FR3016925A1 - Toit de piston a cavite non circulaire - Google Patents

Abstract

Un toit de piston (10) pour moteur thermique à combustion interne, comprend une face supérieure (11) destinée à être tournée vers une culasse (12) aménagée en partie supérieure d'une chambre de combustion (13) délimitée dans sa partie inférieure par ledit toit de piston (10), ladite face supérieure (11) comprenant une cavité (14). Ladite cavité (14) présente une forme telle qu'en tout point de la profondeur (H) de la cavité (14), la cavité (14) présente, dans un plan de coupe (P) perpendiculaire à la direction de coulissement (D) du piston (15) équipé dudit toit de piston (10) par rapport au cylindre du moteur, une section ayant un contour de forme non circulaire. Il est aussi décrit un moteur à combustion interne.

Description

Toit de piston à cavité non circulaire Domaine technique de l'invention L'invention concerne un toit de piston pour moteur thermique à combustion interne, comprenant une face supérieure destinée à être tournée vers une culasse aménagée en partie supérieure d'une chambre de combustion délimitée dans sa partie inférieure par ledit toit de piston, ladite face supérieure comprenant une cavité. L'invention a pour objet également un moteur thermique à combustion interne de type équicourant. État de la technique Dans le domaine automobile, le cahier des charges associé à la motorisation prévoit autant que possible une faible consommation et des 20 performances en cohérence avec le cahier des charges. Une technologie connue est relative au moteur thermique à combustion interne fonctionnant sous la technologie dite « équicourant » ou « uniflow » en terminologie anglo-saxonne, ledit moteur comprenant des 25 soupapes au niveau de la culasse par lesquelles les gaz brûlés de la chambre de combustion peuvent s'échapper. Ainsi, lorsque les lumières d'admission situées en bas du cylindre s'ouvrent, les gaz d'admission viennent pousser les gaz brûlés pour les évacuer au travers des soupapes. L'écoulement de ces deux natures de gaz devient 30 tourbillonnaire, ce qui correspond à un fonctionnement connu sous la dénomination « swirl ». Lorsque le piston remonte, il ferme progressivement les lumières d'admission. L'échappement se ferme également. L'injection de carburant démarre dans cette fenêtre de temps. Le mélange injecté vient toucher le toit de piston.

La manière dont le mélange entre le carburant et les gaz d'admission se répartit dans la chambre de combustion est dépendante de la forme du toit de piston. Pour tenter de répartir au mieux le mélange, une solution connue actuellement prévoit que le toit de piston présente une cavité en forme de cylindre ayant une section de coupe en forme de cercle. Une autre solution est décrite dans le document, prévoyant une cavité de forme sphérique.

En dépit de l'amélioration qu'une telle cavité induit, la qualité de la répartition au sein de la chambre de combustion du mélange formé entre le carburant et les gaz d'admission est peu satisfaisante. Il existe notamment des zones en périphérie de la cavité où la richesse est faible, connues sous le nom de zones de chasses, en raison d'une quantité localement très faible de carburant dans ces zones. Ces zones sont importantes pour le déploiement de la flamme lors de la descente du piston. En effet, lors de la compression et de la montée du piston, peu de gaz sont formés entre lesdites zones et la culasse entrainant une dépression. Puis lors de l'allumage et ensuite de la descente du piston, la flamme formée depuis l'extrémité de la bougie dans la cavité en regard de ladite extrémité de bougie est aspirée avec de grandes vitesses vers lesdites zones de chasse entrainant un déploiement de la flamme optimisé jusqu'au contact des bords de la paroi de la chambre. Une contrainte supplémentaire dans la conception du toit de piston est donc la nécessité de respecter autant que possible les zones de chasse pour un fonctionnement optimisé du moteur. Bien que ces problématiques soient particulièrement marquées pour le cas particulier du moteur de type équicourant, elles sont susceptibles de toucher tout type de moteur thermique à combustion interne. Objet de l'invention Le but de la présente invention est de proposer un toit de piston qui remédie aux inconvénients listés ci-dessus, notamment dans le cas non limitatif mais particulièrement visé d'un moteur thermique à combustion interne de type équicourant.

Notamment, un objet de l'invention est de fournir un tel toit de piston qui permet à la fois d'améliorer la répartition de carburant et la création de volume de mélange carburé autour de la bougie notamment lorsque le piston est en position haute, tout en respectant les contraintes de chasses et d'implantation de la bougie d'allumage.

Ces objets peuvent être atteints par l'intermédiaire d'un toit de piston pour moteur thermique à combustion interne, comprenant une face supérieure destinée à être tournée vers une culasse aménagée en partie supérieure d'une chambre de combustion délimitée dans sa partie inférieure par ledit toit de piston, ladite face supérieure comprenant une cavité qui présente une forme telle qu'en tout point de la profondeur de la cavité, la cavité présente, dans un plan de coupe perpendiculaire à la direction de coulissement du piston équipé dudit toit de piston par rapport au cylindre du moteur, une section ayant un contour de forme non circulaire.

De préférence, la forme de la section comprend un évasement. Sur tout ou partie du contour de forme non circulaire, la forme adoptée par la section peut être une forme prismatique à base trapézoïdale dont les segments rectilignes sont raccordés deux à deux par des congés de raccordement courbes. Le rayon desdits congés de raccordement est compris de préférence entre 1 et 10 mm.

Le fond de la cavité peut être globalement plan et orienté spatialement de sorte à former un angle compris entre 0 et 30° avec le plan perpendiculaire à la direction de coulissement du piston, la zone du fond présentant la plus grande profondeur pour la cavité correspondant à une zone destinée à coïncider avec une bougie d'allumage. La zone destinée à coïncider avec la bougie d'allumage peut être située le long de la petite base du trapèze.

En allant de la partie complémentaire de la surface supérieure du toit de piston située en dehors de la cavité vers le fond de la cavité, les bords latéraux de la cavité peuvent présenter une forme évasée suivant la direction de coulissement du piston s'évasant progressivement en s'approchant de la culasse, et les rayons de raccordement entre lesdits bords latéraux de la cavité et d'une part ledit fond de la cavité et d'autre part ladite partie complémentaire présentent une valeur comprise entre 10 et 100 mm. Sur tout ou partie du contour de forme non circulaire, la forme adoptée par la section peut alternativement être une forme elliptique.

La cavité peut être conformée spatialement de manière que dans un plan de coupe incluant la direction de coulissement du piston, la cavité présente une section ayant un contour ayant la forme d'un arc elliptique correspondant à une partie d'une ellipse dont le grand axe est parallèle au plan général de la partie complémentaire de la surface supérieure du toit de piston située en dehors de la cavité et situé au-dessus, la distance séparant ledit grand axe et ledit plan général étant compris entre 0 et 40 MM.

Sur une partie de son contour, la section de la cavité vue dans tout plan de coupe perpendiculaire à la direction de coulissement du piston peut présenter une cavité dirigée vers l'extérieur de la cavité, de sorte que la cavité présente, sur un secteur angulaire donné compté autour d'un axe coïncidant avec ladite direction de coulissement, un creux périphérique constitutif de la zone destinée à coïncider avec la bougie d'allumage. La cavité peut comprendre des rayons de raccordement entre les parois dudit creux périphérique et le reste de la cavité, notamment le fond et les bords latéraux de la cavité, présentent une valeur comprise entre 1 et 10 20 mm. Un moteur thermique à combustion interne, peut comprendre un bloc moteur délimitant au moins un cylindre à l'intérieur duquel coulisse un piston muni d'un tel toit de piston, une culasse rapportée sur le bloc 25 moteur de manière que la face supérieure du toit de piston tournée vers la culasse et la culasse elle-même délimitent respectivement les parties inférieure et supérieure d'une chambre de combustion. De préférence, le moteur thermique comprend : 30 - des lumières permettant l'admission des gaz d'admission, ménagées à proximité de la partie inférieure de la chambre de combustion d'une manière telle que lesdites lumières ne sont découvertes par le piston qu'à proximité du point mort bas du piston, - au moins une ouverture d'échappement des gaz de combustion délimitée au niveau de la partie supérieure de la chambre de combustion, 5 notamment au niveau de culasse, et équipée d'un système de soupape, - une bougie d'allumage maintenue au niveau de la partie supérieure de la chambre de combustion, - l'ensemble étant organisé d'une manière telle que sous l'effet du déplacement du toit de piston dans le sens allant vers la culasse depuis 10 le point mort bas du piston, ce sont les gaz d'admission admis à travers lesdites lumières qui poussent les gaz d'échappement résultant de l'explosion précédente ayant précédemment provoqué le déplacement du piston vers son point mort bas, formant un moteur thermique à combustion interne de type équicourant. 15 Description sommaire des dessins D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de la description qui va suivre de modes particuliers de réalisation de 20 l'invention donnés à titre d'exemples non limitatifs et représentés sur les dessins annexés, dans lesquels : - les figures 1 à 6 représentent un premier mode de réalisation d'un toit de piston selon l'invention, - et les figures 7 à 12 représentent un deuxième mode de réalisation 25 d'un toit de piston selon l'invention. Description de modes préférentiels de l'invention L'invention va être décrite ci-dessous en référence aux figures 1 à 12. 30 Plus précisément, les figures 1 à 6 représentent un premier mode de réalisation d'un toit de piston selon l'invention, tandis que les figures 7 à 12 représentent un deuxième mode de réalisation d'un toit de piston selon l'invention. Ainsi, les figures 1 à 12 illustrent un toit de piston 10 pour moteur thermique à combustion interne, comprenant une face supérieure 11 destinée à être tournée vers une culasse 12 aménagée en partie supérieure d'une chambre de combustion 13 délimitée dans sa partie inférieure par ledit toit de piston 10, ladite face supérieure 11 comprenant une cavité 14.

Les premier et deuxième modes de réalisation sont liés entre eux par le même concept qui permet de répondre aux objets pré-listés, à savoir que ladite cavité 14 présente une forme telle qu'en tout point de la profondeur H de la cavité 14, la cavité 14 présente, dans un plan de coupe P perpendiculaire à la direction de coulissement D du piston 15 équipé dudit toit de piston 10 par rapport au cylindre du moteur, une section ayant un contour présentant une forme avantageusement non circulaire. De préférence, la forme de la section comprend un évasement.

Plus précisément, selon le premier mode de réalisation associé aux figures 1 à 6, sur tout ou partie du contour de forme non circulaire, la forme adoptée par la section est une forme prismatique à base trapézoïdale dont les segments rectilignes sont raccordés deux à deux par des congés de raccordement R1 courbes. La figure 1 illustre en vue de dessus, en traits pointillés, la forme prismatique à base trapézoïdale. Par contre, selon le deuxième mode de réalisation associé aux figures 7 à 12, sur tout ou partie du contour de forme non circulaire, la forme adoptée par la section est une forme elliptique. La figure 7 illustre en vue de dessus, en traits pointillés, la forme elliptique. Elle montre également que la position angulaire occupée par la forme elliptique autour de la direction de coulissement D peut varier d'une valeur positive ou négative égale en valeur absolue à a, de l'ordre de 30 degrés. La forme elliptique, qui est donc une ellipse de base, comprend un grand 5 axe et un petit axe. Dans le cas où la culasse 12 comprend deux soupapes décalées entre elles dans un plan parallèle au plan P, alors le grand axe de l'ellipse sera avantageusement aligné avec la direction de décalage des soupapes 16 entre elles, à l'angle a près, l'objet de cette forme elliptique présentant le grand axe est de guider et de mélanger le 10 mélange carburé. Par « cavité », il convient de comprendre de préférence qu'il s'agit d'une partie curviligne concave qui s'étend vers l'intérieur du toit de piston 10, dans un sens opposé à celui allant du toit de piston 10 vers la culasse 12 15 de la chambre de combustion 13, jusqu'à une certaine profondeur H. Le terme « circulaire » s'interprète comme signifiant « cercle parfait » défini mathématiquement par une courbe ayant un rayon constant autour d'un point fixe défini. 20 Un effet de cette section non circulaire est de permettre d'adapter justement la forme du contour de la section de la cavité 14 d'une manière permettant d'améliorer le mélange et son uniformité entre les gaz d'admission et le carburant 17, avec également comme conséquence 25 une meilleure uniformité de la charge sur le piston 15. Le rayon desdits congés de raccordement R1 est notamment choisi de sorte à être assez grand, de préférence compris entre 1 et 10 mm, afin répondre aux problématiques précitées. 30 De préférence dans le premier mode de réalisation, le fond 18 de la cavité 14 est globalement plan et orienté spatialement de sorte à former un angle 13 compris entre 0 et 30° avec le plan P perpendiculaire à la direction de coulissement D du piston 15, la zone du fond 18 présentant la plus grande profondeur pour la cavité 14 correspondant à la zone Z destinée à coïncider avec une bougie d'allumage. Les éléments de positionnement de la bougie sont illustrés sous la référence 19. Comme illustré sur les figures, dans le premier mode de réalisation, la zone Z destinée à coïncider avec la bougie d'allumage est située le long de la petite base 20 du trapèze. Dans le premier mode de réalisation toujours, en allant de la partie complémentaire 21 de la surface supérieure 11 du toit de piston 10 située en dehors de la cavité 14 vers le fond 18 de la cavité 14, les bords latéraux 22 de la cavité 14 présentent une forme évasée suivant la direction de coulissement D du piston 15 s'évasant progressivement en s'approchant de la culasse 12. Les rayons de raccordement R2 entre lesdits bords latéraux 22 de la cavité 14 et d'une part ledit fond 18 de la cavité 14 et d'autre part ladite partie complémentaire 21 présentent une valeur comprise entre 10 et 100 mm donc grands par rapport aux rayons de raccordement R1. Ce rayon de raccordement R2 permet de régler le moteur notamment lorsque le piston est en haut de la chambre, le volume entre le piston et la culasse étant le volume mort.

Dans le premier mode de réalisation, il est donc avantageux de varier les valeurs de R1 et R2, les angles du trapèze de base, et l'angle 13 d'inclinaison (négative ou positive) du fond 18, la profondeur H.

Maintenant dans le deuxième mode de réalisation et notamment en référence à la figure 17, la cavité 14 est conformée spatialement de manière que dans un plan de coupe incluant la direction de coulissement D du piston 15, la cavité 14 présente une section ayant un contour ayant la forme d'un arc elliptique correspondant à une partie d'une ellipse 23 dont le grand axe 24 est parallèle au plan général de la partie complémentaire 21 de la surface supérieure du toit de piston 10 située en dehors de la cavité 14 et situé au-dessus, la distance 0 séparant ledit grand axe 24 et ledit plan général étant compris entre 0 et 40 mm. Dans le deuxième mode de réalisation, sur une partie de son contour, la section de la cavité 14 vue dans tout plan de coupe P perpendiculaire à la direction de coulissement D du piston 15 présente une cavité 25 dirigée vers l'extérieur de la cavité 14, de sorte que la cavité 15 présente, sur un secteur angulaire donné compté autour d'un axe coïncidant avec ladite direction de coulissement D, un creux périphérique constitutif de la zone Z destinée à coïncider avec la bougie d'allumage. La cavité 14 comprend de préférence des rayons de raccordement R3 entre les parois dudit creux périphérique formé par la cavité 25 et le reste de la cavité 14, notamment le fond 18 et les bords latéraux 22 de la cavité 14, présentent une valeur comprise entre 1 et 10 mm. Dans le deuxième mode de réalisation, il est donc avantageux de varier les valeurs de R3, les dimensions de l'ellipse de base suivant les grand et petit axes, et l'angle a, la valeur 0, la forme de l'ellipse 23, la profondeur H, la forme de la cavité 25. Lorsque le piston arrive en position haute dans la chambre, il reste un volume compris entre le toit de piston et la culasse, connu sous le nom de volume mort, qui permet le réglage du moteur. La valeur de 0 est de manière préférentielle modifiée pour permettre ce réglage. 3016 92 5 11 De manière non illustrée, un moteur thermique à combustion interne, comprendra un bloc moteur délimitant au moins un cylindre à l'intérieur duquel coulisse un piston 15 muni d'un toit de piston 10 tel que décrit précédemment, une culasse 12 rapportée sur le bloc moteur de manière 5 que la face supérieure 11 du toit de piston 10 tournée vers la culasse 12 et la culasse 12 elle-même délimitent respectivement les parties inférieure et supérieure d'une chambre de combustion 13. Le moteur thermique comprendra de préférence : 10 - des lumières permettant l'admission des gaz d'admission, ménagées à proximité de la partie inférieure de la chambre de combustion 13 d'une manière telle que lesdites lumières ne sont découvertes par le piston 15 qu'à proximité du point mort bas du piston 15, 15 - au moins une ouverture d'échappement (obturée par ladite au moins soupape) des gaz de combustion délimitée au niveau de la partie supérieure de la chambre de combustion 13, notamment au niveau de culasse 12, et équipée du système de soupape 16, - une bougie d'allumage maintenue au niveau de la partie 20 supérieure de la chambre de combustion 13, au niveau des éléments 19, - l'ensemble étant organisé d'une manière telle que, sous l'effet du déplacement du toit de piston 10 dans le sens allant vers la culasse 12 depuis le point mort bas du piston, ce sont les gaz d'admission admis à travers lesdites lumières qui poussent les gaz d'échappement résultant 25 de l'explosion précédente ayant précédemment provoqué le déplacement du piston 15 vers son point mort bas, formant un moteur thermique à combustion interne à deux temps de type équicourant. L'admission des gaz se pratique par des lumières ménagées dans le bas 30 de la chambre de combustion 13, dans le cylindre du bloc moteur. Elles sont découvertes par le piston 15 uniquement à proximité du point mort bas du piston. En dehors de cette position du piston 15 vers le point mort bas, les parois latérales du piston 15 obturent ces lumières et bloquent l'admission.

Que ce soit dans les premier et deuxième modes de réalisation, la forme du trapèze de base et son positionnement par rapport à la direction de coulissement D et la forme de l'ellipse de base et son positionnement par rapport à la direction de coulissement D, sont adaptés de sorte que sous l'effet du déplacement du toit de piston 10 dans le sens allant vers la culasse 12 depuis le point mort bas du piston, les gaz d'admission et les gaz d'échappement poussés s'écoulent de manière tourbillonnaire autour de la direction D à la manière d'un mouvement « swirl ». L'écoulement du mélange carburé est plus précisément symbolisé par des flèches sur les figures 6 et 12. Il est vu que l'écoulement se pratique aisément vers une très grande majorité de la partie complémentaire 21 de la face supérieure 11 du toit de piston 10 située en dehors de la cavité 14. La solution décrite dans ce document permet aussi de réduire les zones de faible richesse du mélange gaz d'admission-carburant (repérées 26 sur les figures 2 et 8), tout en gardant au maximum les chasses et le dégagement de la bougie, importants pour la combustion.

Claims (13)

1. REVENDICATIONS1. Toit de piston (10) pour moteur thermique à combustion interne, comprenant une face supérieure (11) destinée à être tournée vers une culasse (12) aménagée en partie supérieure d'une chambre de combustion (13) délimitée dans sa partie inférieure par ledit toit de piston (10), ladite face supérieure (11) comprenant une cavité (14) caractérisé en ce que ladite cavité (14) présente une forme telle qu'en tout point de la profondeur (H) de la cavité (14), la cavité (14) présente, dans un plan de coupe (P) perpendiculaire à la direction de coulissement (D) du piston (15) équipé dudit toit de piston (10) par rapport au cylindre du moteur, une section ayant un contour de forme non circulaire.
2. 2. Toit de piston selon la revendication 1, caractérisé en ce que la forme de la section comprend un évasement.
3. 3. Toit de piston (10) selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que sur tout ou partie du contour de forme non circulaire, la forme adoptée par la section est une forme prismatique à base trapézoïdale dont les segments rectilignes sont raccordés deux à deux par des congés de raccordement (R1) courbes.
4. 4. Toit de piston (10) selon la revendication 3, caractérisé en ce que le rayon desdits congés de raccordement (R1) est compris entre 1 et 10 mm.
5. 5. Toit de piston (10) selon l'une des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce que le fond (18) de la cavité (14) est globalement plan et orienté spatialement de sorte à former un angle (13) compris entre 0 et30° avec le plan (P) perpendiculaire à la direction de coulissement (D) du piston (15), la zone du fond (18) présentant la plus grande profondeur pour la cavité (14) correspondant à une zone (Z) destinée à coïncider avec une bougie d'allumage.
6. 6. Toit de piston (10) selon la revendication 5, caractérisé en ce que la zone (Z) destinée à coïncider avec la bougie d'allumage est située le long de la petite base (20) du trapèze.
7. 7. Toit de piston (10) selon l'une quelconque des revendications 3 à 6, caractérisé en ce qu'en allant de la partie complémentaire (21) de la surface supérieure (11) du toit de piston (10) située en dehors de la cavité (14) vers le fond (18) de la cavité (14), les bords latéraux (22) de la cavité (14) présentent une forme évasée suivant la direction de coulissement (D) du piston (15) s'évasant progressivement en s'approchant de la culasse (12), et en ce que les rayons de raccordement (R2) entre lesdits bords latéraux (22) de la cavité (14) et d'une part ledit fond (8) de la cavité (14) et d'autre part ladite partie complémentaire (21) présentent une valeur comprise entre 10 et 100 mm.
8. 8. Toit de piston (10) selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que sur tout ou partie du contour de forme non circulaire, la forme adoptée par la section est une forme elliptique.
9. 9. Toit de piston (10) selon la revendication 8, caractérisé en ce que la cavité (14) est conformée spatialement de manière que dans un plan de coupe incluant la direction de coulissement (D) du piston (15), la cavité (14) présente une section ayant un contour ayant la forme d'un arc elliptique correspondant à une partie d'une ellipse (23) dont le grand axe (24) est parallèle au plan général de la partie complémentaire (21) de lasurface supérieure (11) du toit de piston (10) située en dehors de la cavité (14) et situé au-dessus, la distance (0) séparant ledit grand axe (24) et ledit plan général étant compris entre 0 et 40 mm.
10. 10. Toit de piston (10) selon l'une quelconque des revendications 8 ou 9, caractérisé en ce que sur une partie de son contour, la section de la cavité (14) vue dans tout plan de coupe (P) perpendiculaire à la direction de coulissement (D) du piston (15) présente une cavité (25) dirigée vers l'extérieur de la cavité (14), de sorte que la cavité (14) présente, sur un secteur angulaire donné compté autour d'un axe coïncidant avec ladite direction de coulissement (D), un creux périphérique constitutif de la zone (Z) destinée à coïncider avec la bougie d'allumage.
11. 11. Toit de piston (10) selon la revendication10, caractérisé en ce que la cavité (14) comprend des rayons de raccordement (R3) entre les parois dudit creux périphérique et le reste de la cavité (14), notamment le fond (18) et les bords latéraux (22) de la cavité (14), présentent une valeur comprise entre 1 et 10 mm.
12. 12. Moteur thermique à combustion interne, comprenant un bloc moteur délimitant au moins un cylindre à l'intérieur duquel coulisse un piston (15) muni d'un toit de piston (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, une culasse (12) rapportée sur le bloc moteur de manière que la face supérieure (11) du toit de piston (10) tournée vers la culasse (12) et la culasse (12) elle-même délimitent respectivement les parties inférieure et supérieure d'une chambre de combustion (13).
13. 13. Moteur thermique selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'il comprend :- des lumières permettant l'admission des gaz d'admission, ménagées à proximité de la partie inférieure de la chambre de combustion (13) d'une manière telle que lesdites lumières ne sont découvertes par le piston (15) qu'à proximité du point mort bas du piston (15), - au moins une ouverture d'échappement des gaz de combustion délimitée au niveau de la partie supérieure de la chambre de combustion (13), notamment au niveau de culasse, et équipée d'un système de soupape (16), - une bougie d'allumage maintenue au niveau de la partie supérieure de la chambre de combustion (13), - l'ensemble étant organisé d'une manière telle que, sous l'effet du déplacement du toit de piston (10) dans le sens allant vers la culasse (12) depuis le point mort bas du piston (15), ce sont les gaz d'admission admis à travers lesdites lumières qui poussent les gaz d'échappement résultant de l'explosion précédente ayant précédemment provoqué le déplacement du piston (15) vers son point mort bas, formant un moteur thermique à combustion interne de type équicourant.