Brevet FR3057913A1 — publié le 20180427

Piston pour moteur à combustion interne à rideau aérodynamique La présente invention concerne un piston destiné à coulisser dans un cylindre de moteur à combustion interne à injection directe, ainsi qu'un moteur à combustion interne et un véhicule automobile en tant que tels intégrant un tel piston. Un moteur à combustion interne à injection directe de l'état de la technique, notamment à cycle Diesel, comprend plusieurs cylindres fermés par une culasse, à l'intérieur desquels coulissent des pistons entre deux positions extrêmes, dites point mort haut et point mort bas. Un tel piston présente une cavité creusée dans sa partie supérieure dans laquelle se déroule principalement la combustion du carburant, appelée communément chambre de combustion. Cette chambre de combustion comprend une paroi concave de révolution autour d'un axe parallèle à l'axe de translation du piston, appelé communément bol. La forme particulière de ce bol a pour but d'améliorer la diffusion du carburant injecté et des produits de combustion dans la chambre de combustion, et finalement d'optimiser la post-oxydation des suies pour atteindre une combustion la plus performante possible. En général, l'injection de carburant est réalisée lorsque le piston se trouve en position haute, mais certaines variantes existent autour de cette position haute, par exemple basées sur des injections dites tardives, notamment pour mettre en place des stratégies de combustion dans des procédés de dépollution. Dans tous les cas, il arrive que les mouvements aérodynamiques au sein de la chambre de combustion entrainent quelques gouttes de carburant à proximité de celle-ci, sur la surface plane supérieure du piston appelée communément zone de chasse. En effet, cette zone de chasse rejoint la chambre de combustion 3057913 2 par le biais d'un simple rayon convexe, appelé communément lèvre du réentrant. Ces gouttes brûlent et forment des matières charbonneuses, des suies, plus généralement des particules résiduelles, qui parviennent à se propager entre le piston et la chemise du cylindre. Ces particules 5 résiduelles se mélangent finalement avec l'huile moteur induisant une dégradation de la performance de cette huile. Il est nécessaire de programmer la vidange de l'huile moteur selon une fréquence adaptée à la vitesse de sa dégradation. Il est naturellement intéressant d'augmenter au maximum les intervalles entre les vidanges. 10 Ainsi, un objet de l'invention consiste à proposer une solution pour réduire le taux de particules résiduelles, telles que des matières charbonneuses, des particules de fumées et des suies issues de la combustion, dans l'huile d'un moteur à combustion interne. 15 Dans ce dessein, l'invention concerne un piston destiné à coulisser dans un cylindre de moteur à combustion interne à injection directe comprenant : - une chambre de combustion, 20 - une zone de chasse sensiblement plane, - un canal reliant la chambre de combustion à la zone de chasse, ce canal étant orienté sensiblement perpendiculairement à la zone de chasse au niveau de sa première extrémité débouchant sur la zone de chasse. 25 Dans d'autres modes de réalisation : - le canal débouche dans une paroi périphérique de la chambre de combustion ; - l'orientation de l'axe de la seconde extrémité du canal au niveau 30 de la chambre de combustion varie de la tangence à la 3057913 3 perpendicularité par rapport à la paroi périphérique de la chambre de combustion ; - l'axe de la première extrémité du canal présente une inclinaison inférieure ou égale à 20 degrés par rapport à la direction 5 perpendiculaire à la zone de chasse ; - le canal est de forme cylindrique ou hélicoïdale ; - la zone de chasse est sensiblement annulaire ; - la chambre de combustion a une forme de bol. 10 Selon une variante de l'invention, le piston comprend autant de canaux que de jets provenant de l'injection directe. L'invention concerne également un moteur à combustion interne comprenant un tel piston. 15 Enfin, l'invention concerne un véhicule automobile comprenant un moteur à combustion interne équipé d'un tel piston. Ces objets, caractéristiques et avantages de la présente invention seront 20 exposés en détail dans la description suivante d'un mode d'exécution particulier et d'une variante faite à titre non-limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles : La figure 1 représente une vue en perspective d'un piston selon un mode 25 de réalisation de l'invention. La figure 2 représente une section selon A-A d'un demi-piston et vise à illustrer l'effet obtenu, pendant la phase de combustion, d'un piston selon le mode de réalisation de l'invention. La figure 3 représente une vue de dessus d'un piston selon le mode de 30 réalisation de l'invention. 3057913 4 La figure 4 représente une section selon A-A de la partie supérieure d'un demi-piston selon le mode de réalisation de l'invention. La figure 5 représente une vue en perspective d'un piston selon une variante du mode de réalisation de l'invention. 5 La figure 1 représente un piston 1 disposant d'une zone de chasse 13, sensiblement plane et annulaire, perpendiculaire à la direction suivant l'axe Z de translation du piston 1. Cette zone de chasse 13 comprend une pluralité de trous correspondant aux premières extrémités 10' de 10 canaux 10 (non représentés sur cette figure). Les canaux 10 ont des secondes extrémités 10" débouchant dans la chambre de combustion 11. Les doubles flèches illustrent les flux de gaz générés grâce à l'aménagement des canaux 10 dans le piston 1. 15 Les directions suivant les axes X et Y, axes par convention perpendiculaires l'un par rapport à l'autre, sont par convention également perpendiculaires à la direction suivant l'axe Z, direction selon laquelle le piston 1 translate. 20 La figure 2 illustre une phase de combustion du piston 1 coulissant dans un cylindre 2 fermé par une culasse 3. Avant la combustion, des jets 15 de carburant sont injectés dans la chambre de combustion 11. La combustion du carburant, en plus de fournir l'énergie de translation au 25 piston 1, génère une poche de suies 16 s'étendant sensiblement autour d'un plan XY, dans l'espace compris entre la zone de chasse 13 et la culasse 3. Des flux de gaz sont générés dans les canaux 10 du fait de l'écart de pression entre la paroi périphérique 14 de la chambre de combustion 11 30 et la zone de chasse 13. En effet, en guidant cette pression dans les canaux 10, les gaz se détendent et accélèrent avant de déboucher dans 3057913 5 la zone de chasse 13. Les flux de gaz sortant des premières extrémités 10' sont générés sensiblement parallèlement à la direction suivant l'axe Z c'est-à-dire perpendiculairement au sens d'avancement de la poche de suies 16. La pluralité de canaux 10 crée un rideau aérodynamique qui 5 bloque la progression vers la chemise du cylindre 2, des suies 16 issues de la chambre de combustion 11. Les suies 16 et plus généralement les particules résiduelles de la combustion, notamment les matières charbonneuses, sont stoppées avant de parvenir entre le piston 1 et la chemise du cylindre 2. Elles ne parviennent donc pas à proximité des 10 segments 4 et ne se mélangent pas à l'huile moteur. Une fois la phase de combustion terminée, la dépression générée par la descente du piston 1 au niveau de la zone de chasse 13 entretient le débit de gaz dans les canaux 10. Le rideau aérodynamique est maintenu 15 ce qui évite la propagation des particules résiduelles vers la chemise du cylindre 2 durant la descente du piston 1. La figure 3 montre un exemple d'emplacement des premières extrémités 10' sur la zone de chasse 13 d'un piston 1, ainsi que leurs canaux 10 20 respectifs représentés par transparence. Les canaux 10 débouchent quasi tangentiellement dans la paroi périphérique 14. Les premières extrémités 10' sont réparties régulièrement et sensiblement centrées entre la lèvre du réentrant et la circonférence extérieure de la surface supérieure du piston 1. 25 La figure 4 illustre plus en détail la forme de la partie supérieure du piston 1 selon l'invention, notamment les spécificités géométriques du canal 10. La première extrémité 10' du canal 10 est située sur la zone de chasse 13, zone comprenant la demi partie supérieure de la lèvre du réentrant et 30 s'étendant radialement jusqu'à la circonférence extérieure de la surface supérieure du piston 1 (représentée en trait mixte). L'axe de la première 3057913 6 extrémité 10' est sensiblement perpendiculaire à la zone de chasse 13. On entend par là que l'axe du canal 10, à son point d'intersection avec la zone de chasse 13, présente un angle 13 maximal de 20 degrés avec une droite perpendiculaire à la zone de chasse 13. Sur la figure 4 on a 5 représenté une inclinaison possible dans le plan XZ, une inclinaison similaire étant possible dans le plan YZ. Le canal 10 débouche dans la paroi périphérique 14 de la chambre de combustion 11, la paroi périphérique 14 (représentée en trait plein épais) 10 allant de la demi partie inférieure de la lèvre du réentrant jusqu'à la partie convexe du fond du bol 12. En fonction de l'effet recherché sur les flux de gaz, l'axe de la seconde extrémité 10" prend différentes orientations. L'angle d'incidence a, c'est-à-dire l'orientation de l'axe de la seconde extrémité 10" par rapport à la perpendiculaire de la paroi périphérique 14 15 peut varier de la perpendicularité à la tangence (par tangence, on entend que l'axe de la seconde extrémité 10" et ladite perpendiculaire sont colinéaires). Le canal 10 est de forme cylindrique, hélicoïdale ou toute autre section 20 adaptée à l'obtention d'un canal 10 dans un processus de fabrication d'un piston 1. La figure 5 représente une variante dans laquelle le piston 1 comprend autant de canaux 10 que de jets 15 provenant d'un injecteur. Les flux de 25 gaz représentés par des doubles flèches ressortent par les premières extrémités 10' sur la zone de chasse 13 limitant voire stoppant la progression des fumées et des suies 16 en initiant deux zones de rotation de type vortex de chaque côté des jets 15, c'est-à-dire deux mouvements circulaires en sens opposé l'un par rapport à l'autre des 30 deux côtés des jets 15. 3057913 7 Lors de la remontée du piston 1, durant la phase de compression, ces canaux 10 permettent d'extraire la surpression d'air se trouvant dans la zone de chasse 13, limitant ainsi la recirculation des gaz de la chambre de combustion vers le carter d'huile du moteur par l'intermédiaire des 5 jeux aux segments (plus connu sous le terme ango-saxon de blow-by) au point mort haut, ce qui réduit très sensiblement la partie à basse pression de la pression moyenne indiquée régnant dans le cylindre durant un cycle moteur (plus connue sous la forme de l'expression « boucle négative » et par l'acronyme PMI BP) et améliore par conséquent le 10 rendement moteur. L'air ainsi extrait de la zone de chasse 13 est accéléré en passant dans les canaux 10 avant de ressortir par les secondes extrémités 10" à travers la paroi périphérique 14 de la chambre de combustion 11, de manière quasi-tangentielle, amplifiant ainsi le mouvement de tourbillon, communément appelé swirl, déjà établi dans le 15 bol 12. En résumé l'invention permet de repousser les particules résiduelles issues de la combustion vers leurs zones d'émission. Cette modification se caractérise par un transport des particules résiduelles en direction de 20 l'axe central de translation du piston 1, direction opposée à la chemise du cylindre 2. Les particules résiduelles ne parviennent pas à la chemise du cylindre 2 et encore moins entre le piston 1 et la chemise du cylindre 2. Il en résulte une élimination du transfert des particules résiduelles vers l'huile moteur. 25 En remarque, la solution selon l'invention atteint donc l'objet recherché de réduction de la dégradation de l'huile moteur et présente les avantages suivants : - Elle permet en outre d'amplifier le mouvement de swirl dans le 30 bol 12 durant la phase de compression. L'avantage de générer du swirl uniquement par l'aérodynamique interne, est que l'on 3057913 8 peut se passer du canal d'admission hélicoïdal et du volet de swirl, qui génèrent de grosses pertes de charges en amont de la soupape d'admission. D'une manière générale, la diminution des pertes de charges améliore la consommation spécifique du 5 moteur. - Elle limite le blow by, réduit la PMI BP et améliore le rendement du moteur. - L'intégralité des autres parties du piston 1, notamment la chambre de combustion 11, sa paroi périphérique 14, la zone de 10 chasse 13, les rainures destinées aux segments 4 peuvent demeurer inchangées. - La culasse peut demeurer inchangée. - Elle est ainsi compatible avec les solutions existantes. 15 L'invention est particulièrement bien adaptée à un moteur à combustion interne à cycle Diesel, qui connait un problème de génération de matière charbonneuse, issue de la combustion, dans l'huile moteur. Enfin, elle porte aussi sur un véhicule automobile en tant que tel intégrant un tel piston, notamment les véhicules légers et les véhicules industriels tels 20 que les poids lourds. REVENDICATIONS: 1. Piston (1) destiné à coulisser dans un cylindre (2) de moteur à combustion interne à injection directe caractérisé en ce qu'il comprend : - une chambre de combustion (11), - une zone de chasse (13) sensiblement plane, - un canal (10) reliant la chambre de combustion (11) à la zone de chasse (13), ce canal (10) étant orienté sensiblement perpendiculairement à la zone de chasse (13) au niveau de sa première extrémité (10') débouchant sur la zone de chasse (13). 2. Piston (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le canal (10) débouche dans une paroi périphérique (14) de la chambre de combustion (11). 3. Piston (1) selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'orientation de l'axe de la seconde extrémité (10") du canal (10) au niveau de la chambre de combustion (11) varie de la tangence à la perpendicularité par rapport à la paroi périphérique (14) de la chambre de combustion (11). 4. Piston (1) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'axe de la première extrémité (10') du canal (10) présente une inclinaison inférieure ou égale à 20 degrés par rapport à la direction perpendiculaire à la zone de chasse (13). 5. Piston (1) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le canal (10) est de forme cylindrique ou hélicoïdale. 3 05 7913 10 6. Piston (1) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend autant de canaux (10) que de jets (15) provenant de l'injection directe. 5 7. Piston (1) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la zone de chasse (13) est sensiblement annulaire. 8. Piston (1) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la chambre de combustion (11) a une forme de bol (12). 10 9. Moteur à combustion interne caractérisé en ce qu'il comprend un piston (1) selon l'une des revendications précédentes. 10. Véhicule automobile caractérisé en ce qu'il comprend un moteur à 15 combustion interne selon la revendication 9.