FR2910936A1

FR2910936A1 - Piston de moteur a combustion interne muni d'une rampe en devers.

Info

Publication number: FR2910936A1
Application number: FR0752513A
Authority: FR
Inventors: Jean Bruno Zimmermann
Original assignee: Peugeot Citroen Automobiles SA
Current assignee: PSA Automobiles SA
Priority date: 2007-01-03
Filing date: 2007-01-03
Publication date: 2008-07-04

Abstract

L'invention se rapporte à un piston (1) pour moteur à combustion interne de véhicule automobile à injection indirecte de carburant, ledit piston (1) étant apte à coulisser de façon alternative dans un cylindre dudit moteur, et possédant une surface (3) circulaire destinée à délimiter partiellement, dans ledit cylindre, une chambre de combustion (12), ladite surface (3) possédant un relief conçu pour améliorer les conditions d'écoulement des gaz entrants dans ladite chambre (12)La principale caractéristique d'un piston selon l'invention est que ladite surface (3) comprend un organe déflecteur (8) et une rampe (5) annulaire et hélicoïdale.

Description

PISTON DE MOTEUR A COMBUSTION INTERNE MUNI D'UNE RAMPE EN DEVERS [0001] Le

domaine technique de l'invention concerne les pistons de moteur à combustion interne de véhicule automobile, dont la caractéristique principale est de posséder une géométrie particulière, spécialement conçue pour favoriser certains mouvements de gaz tourbillonnaires dans les chambres de combustion. Il faut rappeler qu'un moteur à combustion interne de véhicule automobile, possède plusieurs cylindres partiellement délimités par une culasse, et dans lesquels se déplacent, de façon alternative, des pistons. De cette manière, chaque piston ménage dans chaque cylindre un espace variable, dans lequel est injecté du carburant, initié en combustion au moyen d'une étincelle. Il se produit alors, dans cet espace, une réaction de combustion. Cet espace est communément appelé une chambre de combustion. Les chambres de combustion comportent au moins un conduit d'admission d'air et au moins un conduit d'évacuation des gaz d'échappement, l'ouverture ou la fermeture desdits conduits étant régulée par l'intermédiaire de soupapes. Plus spécifiquement, l'invention porte sur un piston dont la surface délimitant la chambre de combustion, est dotée d'un relief original, permettant de bien ordonnancer les flux gazeux à l'intérieur de ladite chambre, et d'optimiser l'effet swirl bien connu de l'homme du métier. Le procédé de combustion dans les moteurs à explosion utilisant du carburant injecté au préalable dans les conduits d'admission, correspondant à une injection indirecte, nécessite un écoulement aérodynamique dans la chambre de combustion afin :

- d'optimiser le mélange et l'homogénéisation de l'air avec le carburant dans la chambre avant l'allumage,

d'assurer une propagation rapide de la flamme partout dans la chambre de combustion en plissant le front de flamme et en brassant les gaz frais avec les gaz 30 brûlés, Le but étant d'obtenir : des émissions de polluants les plus réduites possibles une combustion homogène et rapide, qui est un gage de stabilité de combustion 5 un rendement global meilleur du moteur Le problème classique des moteurs à au moins deux soupapes d'admission, est que la symétrie d'admission d'air entre les différents conduits d'admission de la chambre, conduit 10 à la création d'un mouvement aérodynamique global, désordonné et sans mouvement de rotation prédominant autour de l'axe du cylindre. En effet, les flux gazeux issus des conduits des deux soupapes d'admission ont tendance à s'opposer dans la chambre de combustion. Ce type de mouvement présente le défaut de se conserver plus difficilement après le point mort haut compression qu'un mouvement aérodynamique rotatif de type 15 swirl. Le niveau aérodynamique résiduel global après le point mort haut est donc faible ce qui nuit au bon déroulement de la combustion. Les pistons possédant une surface spécifique pour améliorer les conditions d'écoulement gazeux dans une chambre de combustion existent et ont déjà fait l'objet de brevets. On peut, par exemple, citer le brevet FR 2 778 432, qui se rapporte à un moteur dans lequel les 20 pistons possèdent une surface particulière, dont le profil spécifique permet d'optimiser les conditions de combustion d'un mélange pauvre en injection directe. L'objectif visé avec de telles surfaces, est de provoquer une plus grande concentration de carburant à proximité de la bougie d'allumage, de manière à ce que l'étincelle puisse amorcer la combustion dans la totalité du cylindre. Toutefois, il n'est jamais mentionné dans ce brevet, que la surface 25 desdits pistons est utilisée pour améliorer les conditions de réalisation de l'effet swirl dans les chambres de combustion. [0002] Les pistons selon l'invention permettent, grâce à une surface optimisée, de créer les conditions de réalisation d'un effet de type swirl dans les chambres de combustion d'un moteur de véhicule automobile à injection indirecte, et ce, quel que soit le nombre de 30 conduits d'admission d'air dans lesdites chambres. En effet, le profil de ladite surface est prévu pour provoquer un mouvement de gaz tourbillonnaire et à sens unique, pour tous les flux d'air entrants par lesdits conduits d'admission, permettant d'initier une rotation globale de la masse d'air contrôlée et évitant à ces flux de se mélanger de façon aléatoire. 2 [0003] La présente invention a pour objet un piston de moteur à combustion interne de véhicule automobile à injection indirecte de carburant, ledit piston étant apte à coulisser de façon alternative dans un cylindre dudit moteur, et possédant une surface circulaire délimitant partiellement, dans ledit cylindre, une chambre de combustion, ladite surface possédant un relief conçu pour améliorer les conditions d'écoulement des gaz entrants dans ladite chambre. La principale caractéristique d'un piston selon l'invention est que ladite surface comprend un organe déflecteur et une rampe annulaire et hélicoïdale. Préférentiellement, l'organe déflecteur consiste en une butée saillante sur la surface du piston. Le fait que la pente soit hélicoïdale signifie qu'elle présente un dénivelé. [0004] Avantageusement, la rampe possède une pente progressive et continue reliant une zone inférieure à une zone supérieure, lesdites zones se distinguant l'une de l'autre par un brutal changement de pente, assimilable à une marche. [0005] De façon préférentielle, la rampe borde la surface du piston sur un tour complet. De cette manière, la rampe est en position périphérique autour du piston, en effectuant un tour complet autour de l'axe dudit piston, ladite rampe faisant apparaître une marche entre sa partie inférieure et sa partie supérieure, ladite marche constituant l'organe déflecteur. [0006] Avantageusement, la rampe présente sur sa longueur un sillon lui conférant un profil incurvé. De cette manière, la rampe peut être assimilée à une gorge creuse, et optimise ainsi sa fonction de guidage. [0007] De façon avantageuse, la surface du piston présente une partie concave et la rampe s'enroule autour de ladite partie. Autrement dit, la partie concave correspond à un évidement pratiqué au sein de la surface du piston, cet évidement pouvant préférentiellement posséder un fond plan. La rampe, quant à elle, entoure étroitement ladite partie concave. [0008] Préférentiellement, la partie concave peut être excentrée par rapport à l'axe du piston, et la rampe possède une largeur variable. La largeur de la rampe représente sa dimension selon une direction radiale par rapport à l'axe du piston. [0009] Avantageusement, la partie concave a un contour circulaire. Ce contour circulaire, qui est privilégié pour des facilités de fabrication, n'est pas limitatif et peut revêtir toute autre forme, pour répondre à des besoins spécifiques liés à un environnement particulier. [0010] L'invention porte également sur un moteur à combustion interne d'un véhicule automobile, comprenant une culasse, des soupapes, des moyens de pilotage desdites soupapes, des cylindres et des pistons aptes à coulisser de façon alternative dans lesdits cylindres, les pistons et les cylindres délimitant des chambres de combustion. La principale caractéristique de ce moteur est qu'il comprend des pistons conformes à ceux de ladite invention. De cette manière, l'organe déflecteur a pour objet de dévier les flux d'air entrants dans la chambre de combustion, pour les orienter vers la rampe, dont la pente ascensionnelle incurvée va leur imprimer un mouvement tourbillonnaire de type swirl . [0011] Avantageusement, le moteur comprend quatre soupapes par cylindre, deux soupapes d'admission et deux soupapes d'échappement, caractérisé en ce que le piston est positionné dans le cylindre, de sorte que la zone inférieure soit placée au droit d'une première soupape d'admission, l'organe déflecteur du piston tendant à dévier le flux de gaz issu du conduit dans lequel est placée ladite première soupape, selon une direction guidée par la géométrie ascensionnelle de la rampe. [0012] De façon préférentielle, les gaz déviés passent au droit de la deuxième soupape d'admission, de manière à ce que les gaz issus du conduit dans lequel est logée ladite deuxième soupape, et lesdits gaz déviés soient entraînés selon une direction guidée par la géométrie ascensionnelle de la rampe. De cette manière, les flux d'air entrants issus des deux conduits d'admission, vont être animés de mouvements tourbillonnaires ayant le même sens, évitant ainsi de les faire se rencontrer. [0013] De façon avantageuse, la culasse possède une protubérance faisant saillie dans la chambre de combustion, en bordant la première soupape d'admission, ladite protubérance étant positionnée de manière à jouer le rôle d'un second déflecteur pour renforcer le phénomène de déviation des gaz. En effet, les flux d'air entrants vont à la fois être confrontés à un organe déflecteur mobile, qui va osciller à la fréquence du piston, et un déflecteur fixe, solidaire de la culasse. [0014] Préférentiellement, les moyens de pilotage des soupapes sont programmés pour assurer une ouverture décalée des deux soupapes d'admission, la deuxième soupape étant ouverte avant la première soupape. [0015] De façon avantageuse, le décalage des ouvertures des deux soupapes d'admission 5 correspond à un écart de degré vilebrequin suffisant pour initier le mouvement de rotation de la masse d'air, mais pas trop grand pour ne pas nuire au remplissage en air du cylindre. [0016] Les pistons selon l'invention ont l'avantage de présenter un spectre de fonctions élargi, tout en demeurant d'un encombrement constant, par une simple modification de leur surface. Puisque les aménagements structurels apportés auxdits pistons sont réalisés 10 dans leur masse, lors de leur fabrication, ils sont indéformables, et présentent l'avantage d'être fiables et reproductibles au niveau des effets qu'ils engendrent.

7] On donne ci-après une description détaillée d'un mode de réalisation préféré d'une structure de montage selon l'invention en se référant aux figures 1 à 5.

- La figure 1 est une vue en perspective partielle d'un cylindre selon 15 l'invention

- La figure 2 est une vue du dessus d'un cylindre selon l'invention.

- La figure 3 est une vue partielle en coupe longitudinale d'un moteur selon l'invention, montrant une chambre de combustion notamment les mouvements des flux d'air entrants.

20 - La figure 4 est un diagramme illustrant une stratégie d'ouverture décalée de deux soupapes d'admission.

- La figure 5 montre les flux d'air entrants avec une stratégie d'ouverture des soupapes décalée.

8] En se référant aux figures 1 et 2, un piston 1 selon l'invention possède un corps 25 cylindrique 2 dont une extrémité se termine par une face 3 circulaire, accidentée et à trois niveaux. En effet, ladite face 3 présente une partie concave 4, légèrement excentrée par rapport à l'axe du piston 1, ladite partie se traduisant par un évidement cylindrique de section constante et dont le fond est plat. Il s'agit du premier niveau de la face 3. Cette partie concave 4 est entourée par une rampe 5 annulaire et hélicoïdale, faisant un tour complet autour de l'axe du piston 1. La rampe 5 est en position périphérique et reste inscrite radialement dans le piston 1. Elle possède une pente progressive et continue, reliant une zone inférieure 6 à une zone supérieure 7, lesdites zones 6,7 étant séparées par une marche 8 incurvée. La zone inférieure représentant le deuxième niveau et la zone supérieure représentant le troisième niveau. Puisque la partie concave 4 est excentrée, la largeur de la rampe 5, qui est sa dimension prise suivant un axe radiale du piston 1, est variable.

9] En se référant à la figure 3, un moteur 10 selon l'invention comprend des pistons 1 aptes à coulisser de manière alternative dans des cylindres, et une culasse 11, lesdits cylindres, lesdits pistons 1 et la culasse 11 formant des chambres 12 de combustion.

Chaque chambre 12 de combustion comprend deux conduits 13 d'admission d'air munis chacun d'une soupape 14,15 d'admission, et deux conduits 16 d'échappement munis chacun d'une soupape 17,18 d'échappement, lesdites soupapes 14,15,17,18 étant dotées de moyens de pilotage pour les ouvrir ou les fermer suivant une stratégie prédéfinie. Chaque chambre 12 comprend également des moyens d'allumage 19 permettant d'initier la combustion du mélange air-carburant. L'injection de carburant étant indirecte, elle a lieu en amont de ladite chambre 12, dans les conduits d'admission 13. Chaque piston 1 est placé dans un cylindre, de sorte que la zone inférieure 6 de la surface 3 du piston 1 se retrouve au droit d'une première 14 soupape d'admission, la marche incurvée 8 s'alignant sur une partie du contour circulaire du conduit d'admission 13 dans lequel est positionnée ladite première soupape 14. De cette manière, la marche 8 borde ledit conduit 13 d'admission et joue le rôle d'un organe déflecteur pour le flux d'air issu du conduit 13 dans lequel est placée ladite première soupape 14. Autrement dit, ladite marche 8 a une fonction de masquage, pour empêcher les gaz de se répandre dans certains secteurs de la chambre 12, et donc, forcer lesdits gaz à emprunter un passage présentant le moins d'obstacle possible. La deuxième soupape d'admission 15 est positionnée à coté de la première soupape d'admission 13 en étant plus éloignée de la marche que ne l'est cette première soupape 13. En se référant à la figure 3 en partie inférieure, montrant notamment une vue du dessus du piston 1 ainsi que les positions respectives des soupapes d'admission 14,15 et d'échappement 17,18, les gaz issus du conduit 13 dans lequel est placée ladite deuxième soupape 15 d'admission vont également bénéficier de la marche 8 associée à la rampe 5 ascensionnelle. De cette manière, les gaz issus des deux conduits d'admission 13 vont être influencés par le relief de la surface 3 du piston 1, et vont donc amorcer un mouvement tourbillonnaire dans le même sens autour de l'axe verticale du cylindre, sans possibilité réelle de se mélanger et de s'opposer.. La partie concave 4 de la surface 3 du piston 1, va accentuer et entretenir sur une plus longue période, ce mouvement tourbillonnaire. L'effet de masquage de la marche 8 du piston 1, peut être accentué par l'implantation d'une protubérance 20 dans la culasse 11, faisant saillie dans la chambre de combustion 12. Cette protubérance 20 peut venir en complément de la marche 8 pour accroître l'étendue du masque autour du conduit d'admission dans lequel est positionnée la première soupape 14, ou simplement venir au droit de ladite marche 8 pour augmenter son effet. La hauteur de la marche 8 est à adapter à la forme globale de la chambre de combustion 12, en fonction de : La hauteur de ladite chambre 12, la marche 8 ne devant pas entrer en contact avec la culasse De la quantité de gaz que l'on souhaite dévier, afin d'arriver à un compromis satisfaisant entre la perméabilité d'écoulement et le niveau aérodynamique souhaité De la ou des levées d'admission propres au moteur équipé dudit principe.

0] En se référant à la figure 4, le mouvement aérodynamique tourbillonnaire des gaz d'admission, peut, au préalable avoir été amorcé par une stratégie d'ouverture décalée des deux soupapes d'admission 14,15, la deuxième soupape 15 étant ouverte un peu avant la première soupape 14. Sur le diagramme de la figure 4, la courbe désignée par la référence 21, correspond à l'ouverture simultanée des deux soupapes d'échappement 17,18, la courbe portant la référence 22 correspond à l'ouverture de la deuxième soupape d'admission 15, et enfin, la courbe portant la référence 23 correspond à l'ouverture de la première soupape d'admission 14. [0021] En effet, en se référant à la figure 5, la grande majorité des gaz issus du conduit d'admission 13 dans lequel est placée ladite deuxième soupape 15, a une tendance naturelle a suivre le chemin de la rampe ascensionnelle 5, puisque l'arrivée dudit conduit 13 est excentrée par rapport à l'axe du piston 1. Ainsi, lorsque la première soupape d'admission 14 se lève juste après ladite deuxième soupape 15, les gaz issus du conduit 13 dans lequel est placé ladite première soupape 14 vont également emprunter le chemin de la rampe 5, aidée en cela, par la marche 8 du piston 1, et éventuellement la protubérance 20 de la culasse 11.

Claims

REVENDICATIONS

1. Piston (1) de moteur à combustion interne de véhicule automobile à injection indirecte de carburant, ledit piston (1) étant apte à coulisser de façon alternative dans un cylindre dudit moteur, et possédant une surface (3) circulaire délimitant partiellement, dans ledit cylindre, une chambre de combustion (12), ladite surface (3) possédant un relief conçu pour améliorer les conditions d'écoulement des gaz entrants dans ladite chambre (12), caractérisé en ce que ladite surface (3) comprend un organe déflecteur (8) et une rampe (5) annulaire et hélicoïdale.

2. Piston selon la revendication 1, caractérisé en ce que la rampe (5) possède une pente progressive et continue reliant une zone inférieure (6) à une zone supérieure (7), lesdites zones (6,7) se distinguant l'une de l'autre par un brutal changement de pente, assimilable à une marche.

3. Piston selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la rampe (5) borde la surface (3) du piston (1) sur un tour complet.

4. Piston selon la revendication 3, caractérisé en ce que la rampe (5) présente sur sa longueur un sillon, lui conférant un profil incurvé.

5. Piston selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la surface (3) présente une partie concave (4), et la rampe (5) s'enroule autour de ladite partie (4).

6. Piston selon la revendication 5, caractérisé en ce que la partie concave (4) est excentrée par rapport à l'axe du piston (1), et en ce que la rampe (5) possède une largeur variable.

7. Piston selon l'une quelconque des revendications 5 ou 6, caractérisé en ce que la partie concave (4) a un contour circulaire.

8. Moteur à combustion interne d'un véhicule automobile, comprenant une culasse (11), des soupapes (14,15,17,18), des moyens de pilotage desdites soupapes (14,15,17,18), des cylindres et des pistons (1) aptes à coulisser de façon alternativedans lesdits cylindres, les pistons (1) et les cylindres délimitant des chambres de combustion (12), caractérisé en ce qu'il comprend des pistons(1) conformes à l'une quelconque des revendications précédentes.

9. Moteur selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comprend quatre soupapes (14,15,17,18) par cylindre, deux soupapes d'admission (14,15) et deux soupapes d'échappement (17,18), caractérisé en ce que le piston (1) est positionné dans le cylindre, de sorte que la zone inférieure (6) soit placée au droit d'une première soupape d'admission (14), l'organe déflecteur (8) du piston (1) tendant à dévier le flux de gaz issu du conduit (13) dans lequel est placée ladite première soupape (14), selon une direction guidée par la géométrie ascensionnelle de la rampe (5).

10. Moteur selon la revendication 9, caractérisé en ce que les gaz déviés passent au droit de la deuxième soupape d'admission (15), de manière à ce que les gaz issus du conduit (13) dans lequel est logée ladite deuxième soupape (15), et lesdits gaz déviés soient entraînés selon une direction guidée par la géométrie ascensionnelle de la rampe (5).

11. Moteur selon la revendication 9, caractérisé en ce que la culasse (11) possède une protubérance (8) faisant saillie dans la chambre de combustion (12), en bordant la première soupape d'admission (14), ladite protubérance (8) étant positionnée de manière à jouer le rôle d'un second déflecteur pour renforcer le phénomène de déviation des gaz.

12. Moteur selon l'une quelconque des revendications 8 à 11, caractérisé en ce que les moyens de pilotage des soupapes (14,15,17,18) sont programmés pour assurer une ouverture décalée des deux soupapes d'admission (14,15), la deuxième soupape (15) étant ouverte avant la première soupape (14).25