FR3055388A1 - Ensemble piston bielle rotulee avec bol a formes creant une rotation du piston - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un ensemble comprenant une bielle et un piston destiné à être mobile dans un cylindre en étant articulé par une liaison rotule entre des volumes sphériques du piston et de la bielle porté par un pied de bielle introduit dans le piston, un corps longiforme de la bielle, portant le volume sphérique à une de ses extrémités, étant traversé par un canal d'huile de lubrification débouchant à une portion du volume sphérique de la bielle la plus interne au piston. Le piston présente une tête dont la face opposée à la bielle comporte un bol (10) formant une cavité creuse, le bol (10) étant destiné à être exposé à des tourbillons d'air et présentant des formes configurées pour mettre en rotation le piston quand soumis aux tourbillons d'air.

Description

Titulaire(s) : PEUGEOT CITROEN AUTOMOBILES SA Société anonyme.

Demande(s) d’extension

Mandataire(s) : PEUGEOT CITROEN AUTOMOBILES SA Société anonyme.

164/ ENSEMBLE PISTON BIELLE ROTULEE AVEC BOL A FORMES CREANT UNE ROTATION DU PISTON.

FR 3 055 388 - A1

16/) L'invention concerne un ensemble comprenant une bielle et un piston destiné à être mobile dans un cylindre en étant articulé par une liaison rotule entre des volumes sphériques du piston et de la bielle porté par un pied de bielle introduit dans le piston, un corps longiforme de la bielle, portant le volume sphérique à une de ses extrémités, étant traversé par un canal d'huile de lubrification débouchant à une portion du volume sphérique de la bielle la plus interne au piston. Le piston présente une tête dont la face opposée à la bielle comporte un bol (10) formant une cavité creuse, le bol (10) étant destiné à être exposé à des tourbillons d'air et présentant des formes configurées pour mettre en rotation le piston quand soumis aux tourbillons d'air.

ENSEMBLE PISTON BIELLE ROTULEE AVEC BOL A FORMES CREANT UNE ROTATION DU PISTON [0001] La présente invention concerne un ensemble formé d’un piston et d’une bielle avec rotule entre le piston et la bielle avec un passage d’huile de lubrification dans la bielle et un bol de piston présentant des formes initiant une rotation du piston quand soumis à des tourbillons dans l’air d’admission au cylindre de moteur à combustion interne logeant au moins partiellement l’ensemble, notamment mais pas uniquement pour un véhicule automobile, de préférence mais non limitativement équipé d’un moteur Diesel.

[0002] De manière classique, pour un moteur à combustion interne, celui-ci comprend au moins un cylindre comportant en son intérieur une chemise dans laquelle est mobile en un mouvement de va-et-vient un piston relié à une bielle par une liaison pivot avec la bielle.

[0003] Par exemple, un cycle de fonctionnement d’un « moteur à quatre temps » se décompose de manière analytique en quatre temps ou phases. Le mouvement du piston est initié par la combustion d'un mélange de carburant et d'air qui a lieu durant un temps du moteur.

[0004] Le piston se déplace lors du démarrage du moteur grâce à une source d'énergie externe, par exemple un démarreur ou un lanceur jusqu'à ce qu'au moins un temps du moteur produise une force capable d'assurer les trois autres temps avant le prochain temps du moteur. Le moteur fonctionne dès lors seul, donc sans le démarreur, et produit un couple sur son arbre de sortie.

[0005] Il est connu d’effectuer une lubrification entre les éléments mobiles et fixes du moteur par de l’huile de lubrification pour diminuer les frottements. Le piston est muni de segments entourant une portion de la périphérie du piston pour effectuer une étanchéité de l’huile de lubrification. Cet ensemble bielle et piston avec ses éléments auxiliaires est dénommé attelage mobile. Cet ensemble avec la chemise du cylindre forme le poste segment-piston-chemise aussi connu sous l’abréviation poste SPC.

[0006] Pour optimiser la performance et l’efficience des moteurs à combustion, il est nécessaire de faire évoluer tous les facteurs, liaisons et/ou mécanismes qui permettent la transmission de puissance, de la combustion des énergies fossiles au cœur des cylindres à la puissance disponible par le vilebrequin. Ceci concerne tout particulièrement l’attelage mobile et le poste SPC, les éléments composant cet attelage et ce poste étant générateurs de perte de puissance par frottement.

[0007] En ce qui concerne les pertes mécaniques par frottement d’un moteur à combustion interne conventionnel, l’attelage mobile et le poste SPC représentent une partie non négligeable de ces pertes mécaniques par frottement dans un moteur. Une partie de ces pertes peut être imputée à la cinématique même de la liaison piston-bielle traditionnelle en pivot.

[0008] La rotation du vilebrequin implique en effet une translation de type glissière entre le piston et la chemise, passant par une position haute, dite PMH pour Point Mort Haut et une position basse, dite PMB pour Point Mort Bas. La vitesse différentielle entre le piston et la chemise ralentit donc à l’approche de ces positions pour même s’y annuler.

[0009] L’établissement d’une vitesse très faible voire nulle au Point Mort Haut et au Point Mort Bas durant le fonctionnement d’un moteur à combustion interne implique des régimes de lubrification limite qui engendrent un frottement important métal contre métal car les surfaces en vis-à-vis des éléments fixes et mobiles ne sont plus séparées par un film d’huile de lubrification ou seulement par un film d’épaisseur insuffisante. Cela crée donc des pertes mécaniques par frottement, aussi connues sous l’abréviation de PMF à ces deux points de fonctionnement du moteur.

[0010] Pour diminuer les frottements dans l’attelage mobile, il est connu d’utiliser une articulation entre la bielle et le piston comprenant une rotule. Une telle articulation autorise la rotation du piston autour d’un axe qui lui est central. Un canal central aménagé dans le corps de la bielle alimente la rotule en huile de lubrification.

[0011] Avec une telle articulation pourvue d’une rotule entre la bielle et le piston, contrairement à une glissière conventionnelle d’un attelage mobile, une liaison pivot glissant est dans ce cas possible entre le piston et la chemise. Ce pivot supplémentaire, selon l’axe principal du piston et l’axe de la chemise, permet au point mort haut PMH et au point mort bas PMB de garder une vitesse différentielle entre le piston et la chemise et ainsi de garder un film d’huile de lubrification permettant d’obtenir un frottement réduit.

[0012] Ceci est illustré aux figures 1 à 3. Aux figures 1 et 3 qui montrent deux modes de réalisation différents d’un ensemble bielle et piston, il est illustré un ensemble comprenant une bielle 1 et un piston 2 mobile dans un cylindre 20, non représenté à la figure 1. Le piston 2 mobile présente un axe longitudinal médian et est articulé sur la bielle 1 par une liaison rotule entre un volume sphérique du piston et un volume sphérique 5 de la bielle porté par un pied de bielle 1 introduit dans le piston 2.

[0013] A la figure 1, la bielle 1 présente une tête 8 de bielle du côté opposé à celui portant le volume sphérique 5 de la bielle. La tête 8 de bielle présente un œilleton 8a destiné à être traversé par un vilebrequin. Entre la tête 8 de bielle et l’autre extrémité portant le volume sphérique 5 s’étend un corps 1a de bielle sensiblement longiforme.

[0014] Dans un tel mode de réalisation d’une articulation à rotule entre le piston 2 et la bielle 1, une contre-rotule 4 est présente sur une face du piston 2 tournée vers la bielle 1 au niveau du raccordement du volume sphérique 5 de la bielle au corps 1a de bielle. A la figure 1, des moyens de solidarisation 6 de la contre-rotule 4 avec le piston 2 sont prévus, par exemple sous la forme de vis.

[0015] Le corps 1a et le volume sphérique 5 de la bielle 1 sont traversés par un canal 9 longitudinal d’huile de lubrification débouchant par une ouverture de sortie 3 à une portion du volume sphérique 5 de la bielle la plus interne au piston 2. L’huile, en sortie du canal 9, s’écoule dans un intervalle, référencé 13 à la figure 3, entre les volumes sphériques 5 en vis-à-vis du piston 2 et de la bielle 1.

[0016] Comme il est visible à la figure 2, tout en se référant aux figures 1 et 3 pour les références qui ne sont pas indiquées à la figure 2, le volume sphérique 5 de la bielle présente des formes spiroïdales 7, par exemple des rainures s’étendant en éloignement de l’axe longitudinal médian de la bielle 1 débouchant par une portion du volume sphérique 5 de la bielle la plus interne au piston 2. La flèche Fc indiquée à la figure 2 illustre le sens de circulation de l’huile de lubrification sortant du canal 9 d’huile de lubrification de la bielle 1.

[0017] La mise en rotation du piston 2 est provoquée à l’aide des formes spiroïdales 7 usinées sur le volume sphérique 5 de la bielle, avantageusement des rainures spiroïdales 7. La circulation de l’huile de lubrification dans les formes spiroïdales 7 va, par frottement visqueux, faire tourner le piston 2 autour de son axe longitudinal médian.

[0018] Le document US-A-2 386 117 porte sur une structure de piston avec une lubrification de la tête de piston au niveau des segments entre le piston et un cylindre le logeant. Dans ce document, l’axe de bielle est percé et de l’huile est acheminée vers une cavité dans l’axe par un conduit pratiqué dans la bielle. La connexion se fait grâce à un passage présentant une rainure annulaire faisant le tour de l’axe de bielle.

[0019] Cette rainure est pratiquée dans la tête de bielle et le piston et non sur un axe de piston et permet le passage de l’huile à la cavité de l’axe de piston, quelle que soit la position angulaire de la bielle, donc une lubrification continue en huile lors du mouvement du piston et de la bielle.

[0020] L’utilisation d’une liaison de type piston et bielle rotulée permet de repousser le niveau de charge maximale acceptable en diminuant les pertes mécaniques du moteur par frottement, notamment sur un cycle moteur à quatre temps classique.

[0021] Néanmoins, pour certains groupes motopropulseurs délivrant de trop fortes charges, la mise en rotation du piston pourrait être compromise si les formes d’aide à la rotation restent uniquement implantées sur la liaison rotule. De plus, les pressions dans un cylindre étant telles sur certaines applications que l’implantation de formes spécifiques sur la rotule pourraient faire diminuer les niveaux de couple souhaités.

[0022] Il semble nécessaire de prévoir un moyen complémentaire de mise en rotation du piston autre que par huile de lubrification passant par des rainures spiroïdales comme montré à la figure 2.

[0023] Parallèlement, il est fréquent, notamment pour un moteur Diesel, qu’un piston logé dans un cylindre du moteur porte sur une face tournée vers l’injecteur une cavité centrale formant un bol, la cavité ayant été préalablement usinée sur la face du piston qui le porte.

[0024] Lorsque le piston est au voisinage du point mort haut, l’injecteur, avantageusement placé au centre sur une face ou un bord de la chambre de combustion, va envoyer plusieurs jets de carburant radialement vers et dans le bol. Le volume de ce bol est donc à prendre en considération pour le calcul du volume mort, c’est-à-dire le volume total de la chambre quand le piston est au point mort haut et à la détermination du taux de compression.

[0025] Il peut être avantageux de créer une aérodynamique comportant des échelles macroscopiques ordonnées à l’intérieur de la chambre de combustion au moins à des instants spécifiques de la course du piston entre le point mort bas et le point mort haut. Ceci peut être obtenu par l’élaboration de formes spécifiques pour les conduits d’admission ainsi que de la forme du piston et du bol porté par le piston. La principale échelle macroscopique dite ordonnée car volontairement créée, aussi dénommée écoulement tourbillonnaire, est connue sous l’appellation anglo-saxonne de « swirl » et sera ci-après désignée sous le nom de tourbillon.

[0026] En alternative à un bol, le document US-A-2 231 392 montre une tête de piston, non rotulé, présentant des formes hélicoïdales. L’objectif de ces formes est ici de canaliser le flux de gaz pour créer des turbulences dans le mélange injecté. Par contre, il n’a jamais été question dans ce document que ce flux d’air d’alimentation puisse servir à entraîner le piston en rotation.

[0027] Il n’a donc jamais été proposé de renforcer la rotation du piston obtenue par un flux d’huile de lubrification s’écoulant par des rainures pratiquées entre le volume sphérique de la bielle et le volume sphérique du piston complémentaire par un quelconque mouvement tourbillonnaire agissant sur le piston.

[0028] Par conséquent, le problème à la base de l’invention est, pour un ensemble piston et bielle rotulé, de renforcer l’action de mise en rotation du piston par rapport au cylindre le logeant par d’huile de lubrification entre les volumes sphériques complémentaires du piston et de la bielle, l’huile de lubrification sortant d’un canal longitudinal de la bielle.

[0029] Pour atteindre cet objectif, il est prévu selon l’invention un ensemble comprenant une bielle et un piston destiné à être mobile dans un cylindre en présentant un axe longitudinal médian et en étant articulé sur la bielle par une liaison rotule entre un volume sphérique du piston et un volume sphérique de la bielle porté par un pied de bielle introduit dans le piston, un corps longiforme de la bielle, portant le volume sphérique à une de ses extrémités, étant traversé par un canal longitudinal d’huile de lubrification débouchant à une portion du volume sphérique de la bielle la plus interne au piston, caractérisé en ce que le piston présente une tête dont la face opposée à la bielle comporte un bol formant une cavité creuse, le bol étant destiné à être exposé à des tourbillons d’air et présentant des formes configurées pour mettre en rotation le piston quand soumis aux tourbillons d’air.

[0030] L’effet technique est de renforcer la mise en rotation du piston obtenue par une amenée d’huile de lubrification par un canal longitudinal pratiqué dans la bielle déjà présent dans de nombreuses bielles de l’état de la technique pour établir une dérivation d’huile vers la paroi latérale externe du piston en vis-à-vis de la paroi interne du cylindre ou chemise. Cette huile avait tout d’abord un rôle de refroidissement et de lubrification mais pouvait aussi servir à faciliter une rotation du piston par rapport au cylindre en passant entre les volumes sphériques du piston et de la bielle.

[0031] Pour compléter cette mise en rotation, la présente invention utilise des tourbillons d’air déjà créés dans un autre but pour une meilleure combustion de l’air dans le cylindre et les utilise en combinaison avec des formes présentes dans le bol pour pousser en rotation le piston par poussée des tourbillons sur les formes.

[0032] Selon l’état de la technique relatif à la création de tourbillons, il a été reconnu l’avantage de créer une aérodynamique comportant des échelles macroscopiques ordonnées à l’intérieur de la chambre de combustion au moins à des instants spécifiques de la course du piston entre le point mort bas et le point mort haut. Ceci peut être obtenu par l’élaboration de formes spécifiques pour les conduits d’admission ainsi que de la forme du piston et du bol porté par le piston.

[0033] Par contre, il n’a jamais été reconnu que ces tourbillons d’air créés pouvaient aussi servir à mettre en rotation un piston dans un cylindre. L’apport inventif de la présente invention à l’état de la technique a été de conférer une deuxième application pour les tourbillons d’air déjà créés dans le but d’améliorer la combustion dans le cylindre, cette deuxième application étant la mise en rotation du cylindre en complément de celle réalisée par l’huile de lubrification dans les rainures entre bielle et piston. Ceci ne requiert que la présence de formes de mise en rotation du piston sur le bol, formes qui sont différentes des formes créant les tourbillons d’air localisées dans les conduits d’amenée d’air au cylindre et non pas sur le bol.

[0034] Ainsi, les pertes mécaniques par frottement aux points morts hauts et bas sont diminuées. Les consommations de CO2 sont en conséquence diminuées. Les pistons à bol, sans formes spécifiques pour la mise en rotation des pistons, sont bien connus dans le domaine des moteurs Diesel auquel domaine la présente invention s’applique préférentiellement tout en pouvant être mise en œuvre pour des moteurs à essence.

[0035] Par des formes spécifiques dans le bol en complément de rainures avantageusement hélicoïdales entre volumes sphériques pour le passage de l’huile de lubrification, il est possible de faire tourner le piston tout au long de sa course durant le cycle d’un moteur quatre temps. Les formes spécifiques dans le bol associées aux tourbillons d’air peuvent permettre d’amplifier la rotation du piston obtenue par des rainures hélicoïdales sur le volume sphérique de la bielle formant rotule avec le volume sphérique du piston dans l’intervalle de passage du flux d’huile de lubrification.

[0036] II se crée une synergie entre ces deux moyens de mise en rotation du piston. En effet, le passage de l’huile de lubrification entre les volumes sphériques de la bielle et du piston initie une mise en rotation en vainquant l’inertie mécanique du piston et les formes coopérant avec les tourbillons d’air amplifient cette mise en rotation.

[0037] Une autre synergie intéressante concerne une meilleure formation de tourbillons d’air pour la combustion. En effet, la rotation du piston obtenue notamment par les formes spécifiques présentes sur le piston peut favoriser le mouvement tourbillonnaire de l’air et donc influer favorablement sur la combustion dans le cylindre.

[0038] Comme il va être détaillé ci-après, les formes spécifiques peuvent présenter des profils et dimensions différents. L’important est que chaque forme spécifique puisse présenter une surface d’appui suffisante pour les tourbillons d’air afin que ceux-ci poussent sur les formes et concourent avec les formes à la mise en rotation du piston.

[0039] Avantageusement, un flux d’huile, en sortie du canal, s’écoule dans un intervalle entre les volumes sphériques en vis-à-vis du piston et de la bielle, le volume sphérique de la bielle comportant des rainures extérieures circulaires pour le passage du flux d’huile, les rainures formant une spirale centrée sur une extrémité de sortie du canal longitudinal d’huile de lubrification du piston.

[0040] Avantageusement, le bol est de section sensiblement circulaire, les formes s’étendant selon une profondeur du bol. En général, les bols sur une face supérieure de tête de piston présentent une forme circulaire. L’invention peut donc s’adapter sur un bol de l’état de la technique pourvu que ce bol soit muni des formes spécifiques qui constituent une des caractéristiques principales de la présente invention.

[0041] Dans une première forme de réalisation des formes spécifiques du bol, les formes sont des pales s’étendant selon un rayon du bol ou des pales incurvées. Les pales peuvent s’étendre sur toute la section circulaire. Les pales forment alors un ensemble tel qu’une hélice en présentant des surfaces portantes suffisantes pour aider à la mise en rotation du piston.

[0042] Dans une deuxième forme de réalisation des formes spécifiques du bol, les formes sont des crans partant de la périphérie du bol en étant orientés vers le milieu du bol.

[0043] Dans une troisième forme de réalisation des formes spécifiques du bol, chaque forme comprend une succession de portions séparées.

[0044] Dans cette forme de réalisation, avantageusement, les portions séparées sont sous la forme de plots s’étendant dans la profondeur du bol du piston.

[0045] Avantageusement, le bol présente une partie conique centrale pointant vers l’extérieur du bol et surélevée par rapport au fond du bol.

[0046] L’invention concerne aussi un moteur à combustion interne de véhicule automobile comprenant au moins un cylindre logeant au moins partiellement un ensemble piston et bielle, le piston étant mobile en translation dans le cylindre, le moteur comprenant des moyens de création de tourbillons pour de l’air admis dans ledit au moins un cylindre, caractérisé en ce que l’ensemble piston et bielle est tel que précédemment décrit, les moyens de création de tourbillons d’air dirigeant les tourbillons vers le bol du piston et coopérant avec les formes présentées par le bol pour mettre en rotation le piston dans ledit au moins un cylindre.

[0047] Les tourbillons d’air déjà créés pour une meilleure combustion dans le cylindre sont ainsi utilisés en coopérant avec des formes spécifiques formant appui pour la poussée des tourbillons d’air afin de mettre en rotation le piston associé. Une nouvelle fonction est ainsi affectée pour les tourbillons d’air, ce qui représente une économie de moyens, ces tourbillons d’air n’étant pas spécifiquement créés pour effectuer cette rotation.

[0048] L’invention concerne aussi un procédé de mise en rotation d’un piston dans au moins un cylindre dans un tel moteur à combustion interne, dans lequel des tourbillons d’air sont créés pour effectuer un mélange air admis dans ledit au moins un cylindre avec un carburant dans un bol du piston, caractérisé en ce que ces tourbillons d’air déjà créés servent à exercer une poussée sur les formes présentes dans le bol du piston du cylindre afin que le piston soit mis en rotation dans ledit au moins un cylindre [0049] Comme décrit précédemment, l’implantation de formes spécifiques dans le bol de piston a pour but d’aider le piston à tourner autour de son axe longitudinal en plus des rainures disposées sur la rotule de la bielle. Classiquement, le remplissage d’air, principalement dans les moteurs diesel, se fait avec un mouvement tourbillonnaire de mise en rotation de l’air autour de l’axe longitudinal du piston. Le but du procédé selon l’invention est donc de profiter de ce mouvement tourbillonnaire pour améliorer la rotation du piston autour de son axe. De plus, l’association de ces deux mouvements de rotation pourrait provoquer une réaction avec effets interactifs et ainsi améliorer la vitesse de rotation du mouvement tourbillonnaire.

[0050] D’autres caractéristiques, buts et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre et au regard des dessins annexés donnés à titre d’exemples non limitatifs et sur lesquels :

- la figure 1 est une représentation schématique d’une coupe longitudinale d’un ensemble piston et bielle rotulée selon l’état de la technique,

- la figure 2 est une représentation schématique d’une vue de dessus du volume sphérique de la bielle rotulée montrée dans l’ensemble à la figure 1,

- la figure 3 est une représentation schématique d’une coupe longitudinale d’un ensemble piston et bielle rotulée intégrés dans un cylindre conformément à un mode de réalisation selon l’état de la technique autre que celui montré à la figure 1,

- les figures 4 et 5 sont des représentations schématiques d’une vue en perspective d’un bol d’un piston faisant partie d’un ensemble piston et bielle rotulée intégré dans un cylindre selon la présente invention, montré en quart de coupe pour la figure 4, le bol de piston présentant des formes induisant une mise en rotation du piston quand soumises à des tourbillons d’air,

- les figures 6 à 11 sont des représentations schématiques d’une vue de dessus de modes de réalisation respectifs d’un bol de piston d’un ensemble selon la présente invention,

- la figure 12 est une représentation schématique d’une coupe d’un mode de réalisation d’un bol de piston selon la présente invention.

[0051] II est à garder à l’esprit que les figures sont données à titre d'exemples et ne sont pas limitatives de l’invention. Elles constituent des représentations schématiques de principe destinées à faciliter la compréhension de l’invention et ne sont pas nécessairement à l'échelle des applications pratiques. En particulier, les dimensions des différents éléments illustrés ne sont pas représentatives de la réalité.

[0052] Dans ce qui va suivre, il est fait référence à toutes les figures prises en combinaison. Quand il est fait référence à une ou des figures spécifiques, ces figures sont à prendre en combinaison avec les autres figures pour la reconnaissance des références numériques désignées.

[0053] Les figures 1 à 3 ont déjà été détaillées dans la partie introductive de la présente demande. Un tel ensemble bielle et piston est repris par la présente invention mais complété par des caractéristiques relatives à un bol de piston et à des formes pour la mise en rotation du piston dans le cylindre qui vont être ci-après détaillées.

[0054] En se référant à toutes les figures, la présente invention prévoit, d’une part, d’utiliser une liaison rotule bielle 1/piston 2 qui permet notamment de faire tourner le piston 2 autour de son axe amplifiée par un passage d’huile de lubrification entre les volumes sphériques 5 du piston 2 et de la bielle 1 par des rainures 7 avantageusement hélicoïdales, favorable à la réduction des frottements. Ceci est utile par exemple aux points morts hauts et bas pour conserver une vitesse différentielle entre le piston 2 et le cylindre 20, notamment la paroi interne du cylindre 20 ou chemise [0055] Néanmoins, les pressions dans le cylindre 20 étant telles sur certaines applications, qu’un système tel que décrit ci-dessus pourrait dans certaines situations de vies voir son couple de rotation diminuer. Par conséquent, il est indispensable de trouver un système facilement industrialisable permettant de pallier cette problématique.

[0056] Pour ce faire, en plus de la liaison rotule lubrifiée, la présente invention propose, d’autre part, d’aider cette mise en rotation du piston 2.

[0057] L’invention concerne donc un ensemble comprenant une bielle 1 et un piston 2 destiné à être mobile dans un cylindre 20 en présentant un axe longitudinal médian et en étant articulé sur la bielle 1 par une liaison rotule entre un volume sphérique du piston 2 et un volume sphérique 5 de la bielle 1 porté par un pied de bielle 1 introduit dans le piston 2.

[0058] La bielle 1 présente un corps 1a longiforme portant le volume sphérique 5 à une de ses extrémités. Le corps 1a longiforme de la bielle 1 est traversé par un canal 9 d’huile de lubrification débouchant à une portion du volume sphérique 5 de la bielle 1 la plus interne au piston 2.

[0059] Selon l’invention, le piston 2 présente une tête dont la face opposée à la bielle 1 comporte un bol 10 formant une cavité creuse. Le bol 10 est destiné à être exposé à des tourbillons d’air, créés artificiellement en amont du bol 10. Le bol 10 présente des formes 12, 14, 16 configurées pour mettre en rotation le piston 2 quand soumis aux tourbillons d’air.

[0060] Par tourbillons d’air, il est entendu de l’air alimentant l’admission du moteur. Cet air peut être de l’air pur mais aussi un mélange d’air avec des gaz recirculés d’une ligne d’échappement du moteur vers l’admission d’air du moteur. Ces tourbillons d’air sont fréquemment créés dans le but d’optimiser la combustion dans le cylindre, donc ne sont pas forcément créés spécifiquement pour une mise en rotation du piston 2.

[0061] Les formes 12, 14, 16 présentes sur le bol 10 ne créent pas de tourbillons d’air mais peuvent les amplifier, ce qui est un avantage additionnel de la présente invention. Ces formes 12, 14, 16 implantées dans le bol 10 permettent de profiter du mouvement aérodynamique de l’air tourbillonnaire dans la chambre de combustion délimitée par le cylindre 20 pour aider le piston 2 à tourner autour de son axe dans le cylindre 20.

[0062] Les formes 12, 14, 16 peuvent présenter différentes configurations mais l’important est qu’elles présentent une surface d’appui suffisante pour que les tourbillons d’air puissent pousser sur ces formes 12, 14, 16 et augmenter la mise en rotation du piston 2 sur lui-même dans le cylindre 20.

[0063] Les formes 12, 14, 16 exploitent le mouvement tourbillonnaire de l’air à l’admission du cylindre 20, aussi appelé sous la dénomination anglo-saxonne de SWIRL, ce mouvement tourbillonnaire étant imposé à l’air pour améliorer la combustion dans le ou les cylindres, l’air pouvant être de l’air pur et/ou pouvant être mélangé avec des gaz d’échappement recirculés, pour aider à la rotation du piston 2.

[0064] En prenant comme exemple non limitatif un moteur Diesel, l’injection de carburant Diesel se fait par un ou des injecteurs comprenant un nombre défini de trous d’injection vers et dans un bol 10. Ce bol 10 est porté par une face du piston 2 mobile en translation à l’intérieur du cylindre 20 le long d’un axe central de la chambre de combustion entre un point mort bas et un point mort haut, ce piston 2 servant à l’entraînement en rotation d’un vilebrequin.

[0065] Il est en effet fréquent que le piston 2 porte sur une face tournée vers l’injecteur une cavité centrale formant un bol 10, la cavité ayant été préalablement usinée sur la face du piston 2 qui le porte.

[0066] Lorsque le piston 2 est au voisinage du point mort haut, l’injecteur ou les injecteurs, avantageusement placés au centre sur une face ou un bord de la chambre de combustion, vont envoyer plusieurs jets de carburant radialement vers et dans le bol 10. Le volume de ce bol 10 est donc à prendre en considération pour le calcul du volume mort, c’est-à-dire le volume total de la chambre de combustion quand le piston 2 est au point mort haut et à la détermination du taux de compression.

[0067] Il peut ainsi être créé des tourbillons d’air présentant un axe de rotation sensiblement aligné avec l’axe de la chambre de combustion. Il peut être ainsi défini un nombre de tourbillon qui est le rapport d’une vitesse de rotation de l’air autour de l’axe central d’une chambre lorsque son piston 2 associé est à un point mort bas sur une vitesse de rotation du vilebrequin entraîné par le piston 2 de chaque chambre de combustion. D’autres formes de turbulence peuvent aussi être créées.

[0068] Le choix des principaux paramètres de conception d’un système de combustion Diesel, notamment le nombre de tourbillon, le nombre de trous d’injection, le taux de compression, les paramètres du bol 10 et la pression d’injection maximale, est le résultat de compromis globaux sur la consommation, le bruit, le démarrage à froid, les émissions polluantes, la courbe de couple maximal, etc.

[0069] La plupart des moteurs Diesel de véhicules légers donc à faible alésage utilisent des pistons 2 à bol 10 dit fermé. Ces bols 10 dits fermés ont une zone de réentrant qui est en interaction avec les jets d’injection au niveau de l’impact du jet sur le piston 2, autrement connu sous la dénomination IJP. Cette zone de réentrant permet de répartir le carburant entre une zone de chasse, intercalée entre le piston 2 et une culasse du moteur, et le bol 10 du piston 2 de façon à maximiser l’utilisation de l’air ayant pénétré dans la chambre de combustion.

[0070] Pour la plupart des moteurs Diesel, le nombre de tourbillon est fixé à une valeur d’environ 2. Néanmoins, il est connu de l’état de la technique des moteurs Diesel à tourbillons variables qui permettent d’adapter le nombre de tourbillon à des points de fonctionnement du moteur. Par exemple, il est connu de faire varier le nombre de tourbillon entre 2 et 6.

[0071] En augmentant le nombre de tourbillon, le mélange entre l’air et le carburant est amélioré et les émissions de suies sont réduites. A contrario, la vitesse de l’air à la paroi interne du bol 10 est augmentée de même que les transferts thermiques pénalisant ainsi le rendement du moteur.

[0072] Les formes 12, 14, 16 portées par le bol 10 pour la mise en rotation du piston 2 peuvent être par exemple hélicoïdales ou radiales au bol 10. Ces formes 12, 14, 16 peuvent s’étendre depuis la périphérie du bol 10 du piston 2 vers le centre du bol 10, ou seulement partiellement. Inversement, les formes 12, 14, 16 peuvent s’étendre de la portion médiane du bol 10 vers la périphérie du bol 10.

[0073] Les formes 12, 14, 16 implantées dans le bol 10 peuvent bien entendu être dimensionnées avec les entités de combustion du groupe pour ne pas perturber la combustion des motorisations considérées.

[0074] Au niveau de la rotule entre la bielle 1 et le piston 2, un flux d’huile, en sortie du canal, peut s’écouler dans un intervalle entre les volumes sphériques 5 en vis-à-vis du piston 2 et de la bielle 1. Le volume sphérique 5 de la bielle 1 peut comporter des rainures 7 extérieures circulaires formant une spirale décroissante vers la sortie 3 d’huile du canal de lubrification passant par le corps 1a de la bielle 1 pour le passage du flux d’huile. Les rainures 7 peuvent ainsi former une spirale centrée sur une extrémité de sortie du canal 9 d’huile de lubrification du piston 2.

[0075] Dans un mode de réalisation de l’invention, le bol 10 est de section sensiblement circulaire, les formes 12, 14, 16 s’étendant selon une profondeur du bol 10. Les formes 12, 14, 16 réalisent ainsi des obstacles au passage des tourbillons d’air qui poussent sur les formes 12, 14, 16 et engendrent une mise en rotation du piston 2.

[0076] Par exemple aux figures 4 et 5, les formes 12, 14, 16 sont sous la forme de pales 12 présentent un bord rectiligne faisant face à une ouverture du bol 10, le bol 10 présentant une section sensiblement circulaire. Les pales 12 présentent une base élargie s’appuyant sur le fond du bol 10. Il peut y avoir huit pales 12 par bol 10. Une seule pale est référencée à ces figures mais ce qui est énoncé pour la pale référencée est valable pour toutes les pales 12. Ceci sera aussi valable pour les crans 14, les plots 16 qui vont être illustrés aux figures 6 à 11.

[0077] La partie médiane du bol 10 peut présenter une partie conique centrale 11 pointant vers l’extérieur du bol 10 et surélevée par rapport au fond du bol 10, c’est-à-dire en présentant une base fixée au fond du bol 10. Cette partie conique centrale 11 peut ne pas dépasser vers l’extérieur du bol 10 et se trouver à un niveau plus interne du bol 10 que le bord supérieur délimitant une périphérie du bol 10. Les pales 12 s’étendent de la partie conique centrale 11 vers la périphérie du bol 10 que les pales 12 tangentent intérieurement.

[0078] Les pales 12 peuvent être fixées au bol 10 par la partie conique centrale 11 et au fond du bol 10 par leur base élargie. A la figure 6, les pales 12 sont torsadées sur ellesmêmes alors que les pales 12 ne le sont pas aux figures 4 et 5.

[0079] Ainsi, dans une première forme de réalisation de l’invention, les formes 12, 14, 16 sont des pales 12 s’étendant selon un rayon du bol 10, comme il est montré à la figure 8. Les formes 12, 14, 16 peuvent être aussi des pales 12 incurvées, comme il est montré à la figure 6. Les formes 12, 14, 16 peuvent présenter toutes les caractéristiques jugées utiles communes à des éléments de brassage d’air comme hélice d’avion ou rotor de ventilateur pour optimiser la mise en rotation du piston 2 par poussée des tourbillons d’air sur les formes 12, 14, 16.

[0080] Dans une deuxième forme de réalisation de l’invention, montrée notamment aux figures 7 et 9, les formes 12, 14, 16 sont des crans 14 partant de la périphérie du bol 10 en étant orientés vers le milieu du bol 10, c’est-à-dire pour des modes de réalisation vers la partie conique centrale 11. Les crans 14 peuvent présenter des configurations recourbées ouvertes vers les tourbillons d’air pour accentuer la poussée des tourbillons d’air sur ces crans 14 et donc la mise en rotation du piston 2. Ceci est aussi valable pour des formes autres que les crans 14.

[0081] Dans une troisième forme de réalisation de l’invention, montrée notamment aux figures 10 et 11, chaque forme comprend une succession de portions séparées 16. Les portions séparées 16 peuvent être sous la forme de plots 16 s’étendant dans la profondeur du bol 10 du piston 2. Les plots 16 forment ainsi des obstacles contre le passage des tourbillons d’air, ce qui peut provoquer la mise en rotation du piston 2. La succession de plots 16 peut être rectiligne ou incurvée.

[0082] A la figure 12, il est montré un bol 10 ainsi que les caractéristiques dimensionnelles de largeur L et de hauteur H. La largeur L est prise à partir du fond jusqu’à sensiblement le niveau d’une face supérieure de la partie conique centrale 11, cette face supérieure n’atteignant pas la hauteur du bord supérieur périphérique du bol 10. La largeur L diminue plus on s’enfonce profondément dans le bol 10. La hauteur H est prise aussi au niveau d’une face supérieure de la partie conique centrale 11 entre le niveau et le fond du bol 10.

[0083] Sans que cela soit limitatif, la longueur L peut être de 15 mm et la hauteur H de 10 mm pour un diamètre de bol 10 de 45 mm. Une telle configuration peut présenter un couple résistant d’environ 4.58 N.mm.

[0084] L’invention concerne aussi un moteur à combustion interne de véhicule automobile comprenant au moins un cylindre 20 logeant au moins partiellement un ensemble piston 2 et bielle 1, le piston 2 étant mobile en translation dans le cylindre 20, le moteur comprenant des moyens de création de tourbillons pour de l’air admis dans ledit au moins un cylindre 20, ces moyens de création pouvant être similaires à ceux employés dans un moteur Diesel donc en amont du cylindre 20 et du piston 2 dans le moteur.

[0085] Selon l’invention, l’ensemble piston 2 et bielle 1 est tel que précédemment décrit.

Les moyens de création de tourbillons d’air dirigent les tourbillons vers le bol 10 du piston 2 et les tourbillons d’air coopèrent avec les formes 12, 14, 16 présentées par le bol 10 pour mettre en rotation le piston 2 dans ledit au moins un cylindre 20 par action des tourbillons d’air sur les formes 12, 14, 16 réalisant des appuis pour la poussée des tourbillons d’air et la mise en rotation du piston 2 dans le cylindre 20.

[0086] L’invention concerne aussi un procédé de mise en rotation d’un piston 2 dans au moins un cylindre 20 dans un tel moteur à combustion interne. Dans ce procédé, des tourbillons d’air déjà créés pour effectuer un mélange air admis dans ledit au moins un cylindre 20 avec un carburant dans un bol 10 servent à exercer une poussée sur les formes 12, 14, 16 portées dans un bol 10 du piston 2 du cylindre 20 afin que le piston 2 soit mis en rotation dans ledit au moins un cylindre.

[0087] L’invention n’est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et illustrés qui n’ont été donnés qu’à titre d’exemples.

Claims (12)

1. REVENDICATIONS

   1. Ensemble comprenant une bielle (1) et un piston (2) destiné à être mobile dans un cylindre (20) en présentant un axe longitudinal médian et en étant articulé sur la bielle (1) par une liaison rotule entre un volume sphérique du piston (2) et un volume sphérique (5) de la bielle (1) porté par un pied de bielle (1) introduit dans le piston (2), un corps (1a) longiforme de la bielle (1), portant le volume sphérique (5) à une de ses extrémités, étant traversé par un canal (9) d’huile de lubrification débouchant à une portion du volume sphérique (5) de la bielle (1) la plus interne au piston (2), caractérisé en ce que le piston (2) présente une tête dont la face opposée à la bielle (1) comporte un bol (10) formant une cavité creuse, le bol (10) étant destiné à être exposé à des tourbillons d’air et présentant des formes (12, 14, 16) configurées pour mettre en rotation le piston (2) quand soumis aux tourbillons d’air.
2. 2. Ensemble selon la revendication 1, dans lequel un flux d’huile, en sortie du canal (9), s’écoule dans un intervalle entre les volumes sphériques (5) en vis-à-vis du piston (2) et de la bielle (1), le volume sphérique (5) de la bielle (1) comportant des rainures (7) extérieures circulaires pour le passage du flux d’huile, les rainures (7) formant une spirale centrée sur une extrémité de sortie du canal (9) d’huile de lubrification du piston (2) .
3. 3. Ensemble selon l’une quelconque des revendications 1 ou 2, dans lequel le bol (10) est de section sensiblement circulaire, les formes (12, 14, 16) s’étendant selon une profondeur du bol (10).
4. 4. Ensemble selon la revendication 3, dans lequel les formes (12, 14, 16) sont des pales (12) s’étendant selon un rayon du bol (10) ou des pales (12) incurvées.
5. 5. Ensemble selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel les formes (12, 14, 16) sont des crans (14) partant de la périphérie du bol (10) en étant orientés vers le milieu du bol (10).
6. 6. Ensemble selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel chaque forme comprend une succession de portions séparées (16).
7. 7. Ensemble selon la revendication 6, dans lequel les portions séparées (16) sont sous la forme de plots (16) s’étendant dans la profondeur du bol (10) du piston (2).
8. 8. Ensemble selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le bol (10) présente une partie conique centrale (11) pointant vers l’extérieur du bol (10) et

   5 surélevée par rapport au fond du bol (10).
9. 9. Moteur à combustion interne de véhicule automobile comprenant au moins un cylindre (20) logeant au moins partiellement un ensemble piston (2) et bielle (1), le piston (2) étant mobile en translation dans le cylindre (20), le moteur comprenant des moyens de création de tourbillons pour de l’air admis dans ledit au moins un cylindre (20),
10. 10 caractérisé en ce que l’ensemble piston (2) et bielle (1) est selon l’une quelconque des revendications précédentes, les moyens de création de tourbillons d’air dirigeant les tourbillons vers le bol (10) du piston (2) et coopérant avec les formes (12, 14, 16) présentées par le bol (10) pour mettre en rotation le piston (2) dans ledit au moins un cylindre (20).
11. 15 10. Procédé de mise en rotation d’un piston (2) dans au moins un cylindre (20) dans un moteur à combustion interne selon la revendication 9, dans lequel des tourbillons d’air sont créés pour effectuer un mélange air admis dans ledit au moins un cylindre (20) avec un carburant dans un bol (10) du piston (2), caractérisé en ce que ces tourbillons d’air déjà créés servent à exercer une poussée sur les formes (12, 14, 16) présentes
12. 20 dans le bol (10) afin que le piston (2) soit mis en rotation dans ledit au moins un cylindre (20).

    FlG.

    2/5