Brevet FR3124829A1 — publié le 20230106

L’invention concerne un piston pour moteur à combustion interne comprenant un système de régulation de la température de la tête de piston, le système de régulation de la température comprenant des canaux pour la circulation d’un fluide caloporteur composés d’une première entrée/sortie du fluide caloporteur périphérique (10), une galerie périphérique (5), des canaux radiaux (6), deux collecteurs (7), un canal de sortie (9), des canaux transverses (8) perpendiculaires audit canal de sortie et parallèles entre eux et une deuxième entrée/sortie du fluide caloporteur, la première entrée/sortie du fluide caloporteur périphérique (10) étant reliée à la galerie périphérique (5), les collecteurs (7) étant reliés au canal de sortie (9) par les canaux transverses (8), la deuxième entrée/sortie du fluide caloporteur étant reliée au canal de sortie (9). Figure 3 à publier Piston pour moteur à combustion interne avec système de refroidissement optimisé La présente invention concerne un piston avec un système de refroidissement intégré, notamment pour une utilisation dans un moteur à combustion interne, plus particulièrement pour des applications de transport, telles que l’automobile, le transport aérien ou maritime. Elle s’inscrit dans un contexte d’augmentation perpétuelle du rendement des moteurs thermiques et d’adaptation de ces derniers aux enjeux environnementaux d’aujourd’hui. Un moteur à combustion interne (aussi appelé moteur thermique) est constitué d’un ou de plusieurs cylindres, généralement de 2 à 8 cylindres. Dans chacun de ces cylindres peut se déplacer un piston par des mouvements de va-et vient (en translation rectiligne dans la direction de l’axe du cylindre). Le cylindre est fermé à une de ses extrémités par une culasse dans laquelle se trouve une admission d’air, un échappement des gaz brûlés, une arrivée de carburant (qui peut arriver avec l’admission d’air dans le cas d’injection indirecte ou indépendamment de l’admission d’air dans le cas d’injection directe) et d’un éventuel moyen d’allumage tel qu’une bougie d’allumage. Le volume délimité par le cylindre, la culasse et le piston forme la chambre de combustion, dans laquelle l’air et le carburant vont générer une réaction de combustion initiée par le moyen d’allumage et/ou par le taux de compression du mélange air/carburant. Le taux de compression, ou rapport volumétrique, est le rapport des volumes de la chambre de combustion lorsque le piston est au point mort bas, correspondant au volume maximal de la chambre de combustion, et lorsque le piston est au point mort haut, correspondant au volume minimal de la chambre de combustion. La combustion générée par le mélange air/carburant est généralement produite à proximité du point mort haut. Cette combustion entraîne une augmentation de l’énergie générée dans la chambre de combustion, cette augmentation de l’énergie entraînant ainsi le piston en direction du point mort bas. Le piston est relié à une bielle et à un vilebrequin qui transforment le mouvement rectiligne du piston en mouvement de rotation. Afin de limiter la consommation de carburant, limiter les rejets de carburant imbrûlé et/ou les particules et gaz polluants, l’augmentation du rendement des moteurs à combustion interne est un enjeu crucial depuis de nombreuses années. Jusque-là, l’augmentation du rendement des moteurs thermiques s’est essentiellement fait par des modifications technologiques des moteurs à combustion interne : par exemple, par de l’injection directe du carburant dans la chambre de combustion, de la suralimentation d’air et/ou par l’utilisation de l’EGR (« Exhaust Gas Recovery » qui signifie recirculation des gaz d’échappement dans la chambre de combustion). Un autre moyen d’augmenter le rendement des moteurs à combustion interne consiste à contrôler la thermique de la chambre de combustion. Pour ce faire, les ingénieurs et techniciens ont cherché différentes solutions pour refroidir la surface de la tête de piston en vis-à-vis de la culasse, dite « face flamme ». Les documents EP3746651, DE 102018208898 et DE3444661 concernent des pistons avec un système de refroidissement dans la tête de piston. Ces systèmes de refroidissement comprennent une multitude de canaux radiaux du centre vers l’extérieur. Toutefois, l’espacement entre ces canaux dépendant de la position radiale considérée, le refroidissement n’est pas optimal. De plus, une distribution homogène du liquide dans les différents canaux est difficile à obtenir. La demande de brevet EP3301285 concerne un piston avec un système de refroidissement dans la tête de piston. Ce système de refroidissement comprend une multitude de canaux radiaux du centre vers l’extérieur. Toutefois, la largeur des canaux radiaux dépend de la position radiale considérée. Ainsi, la distribution du fluide et le refroidissement ne sont pas optimaux. La demande de brevet WO11097205 concerne un piston avec un système de refroidissement dans la tête de piston, basé sur deux galeries concentriques reliées entre elles par des canaux radiaux. Toutefois, la distribution homogène du fluide sur la surface du piston est difficile à obtenir. Les demandes de brevet AT522701 et FR3026439 concernent chacune un piston avec deux galeries de refroidissement séparées. Toutefois, ce refroidissement ne permet pas un refroidissement homogène et suffisant sur toute la surface du piston. De plus, il est nécessaire d’avoir une entrée et une sortie de liquide de refroidissement pour chacune des galeries, ce qui d’une part complexifie le système et d’autre part nécessite des adaptations des autres systèmes du moteur (notamment la distribution d’huile), ce qui ne permet pas d’utiliser des équipements standards pour ces systèmes. Ainsi, il est nécessaire de concevoir un système de refroidissement permettant un refroidissement plus efficace et plus homogène de la surface du piston, notamment pour éviter les points chauds, de préférence avec une seule entrée et une seule sortie de fluide de refroidissement, pour éviter des adaptations des autres éléments du moteur et ainsi permettre d’utiliser des équipements standards pour ces éléments. De plus, l’invention cherche également à permettre le réchauffage de la surface du piston dans certaines configurations. En effet, suivant le point de fonctionnement du moteur, la température de la paroi de la chambre de combustion peut avoir différents impacts sur le rendement, en fonction de la charge du moteur. La charge est le rapport du travail apporté par un moteur à un certain régime sur le travail maximal atteignable par ce moteur à ce régime. Ainsi, une forte charge peut par exemple correspondre à un travail apporté par le moteur compris entre 60% et 100% (de préférence entre 80% et 100%) du travail maximal possible du moteur à un régime donné (à une vitesse de rotation donnée) et une faible charge peut par exemple correspondre à un travail apporté par le moteur compris entre 0% et 40% (de préférence entre 0% et 20%) du travail maximal possible du moteur à un régime donné (à une vitesse de rotation donnée). Pour le motoriste, la charge se déduit généralement de la pression moyenne effective PME qui se calcule de la manière suivante : Avec C le couple moyen effectif produit par le moteur sur un cycle (en N.m), θ l’angle de rotation du moteur pendant un cycle (en radians) et V cyl la cylindrée du moteur (en m 3 ). Comme le couple C dépend du régime et de la charge, on peut déduire la charge de la pression moyenne effective PME. A forte charge, le risque de combustions anormales, comme par exemple le cliquetis, est susceptible d’apparaitre. Pour réduire ce risque ou l’éviter, il est nécessaire de modifier les réglages moteurs, ce qui risque impacter négativement le rendement. L’un des paramètres qui affecte la combustion anormale est la température de paroi de la chambre de combustion et en particulier l’ensemble des points chauds de cette paroi. On cherche donc à diminuer la température de cette paroi pour éviter les combustions anormales et ainsi obtenir un gain sur le rendement. A contrario, à faibles charges, une augmentation de la température de cette paroi va permettre une diminution du pompage et du niveau d’échange thermique moyen. Une augmentation de la température est donc positive du point de vue du rendement à faible charge. Ainsi, ce que l’on cherche à réaliser consiste à : Augmenter la température de la surface du piston à faible charge Diminuer la température de la surface du piston à forte charge, en assurant une distribution homogène de fluide sur la surface du fluide, et de préférence en simplifiant l’injection et le refoulement du fluide de refroidissement. L’invention concerne un piston pour moteur à combustion interne comprenant une tête de piston, la tête de piston comprenant un système de régulation de la température pour refroidir et/ou réchauffer une surface du piston de la tête de piston, le système de régulation de la température comprenant un ensemble de canaux dans lesquels un fluide caloporteur peut circuler, lesdits canaux étant disposés sous ladite surface du piston, ledit système de régulation de la température comprenant une première entrée/sortie du fluide caloporteur périphérique, une galerie périphérique, des canaux radiaux par rapport à la tête de piston, deux collecteurs, un canal de sortie s’étendant selon un diamètre de la tête de piston, des canaux transverses perpendiculaires audit canal de sortie et parallèles entre eux , et une deuxième entrée/sortie du fluide caloporteur dans l’axe de la tête de piston, la première entrée/sortie du fluide caloporteur périphérique étant reliée à la galerie périphérique et séparant la galerie périphérique en deux secteurs angulaires symétriques par rapport audit canal de sortie et chaque secteur angulaire formant un angle strictement inférieur à 180°, chaque secteur angulaire étant relié à un desdits deux collecteurs de forme sensiblement semi-annulaires par les canaux radiaux, les collecteurs étant reliés au canal de sortie par les canaux transverses, la deuxième entrée/sortie du fluide caloporteur dans l’axe de la tête de piston étant reliée au canal de sortie. De préférence, les canaux radiaux et/ou transverses et/ou la galerie périphérique et/ou les deux collecteurs et/ou le canal de sortie ont une section circulaire, rectangulaire, carrée, sensiblement triangulaire et/ou sensiblement en forme de goutte d’eau. Avantageusement, le système de régulation de la température comprend le fluide caloporteur, le fluide caloporteur étant de préférence liquide et de manière préférée, le fluide caloporteur étant l’huile du moteur à combustion interne. Selon une configuration de l’invention, le piston comprend des patins de guidage, les patins de guidage étant découplés de la tête de piston, les patins de guidage formant des secteurs angulaires de guidage dans un cylindre dans lequel le piston se déplace. Préférentiellement, les canaux radiaux sont inclinés de la galerie périphérique vers les collecteurs en direction de la surface du piston à refroidir ou à réchauffer. Selon un mode de réalisation avantageux, le système de régulation de la température comprend un interrupteur tout ou rien pour arrêter la circulation du fluide caloporteur ou mettre en circulation le fluide caloporteur dans le système de régulation de la température, l’interrupteur tout ou rien étant de préférence en amont de la première entrée/sortie du fluide caloporteur périphérique, dans le sens de circulation du fluide caloporteur. Selon une mise en œuvre de l’invention, le système de régulation de la température comprend un actionneur apte à contrôler le débit de fluide caloporteur dans le système de régulation de la température, le préférence, l’actionneur étant positionné en amont de la première entrée/sortie du fluide caloporteur périphérique, dans le sens de circulation du fluide caloporteur. De préférence, la première entrée/sortie du fluide caloporteur périphérique constitue l’unique entrée de fluide caloporteur et la deuxième entrée/sortie du fluide caloporteur dans l’axe du piston constitue l’unique sortie du fluide caloporteur. Selon une variante, les deux collecteurs ont un diamètre extérieur inférieur au diamètre intérieur de la galerie périphérique. Avantageusement, la hauteur des canaux transverses et/ou radiaux est inférieure à celle de la galerie périphérique, des collecteurs et/ou du canal de sortie. Selon une mise en œuvre de l’invention, en position de fonctionnement à l’axe vertical, les canaux radiaux et les canaux transverses sont reliés aux collecteurs et/ou à la galerie périphérique et/ou au canal de sortie de manière à générer une réserve de fluide caloporteur dans les collecteurs et/ou dans la galerie périphérique et/ou dans le canal de sortie, sous l’effet de la gravité appliquée sur le fluide caloporteur. De préférence, le piston est en acier, en aluminium, en titane ou leurs alliages. L’invention concerne également un moteur à combustion interne comprenant un piston selon l’une des caractéristiques décrites précédemment, le moteur à combustion interne étant un moteur de type essence, Diesel, à gaz naturel, ou à hydrogène. Liste des figures D'autres caractéristiques et avantages du piston et/ou du moteur selon l'invention, apparaîtront à la lecture de la description ci-après d'exemples non limitatifs de réalisations, en se référant aux figures annexées et décrites ci-après. [Fig 1] La représente une vue en coupe d’un piston selon un mode de réalisation de l’invention selon un plan comprenant l’axe longitudinal du piston. [Fig 2] La représente une vue en coupe d’un piston selon un mode de réalisation de l’invention selon un plan comprenant l’axe longitudinal et orthogonal au plan de coupe de la d’un piston. [Fig 3] La représente une vue en perspective depuis la surface du piston à refroidir d’un système de régulation de la température du piston selon un mode de réalisation de l’invention. [Fig 4] La représente une vue en perspective depuis la surface inférieure du piston, en vis-à-vis de la surface du piston à refroidir, d’un système de régulation de la température du piston selon un mode de réalisation de l’invention. [Fig 5] La représente une vue en en perspective d’un piston selon un mode de réalisation l’invention. [Fig 6] La illustre un cylindre ? d’un moteur à combustion interne selon un mode de réalisation de l’invention l’invention. [Fig 7] La représente une vue en coupe selon un plan comprenant l’axe longitudinal d’un piston d’un premier mode de réalisation d’un système de régulation de la température d’un piston selon l’invention. [Fig 8] La représente une vue en coupe selon un plan comprenant l’axe longitudinal d’un piston d’un deuxième mode de réalisation d’un système de régulation de la température d’un piston selon l’invention. [Fig 9] La représente une vue en coupe selon un plan comprenant l’axe longitudinal d’un piston d’un troisième mode de réalisation d’un système de régulation de la température d’un piston selon l’invention. [Fig 10] La représente une vue en coupe selon un plan comprenant l’axe longitudinal d’un piston d’un quatrième mode de réalisation d’un système de régulation de la température d’un piston selon l’invention. Piston pour moteur à combustion interne comprenant une tête de piston (1) comprenant un système de régulation de la température pour refroidir et/ou réchauffer une surface du piston (2) de la tête de piston (1), le système de régulation de la température comprenant un ensemble de canaux pour la circulation d’un fluide caloporteur, lesdits canaux étant disposés sous ladite surface du piston (2), ledit système de régulation de la température comprenant une première entrée/sortie du fluide caloporteur périphérique (10), une galerie périphérique (5), des canaux radiaux (6) par rapport à la tête de piston, deux collecteurs (7), un canal de sortie (9) s’étendant selon un diamètre de la tête de piston (1), des canaux transverses (8) perpendiculaires audit canal de sortie (9) et parallèles entre eux, et une deuxième entrée/sortie du fluide caloporteur dans l’axe (11) de la tête de piston (1), la première entrée/sortie du fluide caloporteur périphérique (10) étant reliée à la galerie périphérique (5) et séparant la galerie périphérique (5) en deux secteurs angulaires symétriques par rapport audit canal de sortie (9) et chaque secteur angulaire formant un angle strictement inférieur à 180°, chaque secteur angulaire étant relié à un desdits deux collecteurs (7) de forme sensiblement semi-annulaires par les canaux radiaux (6), les deux collecteurs (7) étant reliés au canal de sortie (9) par les canaux transverses (8), la deuxième entrée/sortie du fluide caloporteur dans l’axe (11) de la tête de piston (11) étant reliée au canal de sortie (9). Piston selon la revendication 1, pour lequel les canaux radiaux (6), les canaux transverses (8), la galerie périphérique (5), les deux collecteurs (7) et/ou le canal de sortie (9) ont une section circulaire, rectangulaire, carrée, sensiblement triangulaire ou sensiblement en forme de goutte d’eau. Piston selon l’une des revendications précédentes pour lequel le système de régulation de la température comprend le fluide caloporteur, le fluide caloporteur étant de préférence liquide et de manière préférée, le fluide caloporteur étant l’huile du moteur à combustion interne. Piston selon l’une des revendications précédentes comprenant des patins de guidage (4), les patins de guidage (4) étant découplés de la tête de piston (1), les patins de guidage (4) formant des secteurs angulaires de guidage pour le guidage de la tête de piston dans un cylindre (20). Piston selon l’une des revendications précédentes, pour lequel les canaux radiaux (6) sont inclinés de la galerie périphérique (5) vers les collecteurs (7) en direction de la surface du piston (2) à refroidir ou à réchauffer. Piston selon l’une des revendications précédentes, pour lequel le système de régulation de la température comprend un interrupteur tout ou rien pour arrêter la circulation du fluide caloporteur ou mettre en circulation le fluide caloporteur dans le système de régulation de la température, l’interrupteur tout ou rien étant de préférence en amont de la première entrée/sortie du fluide caloporteur périphérique (10), dans le sens de circulation du fluide caloporteur. Piston selon l’une des revendications précédentes, pour lequel le système de régulation de la température comprend un actionneur apte à contrôler le débit de fluide caloporteur dans le système de régulation de la température, de préférence, l’actionneur étant positionné en amont de la première entrée/sortie du fluide caloporteur périphérique (10), dans le sens de circulation du fluide caloporteur. Piston selon l’une des revendications précédentes, pour lequel la première entrée/sortie du fluide caloporteur périphérique (10) constitue l’unique entrée de fluide caloporteur et pour lequel la deuxième entrée/sortie du fluide caloporteur dans l’axe (11) de la tête de piston (1) constitue l’unique sortie du fluide caloporteur. Piston selon l’une des revendications précédentes, pour lequel les deux collecteurs (7) ont un diamètre extérieur inférieur au diamètre intérieur de la galerie périphérique (5). Piston selon l’une des revendications précédentes, pour lequel la hauteur des canaux transverses (8) et/ou radiaux (6) est inférieure à celle de la galerie périphérique (5), des deux collecteurs (7) et/ou du canal de sortie (9). Piston selon la revendication 10, pour lequel, en position de fonctionnement vertical, les canaux radiaux (6) sont reliés aux deux collecteurs (7) et/ou à la galerie périphérique (5) de manière à générer une réserve de fluide caloporteur (25, 26, 27) dans les deux collecteurs (7) et/ou dans la galerie périphérique (5) sous l’effet de la gravité appliquée sur le fluide caloporteur. Piston selon l’une des revendications précédentes, pour lequel le piston est en acier, en aluminium, en titane ou leurs alliages. Moteur à combustion interne comprenant un piston selon l’une des revendications précédentes, le moteur à combustion interne étant un moteur de type essence, Diesel, à gaz naturel, ou à hydrogène.