu de carburant et cela pénalise le rendement. [0034] Au-dessus de cette valeur voisine de 40% du rapport H/Hi, la probabilité d'interaction entre la tête du jet de carburant et la queue de celui-ci augmente. Une telle interaction a tendance à faire augmenter les émissions de particules. 15 [0035] L'invention ne se limite pas à la forme de réalisation particulière qui a été décrite ici à titre d'exemple. L'homme du métier, selon les applications de l'invention, pourra y apporter différentes modifications et variantes qui entrent dans la portée des revendications ci-annexées. REVENDICATIONS1. Piston de moteur à combustion interne comprenant une cavité centrale (2), dite bol, destinée à une combustion de carburant, une lèvre (3) située au niveau d'une périphérie supérieure dudit bol (2), et une surface annulaire supérieure (4) comprise entre ladite lèvre (3) et un bord externe de piston (42), ladite surface annulaire supérieure (4) comportant un chanfrein (40) et une partie plane supérieure (41), et ledit chanfrein (40) étant incliné vers l'intérieur dudit bol (2) et se prolongeant entre ladite partie plane supérieure (41) et ladite lèvre (3), caractérisé en ce que ledit chanfrein (40) est incliné avec un angle de pente (a) compris entre 11° et 15°. 2. Piston selon la revendication 1, caractérisé en ce que son rapport Hi/D3, en pourcentage, est compris entre 25% et 30%, H1 étant la hauteur dudit bol (2), et D3 étant le diamètre maximum dudit bol (2). 3. Piston selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que son rapport (D2-D3)/D3, en pourcentage, est compris entre -7% et -2%, D2 étant le diamètre minimum dudit bol (2), et D3 étant le diamètre maximum dudit bol (2). 4. Piston selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que son rapport (A-11),)/A, en pourcentage, est voisin de 10%, A étant le diamètre extérieur dudit piston (1), et D, étant le diamètre maximum dudit chanfrein (40). 5. Piston selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que son rapport H/Hi, en pourcentage, est voisin de 40%, H étant la distance entre un sommet (21) dudit bol (2) et le plan horizontal de ladite partie plane supérieure (41), et H1 étant la hauteur dudit bol (2). 3060059 8 6. Moteur à combustion interne, notamment de type Diesel, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un piston selon l'une quelconque des revendications 1 à 5. 7. Véhicule automobile caractérisé en ce qu'il comprend un moteur à combustion interne selon la revendication 6. 5