Brevet FR3057032A1 — publié le 20180406

i Domaine de l'invention La présente invention concerne le domaine des moteurs à combustion interne à allumage commandé. En particulier, la présente invention concerne les moteurs comportant au moins un cylindre dans lequel coulisse un piston selon l'axe du cylindre, une culasse surmontant le cylindre et délimitant avec le piston et le cylindre une chambre de combustion, le piston comprenant une cavité (ou bol) de forme spécifique ouverte vers la culasse. Contexte général Les moteurs du type précité et fonctionnant en mélange dilué (pauvre ou avec EGR) sont particulièrement visés par l'invention. Avantageusement, les moteurs à allumage commandé fonctionnant en mélange très dilué (richesse du mélange inférieure à 0,6 par exemple) permettent de réduire considérablement les émissions polluantes telles que les oxydes d'azote (N0x). Cependant cette technologie peut poser des problèmes liés à l'initiation et à la propagation de la flamme, problèmes qui se traduisent par des instabilités de la combustion, et par une augmentation du taux d'hydrocarbures imbrûlés. Une attention particulière à la qualité de la combustion est donc portée lors de la conception de ce type de moteurs. La combustion doit être rapide et stable, afin de 20 réduire les émissions de NOx tout en augmentant le rendement énergétique du moteur. Les caractéristiques de la combustion dépendent de facteurs géométriques (forme de la chambre, du bol dans le piston, de la position de la bougie et du système d'admission), aérodynamique interne (turbulence et vitesses), de la distribution, etc. 25 L'optimisation de l'aérodynamique interne se révèle être une étape importante dans la conception d'un moteur à allumage commandé fonctionnant en mélange dilué. La mise au point de l'aérodynamique interne dans la chambre au moment de l'allumage doit contribuer à l'augmentation des vitesses de combustion et favoriser la stabilité de la 30 flamme à l'allumage. Les caractéristiques de l'écoulement à ce moment dans la chambre dépendent du résultat de l'interaction de l'aérodynamique post admission avec la forme de la chambre de combustion. Les niveaux de turbulence atteints doivent notamment être optimisés pour favoriser la stabilité de l'allumage et la propagation de la flamme dans la 3057032 2 chambre, et notamment pour éviter toute extinction de la flamme ou encore limiter les combustions anormales de type cliquetis. Différentes géométries de pistons, en particulier du bol formé dans la partie 5 supérieure du piston ouverte vers la culasse, ont été développées, notamment pour contraindre l'écoulement des gaz dans la chambre de combustion, en vue d'améliorer la combustion du carburant et d'augmenter les performances et les caractéristiques antipollution du moteur. Ainsi le brevet US 5 351 665 décrit une chambre de combustion formée dans le 10 piston, par une cavité ayant une géométrie particulière. Le document FR 2713 282 divulgue une autre géométrie de bol formé dans la partie supérieure du piston. Les documents FR 2 739 896 et US 5 862 789 divulguent encore une autre géométrie de bol formé dans la partie supérieure du piston, le bol comportant au moins un 15 volume de section ellipsoïde selon un plan transversal du piston, dont l'axe principal et les génératrices sont essentiellement parallèles à l'axe longitudinal du piston. La section ellipsoïde est caractérisée par une ellipse de forme particulière présentant un facteur d'aplatissement X compris entre 0 et 0,6, ledit facteur X étant défini comme le ratio entre la différence du grand axe de l'ellipse GR et le petit axe de l'ellipse PR et la somme du 20 grand axe de l'ellipse GR et le petit axe de l'ellipse PR : GR - PR GR + PR Cette géométrie permet de réduire les rapports entre surface et volume dans la chambre de combustion et d'augmenter les niveaux de turbulence en fin du cycle de compression. 25 Objectifs et résumé de l'invention L'objet de la présente demande consiste à répondre aux objectifs aérodynamiques énoncés ci-avant afin de contribuer à optimiser le compromis rendement énergétique/émissions. En particulier, la présente invention est un perfectionnement du moteur à combustion divulgué dans les documents FR 2 739 896 et US 5 862 789. = 30 3057032 3 L'invention vise notamment à optimiser les niveaux de turbulence et de vitesses à proximité de la bougie d'allumage ; en effet, une modération des niveaux de turbulence à proximité de la culasse et de la bougie d'allumage est recherchée car un trop fort niveau de turbulence accroît les instabilités cycliques et les risques de raté d'allumage. 5 Un autre objectif de l'invention consiste à maximiser les niveaux de turbulence au fond de la chambre afin d'accélérer la combustion dans cette partie de la chambre, en utilisant notamment l'interaction de la géométrie de la chambre avec le mouvement de « swirl » pour générer la turbulence. Par mouvement de swirl, on entend le mouvement 10 macroscopique des fluides autour de l'axe du cylindre généré durant l'admission, en forme de spirale, également appelé tourbillon en français. Un objectif supplémentaire consiste à fournir une géométrie de chambre de combustion qui ne perturbe pas l'initiation de la flamme, et qui maximise les vitesses de 15 combustion notamment par l'interaction du noyau de la flamme avec les zones de turbulences crées dans la chambre de combustion et dépendantes de la géométrie de la chambre. Ainsi un niveau de turbulence modéré et des vitesses de gaz excessives sont à éviter au moment et au lieu de l'allumage, cela pouvant affecter la qualité de la phase d'initiation de la combustion, mais sont à maintenir élevés ensuite de manière à obtenir une vitesse de combustion élevée. La présente invention vise en particulier à fournir un moteur à combustion interne, à culasse plate ou non, pouvant être utilisé en mélange dilué (pauvre ou avec EGR) avec du gaz naturel, présentant un bon compromis entre le rendement énergétique et les émissions de polluants en comparaison avec les technologies actuelles. La présente invention peut ainsi avantageusement s'appliquer à la conversion des moteurs Diesel au gaz naturel dans laquelle l'architecture de base du moteur est conservée, à savoir une chambre formée dans le piston (bol) et une culasse de préférence plate. Ainsi, pour atteindre au moins l'un des objectifs susvisés, parmi d'autres, la présente invention propose, selon un premier aspect, un moteur à combustion interne à allumage commandé comprenant au moins un cylindre dans lequel coulisse un piston selon l'axe du cylindre, une culasse surmontant le cylindre et délimitant avec le piston et le cylindre une chambre de combustion, le piston comprenant une cavité ouverte vers la 3057032 4 culasse, la cavité comprenant un fond et au moins deux volumes, chacun des volumes ayant une section elliptique selon tout plan orthogonal j à l'axe du piston non sécant avec le fond de la cavité, la section elliptique de chacun des volumes étant telle que 0 REVENDICATIONS1. Moteur à combustion interne à allumage commandé comprenant au moins un cylindre dans lequel coulisse un piston (2) selon l'axe du cylindre, une culasse (4) surmontant le cylindre et délimitant avec le piston et le cylindre une chambre de combustion (1), le piston comprenant une cavité (6) ouverte vers la culasse, ladite cavité (6) comprenant un fond et au moins deux volumes (V1, V2), chacun desdits volumes ayant une section elliptique (Si, S2) selon tout plan orthogonal j à l'axe du piston (X) non sécant avec le fond de la cavité (6), la section elliptique de chacun desdits volumes étant telle que 0 2. Moteur selon la revendication 1, dans lequel les génératrices (G) d'au moins un desdits volumes (V1, V2) forment un même angle gp, dans un plan orthogonal j donné appartenant à ladite portion de la cavité (6), avec 0° gin 3. Moteur selon la revendication 1, dans lequel les génératrices (G) d'au moins un desdits volumes (V1, V2) forment un angle gin qui varie continument dans un plan orthogonal /donné appartenant à ladite portion de la cavité (6), avec 0° gp, 4. Moteur selon l'une des revendications 2 et 3, dans lequel l'angle p de chaque génératrice est constant en fonction de la profondeur sur ladite portion de la cavité (6) = 3057032 25 pour former des génératrices étant des droites, formant de préférence un angle gin tel que 0° 5. Moteur selon l'une des revendications 2 et 3, dans lequel l'angle gin de chaque 5 génératrice varie en fonction de la profondeur sur ladite portion de la cavité (6), de préférence varie entre 0° et 90°. 6. Moteur selon la revendication 5, dans lequel les génératrices (G) comportent au moins un point d'inflexion sur ladite portion (H) de la cavité (6), de préférence comportent 10 2+m points d'inflexion, m étant un entier compris entre 1 et 3. 7. Moteur selon l'une quelconque des revendications 5 et 6, dans lequel l'angle moyen gu' défini par le segment de droite reliant deux points d'une génératrice (G) situés respectivement sur une section elliptique basale (Sb) et une section elliptique sommitale (Sa) d'un des deux volumes à section elliptique, et par la droite parallèle à l'axe longitudinal du piston (X) passant par l'un desdits points, est non nul et inférieur ou égal à 40°. 8. Moteur selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le rayon de 20 raccordement rentre la paroi (6c) et le fond (6b) de la cavité (6) est compris entre 0,15xPB et 0,3xPB. 9. Moteur selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le fond de la cavité (6) est plat ou convexe. 25 10. Moteur selon l'une des revendications précédentes, dans lequel chacun desdits volumes a : - une profondeur PR 5 0,15xB - un grand axe GR tel que : 0,25xB 11. Moteur selon la revendication 10, dans lequel la position de chacun desdits volumes (Vi) est telle que 0 Dij 0,2xB, Dij étant la distance de l'axe longitudinal du piston (X) au centre de symétrie Cij de la section elliptique du volume (Vi) selon un plan orthogonal j à l'axe longitudinal du piston (X). 5 12. Moteur selon l'une des revendications précédentes, dans lequel les sections elliptiques desdits au moins deux volumes (V1, V2) ont un recouvrement I=10 quel que soit le plan orthogonal j sur ladite portion de la cavité (6), et ledit recouvrement R des sections elliptiques desdits au moins deux volumes (V1, V2) est plus important vers l'ouverture de 10 la cavité (6) que vers le fond de la cavité, avec de préférence un recouvrement tel que Di, Dib PRs PRb D,, étant la distance de l'axe longitudinal du piston (X) au centre C,, de la section elliptique sommitale du volume Vi ; Dib étant la distance de l'axe longitudinal du piston (X) au centre Cib de la section elliptique basale du volume Vi ; 15 PRS étant le petit axe de la section elliptique sommitale du volume Vi ; PRb étant le petit axe de la section elliptique basale du volume Vi. 13. Moteur selon la revendication 12, dans lequel les sections elliptiques desdits au moins deux volumes (V1, V2) ont un recouvrement R avec 0 R 0,15xAp, Ap étant l'aire de la section elliptique la plus petite sur ladite portion de la cavité (6). 14. Moteur selon l'une des revendications précédentes, dans lequel une droite passant par le grand axe GR d'une section elliptique basale (S,,b) d'au moins un desdits volumes et la projection sur le plan (lb) contenant la section elliptique basale d'une droite passant le grand axe GR de la section elliptique située sur un plan orthogonal j donné appartenant à ladite portion de la cavité (6), forment un angle de twist w compris entre 0° et 15°. 15. Moteur selon l'une des revendications précédentes, dans lequel les grands 30 axes GR des sections elliptiques desdits volumes sont sensiblement parallèles quel que soit le plan orthogonal j appartenant à ladite portion de la cavité (6). 3057032 27 16. Moteur selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la hauteur (H) de ladite portion de la cavité (6) est égale à la profondeur PR de la cavité (6). 5 17. Moteur selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la distance de décalage d entre le centre Ci d'une section elliptique Si et la projection du centre du cylindre C sur le grand axe GR de la section elliptique, sur un plan j donné appartenant à ladite portion de la cavité, est comprise entre 0 et 0,15xGR, et les sections elliptiques des 10 deux volumes (V1, V2) sur ledit plan j sont décalées de manière opposée. 18. Moteur selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la cavité comprend en outre un volume cylindrique (Vc) intersectant lesdits volumes (V1, V2) à sections elliptiques.