CA2202085A1 - Moteur a combustion interne a allumage commande, a pistons creuses d'ellipses - Google Patents
Moteur a combustion interne a allumage commande, a pistons creuses d'ellipsesInfo
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Abstract
La présente invention a pour objet un moteur à combustion interne à allumage com mandé comprenant au moins un cylindre dans lequel coulisse un piston selon l'axe du cy lindre, une culasse surmontant le cylindre et délimitant avec le piston et le cylindre une c hambre de combustion, le piston comprenant une cavité (ou bol) ouverte vers la culasse. La dite cavité présente au moins un volume de section ellipsoïde selon un plan transversal du p iston, dont l'axe principal et les génératrices sont essentiellement parallèles à l'axe long itudinal du piston, afin de réduire dans la chambre de combustion les rapports entre surface et volu me, et d'augmenter les niveaux de turbulence en fin du cycle de compression. Selon l'invention la (ou les) ellipses sont telles que: (voir fig. 1) G R étant le grand rayon de l'un au moins des volumes P R étant le petit rayon dudit (ou desdits) volumes. Figure 2 à publier.
Description
CA 0220208~ 1997-04-07 ~ La présente invention conceme le domaine des moteurs à combustion mterne à allumage commandé.
Plus tJalti~uli~lcmcllt, la présente invention concerne les moteurs comprenant au moins un cylindre dans lequel coulisse un piston selon l'axe du cylindre, une culasse surmontant le cylindre et 5 délimitant avec le piston et le cylindre une chambre de combustion, le piston comprenant une cavité (ou bol) ouverte vers la culasse.
Les moteurs du type prC~cité et r( en mélange pauvre sont particulièrement visés par l'invention.
Av~m~g~ mrnt, les moteurs à allumage commandé r, 'rnn~rll en mélange très dilué
10 (richesse du mélange inférieure à 0,6 par exemple) permettent de réduire u U ~ a~ ll ,llt Ies émissions polluantes telles que les oxydes d'azote (NOX).
Cependant cette technologie peut poser des problèmes liés à l'initiahon et à la propagation de la flamme, problèmes qui se traduisent par des instabilités de la combustion, et par une ~ngm~nt~inn du taux d'hy.llu~,~l,ulc~ imbrtllés.
Le motoriste qui conçoit ce type de moteurs doit donc porter une attention particulière à la qualité de la combustion qui doit être rapide et stable, afin de réduire les émissions de NOX tout en augmentant le rendement énergétique du moteur.
Les . ~ f ~ rS de la combustion dépendent de facteurs ~,.'. " "rn ;~ (formes de la chambre, du bol dans le piston, de la position de la bougie et du système d'admission)2 aérodynamiques (turbulence et vitesses), de la distribution L'~ 1;"" de 1'ilCIudyll~ i4_~ interne se révèle être une étape importante dans la conception d'un moteur à allumage commandé r, en mélange pauvre. La mise au point de l'~"ludyll~
interne dans la chambre au moment de l'allumage doit contribuer à I'A~ II des vitesses de combustion et favoriser la stabilité de la flamme à l'allumage. Les ~ f~ de l'ecoulement à ce moment dans la chambre dépendent du résultat de l'interachon de l'aérodynamique post admission avec la forme de la chambre de combustion. Les niveaux de turbulence et de vitesses doivent notamment être optimisés pour favoriser la stabilité de l'allumage et la propagation de la flamme dans la chambre.
Différentes geométries ont été développées récemment, notamment au niveau du bol (ou cavité) forrné dans le piston lui-même.
Ainsi le brevet US 5 351665 décrit une chambre de combustion formée dans le piston, par une cavité ayant une géométrie particulière.
Le document FR 2 713 282 divulgue une autre géométrie de bol formé dans la partie supérieure du piston.
L'objet de la présente demande consiste à répondre aux objectifs a~,ud~ ~ énoncés ci-avant afin de contribuer à optimiser le compromis rendement cll.lr,cti4u~ ;ulls.Il s'agit en particulier selon l'invention d'optimiser les niveaux de turbulence et de vitesses a proximité de la bougie d'allumage; en effet, un trop fort niveau de turbulence accroît les instabilités cycliques.
CA 0220208~ 1997-04-07 Un autre objectif de l'invention consiste à maximiser les niveaux de turbulence moyenne dans la - chambre en utilisant notamment l'interaction de la forme de la chambre avec le tourbillonnement autour de l'axe du cylindre pour générer la turbulence.
Parallèlement le principal problème est d'éviter des vitesses de gaz excessives au moment de 5 I'allumage, ces vitesses pouvant afrecter la qualité de la combustion.
Tous ces aspects ont été pris en compte pour aboutir à la présente invention qui a pour objet un moteur tel que défni en tête de la description.
La cavité (ou bol) du piston ouverte vers la culasse présente au moins un volume de section ellipsolde selon un plan transversal du piston, dont l'axe principal et les génératrices sont f~cc~nti, ~ ml~n~
10 parallèles à l'axe longitudinal du piston, afin de réduire dans la chambre de combustion les rapports entre surface et volume, et d'optimiser les niveaux de turbulence en fm du cycle de ~-~n~ aai~
Selon l'invention les ellipses sont telles que 0<;~<0,6 avec GR ~ PR
GR etant le grand rayon de l'un au moins des volumes PR étant le petit rayon dudit (ou desdits) volumes.
Plus précisément, ladite cavité comprend deux volumes - dont la profondeur Pg>0, 1 5xB;
- dont le grand rayon GR est tel que: 0,25xB<GR<0,40xB;
- dont le petit rayon PR est tel que: 0,1OxB<PR<0,25xB
- B étant l'alésage du cylindre.
De fa~on particu1ière, selon l'invention la position des volumes est telle que, Ci étant le centre de symétrie respectif de chaque ellipse et Di étant la distance de l'axe du cylindre au centre Ci de chaque ellipse: O<Di<0,20B.
Sans sortir du cadre de l'invention, I'angle (a) entre les grands axes de chaque ellipse peut être nul Selon un autre mode de réalisation de l'invention, I'angle (o) entre les grands axes de chaque ellipse peut être c~ncihl~m~nt égal à 90~.
D'autres ~.~l~t~ ti.~ s, détails et avantages de la présente invention apparaîtront mieux à la lecture de la description qui va suivre, faite à titre illustratif et nullement limitatif en référence aux figures annexées selon lesquelles:
- La figure 1~ montre en coupe l~ un moteur à combustion interne ayant une chambre selon l'invention;
- La figure 2 est une vue de dessus du piston ayant une cavité selon l'invention;
- La figure 3 est une vue de dessus du piston ayant une cavité particulière selon l'invention;
- La figure 4 est une vue de dessus du piston ayant une cavité selon un autre mode de réalisation de l'invention;
- La figure 5 montre des courbes d'énergie cinétique turbulente moyenne en fonction de l'angle vi lebrequin, obtenues pour différentes géometries de cavités du piston.
~.
CA 0220208~ 1997-04-07 La figure I illustre en coupe longitudinale la chambre de combustion I d'un moteur à combustion interne à allumage commandé selon l'invention.
La chambre de combustion est déiimitée par le piston 2 qui coul;sse h~ngltll-linnlt~m~ t dans le cylindre 3, et par la culasse 4, qui porte de façon habituelle une bougie 5 et une ou phlsieurs ouvertures 5 (non 1e~lé~en.6~) pour l'admission et l'f~ 1 Le piston 2 comprend une cavité 6 (ou bol) de forme spéci~lque.
La cavité 6 est ouverte vers la culasse 4 et se présente sous la forme d'au moins un volume de Section ellipsolde selon un plan transversal du piston. En outre l'axe principal du (ou de~s) volume(5) ellipsolde(.s) est sensiblement parallèle à l'axe longitudinal du cylindre. Les génératrices de la cavité 6 10 sont esil~ntipllrnn~nt parallèles à l'axe longitudinal et donc aux parois du cylindre.
Conformément à l'invention, les ellipses présentent un ,,l~h l ;~" .. 7. tel que ~ = GR pR
GR étant le grand rayon de l'un au moins des volumes PR étant le petit rayon dudit (ou desdits) volumes.
Cette caractéristique apparaît comme très importante pour obtenir les effets mentionnés ci-après notamment au niveau de l'aé-od~ .n;~ interne, des transferts thermiques, tout en respectant par ailleurs les contraintes g~nrn~triq~
Lorsque ~ = O, on a GR = PR donc un cercle qui est en fait une ellipse particulière. Ceci correspond au cas où GR = PR = 0,25B.
Lorsque ~ = 0,6, on a une ellipse aplatie qui correspond au cas extrême où GR = 0,4B et où PR =
0,IB.
Ces valeurs marquent bien les limites ~é~ ; , auxquelles s'applique l'invention. Dans la plage définie par ces limites, I'invention permet notamment les ~m~liorrtion~ énoncées ci-après.
Préférentiellement, selon l'invention la cavité 6 comprend deux volumes ellipsoïdes 61. 62 comme le montre la figure 2. La profondeur PB de chaque volume est supérieure à 15 ~O de l'alésage B
du cylindre.
En outre le grand rayon GR de chaque ellipse est compris entre 0,25 et 0,40 fois l'alésage B du cylindre: 0,25B<GR<O,40B, ,~
~ Le petit rayon PR de chaque ellipse est préférentiellement compris entre 0,10 et 0,25 fois l'alésage B du cylindre: 0,IOB<PR<O,25B.
Le grand rayon étant sensiblement égal à la moitié du ,grand axe de l'ellipse er le petit rayon à la moitié du petit axe de l'ellipse.
Selon une autre caractéristique de l'invention, les centres de symétrie Ci des ellipses (ici Cl et C2) sont situés à une distance du centre C de l'alésage inférieure à 0,20 fois la valeur de l'alésage B.
L'angle o~ entre les grands axes de chaque volume peut être quelconque.
La figure 3 mo-ntre un mode de realisation de l'invention selon lequel les grands axes des ellipses sont perpendiculaires entre eux. A titre illustratif, I'alésage B du cylindre est ici égal à 120 mm, le grand rayon GR de chaque volume est égal à 40 mm et le petit rayon PR égal à 24 mm. Le centre Cl est confondu avec le centre C du cylindre tandis que le centre C2 du deuxième volume est placé à une distance de 5,4 mm du centre C.
~.
CA 0220208~ 1997-04-07 La figure 3A (coupe 1, O ' '-) montre plus précisément comment est creusée la cavité 6 dont les génératrices sont parallèles à l'axe du piston. Autrement dit, les sections Lla..~clsdl~ sont égales quelle que soit la profondeur de la cavité. Toutefois la base et le sommet de la cavité 6 présentent de t:aibles variations de section dues à des contraintes de fabncation.
La figure 4 illustre un autre mode de réalisation de l'invention dont la cavité 6 présente deu~
volumes de section transversale ellipsoide, dont les grands axes des ellipses sont sensiblement parallèles entre eux. Selon cette illustration de l'invention l'alésage B égal à 120 mm, le grand rayon GR de chaque ellipse est égal à 40 mm, le petit rayon PR de chaque ellipse est égal à 24 mm et les centres de symétrie Cl et C2 de chaque ellipse sont chacun déportés à 12 mm du centre C de l'alésage B. Les autres détails 10 de cette géométne sont visibles sur ia figure 4A, et semblables a ceux donnés en relation avec la figure 3A.
La position précise de chacun des centres Cl et C2 est choisie pour accentuer l'effet du d6~ c~ ... par rapport à l'axe de la chambre de combustion tout en tenant compte de certaines contraintes d'tll~,ulllblell~
Les modes de réalisation ci-dessus exposes ont été testés sur banc d'essais moteur pour un moteur de poids lourd fonctionnant en mélange pauvre, avec du méthane. Les résultats obtenus avec ces géométries de chambre ont permis de réduire les émissions de NOX jusqu'à une valeur inferieure à I
g/Kwh tout en maintenant un rendement effectif maximal voisin de 40%, ce qui les rapproche du rendement d'un moteur diesel à injection directe dépollué.
La figure 5 illustre l'amélioration de l'invention au niveau de la turbulence créée dans lâ chambre de combustion.
En effet les courbes I et II représentent IC~ ... I'énergie cinétique moyenne de turbulence (TKE) en fonction de l'angle vilebrequin, dans une chambre selon la figure 4 et selon la figure 3.
Les autres courbes concernent l'énergie cinétique de turbu~ence pour des géométries de bols non conformes à l'invention. Ainsi: ~
- La courbe III concerne un bol en forme de cylindre, décentrée par rapport à lâ bougie, - La courbe IV montre les ~elrullllau~cS d'un bol cylindrique, centré autour de la bougie;
- La courbe V illustre les turbulences créées par un bol en forme de tronc de cône; enfm - La courbe VI a trait à un bol s~ncihl~m,~.nt sphérique; il correspond d une géométrie connue utilisée dans des moteurs Diesel.
Ces différentes géométries de bols laissent apparaître des différences de turbulencés sensibles surtout à la fin de lâ culll~JIéSS;ull, puisque avec les géométries selon l'invention on atteint des énergies cinétiques turbulentes comprises entre 42 et 50 m2/s2 tandis que avec les autres géométries (courbes m à
VI), ces mêmes énergies restent plutôt inférieunes à 30 m2/s2.
De jaçon avantageuse, I'~llgmf~nt~ti~n des niveam~ de turbulence dans la chambre de combustion a été obtenue pendant la phase de compression en "Ll~ rullllalll" l'écou~ement tourbillonnaire issu de l'admission.
En résume, I'invention est relative à la conception d'un moteur a combustion interne, à culasse plate ou non pouvant être utilisé en mélange pauvre avec du gaz naturel, avec un meilleur compromis entre le rendement énergétique et les émissions de polluants vis-à-vis des technologies actuelles.
CA 0220208~ 1997-04-07 L'invention concerne la mise au point de géométries de bols dnns le piston qui permettent de développer des niveaux de turbulence élevés en fin de compression. Elles ont été réalisées à partir de l'analyse de l'aérodynamique inteme et sont basées sur des formes elliptiques spécifiques. Ces formes contribuent à réduire les rapports surface/volume dans la chambre donc les transferts thermiques, et 5 améliorent ainsi le rendement énergétique. En outre, ces géométries perrnettent d'augmenter les niveaux de turbulence en hn de ~v---t -c~;.--- en cassant l'écoulement issus de l'admission. Ceci permet d'optlmiser les caractéristiques de la combustion. La disposition judicieuse des ellipses constituant le bol dans le piston permet d'obtenir pendant la phase de compression l'a~llJdyllal--i.lu~ la plus favorable ~i la réalisation de nos objectifs en tenant compte des contraintes liées à l'hl~L.~Iliali~aLi~ des pièces.
11 est ainsi possible de transformer des moteurs existants en leur donnant des géométries de chambre et notamment des géométries de pistons telles que l~ ,e5. Des moteurs diesel de grosse puissance peuvent être modifiées selon l'invention pour fonctionner au gaz naturel avec de très faibles émissions de polluants (notamment de NO~ et de CO,) associées à un rendement comparable à celui d'un moteur diesel à injection directe.
Plus tJalti~uli~lcmcllt, la présente invention concerne les moteurs comprenant au moins un cylindre dans lequel coulisse un piston selon l'axe du cylindre, une culasse surmontant le cylindre et 5 délimitant avec le piston et le cylindre une chambre de combustion, le piston comprenant une cavité (ou bol) ouverte vers la culasse.
Les moteurs du type prC~cité et r( en mélange pauvre sont particulièrement visés par l'invention.
Av~m~g~ mrnt, les moteurs à allumage commandé r, 'rnn~rll en mélange très dilué
10 (richesse du mélange inférieure à 0,6 par exemple) permettent de réduire u U ~ a~ ll ,llt Ies émissions polluantes telles que les oxydes d'azote (NOX).
Cependant cette technologie peut poser des problèmes liés à l'initiahon et à la propagation de la flamme, problèmes qui se traduisent par des instabilités de la combustion, et par une ~ngm~nt~inn du taux d'hy.llu~,~l,ulc~ imbrtllés.
Le motoriste qui conçoit ce type de moteurs doit donc porter une attention particulière à la qualité de la combustion qui doit être rapide et stable, afin de réduire les émissions de NOX tout en augmentant le rendement énergétique du moteur.
Les . ~ f ~ rS de la combustion dépendent de facteurs ~,.'. " "rn ;~ (formes de la chambre, du bol dans le piston, de la position de la bougie et du système d'admission)2 aérodynamiques (turbulence et vitesses), de la distribution L'~ 1;"" de 1'ilCIudyll~ i4_~ interne se révèle être une étape importante dans la conception d'un moteur à allumage commandé r, en mélange pauvre. La mise au point de l'~"ludyll~
interne dans la chambre au moment de l'allumage doit contribuer à I'A~ II des vitesses de combustion et favoriser la stabilité de la flamme à l'allumage. Les ~ f~ de l'ecoulement à ce moment dans la chambre dépendent du résultat de l'interachon de l'aérodynamique post admission avec la forme de la chambre de combustion. Les niveaux de turbulence et de vitesses doivent notamment être optimisés pour favoriser la stabilité de l'allumage et la propagation de la flamme dans la chambre.
Différentes geométries ont été développées récemment, notamment au niveau du bol (ou cavité) forrné dans le piston lui-même.
Ainsi le brevet US 5 351665 décrit une chambre de combustion formée dans le piston, par une cavité ayant une géométrie particulière.
Le document FR 2 713 282 divulgue une autre géométrie de bol formé dans la partie supérieure du piston.
L'objet de la présente demande consiste à répondre aux objectifs a~,ud~ ~ énoncés ci-avant afin de contribuer à optimiser le compromis rendement cll.lr,cti4u~ ;ulls.Il s'agit en particulier selon l'invention d'optimiser les niveaux de turbulence et de vitesses a proximité de la bougie d'allumage; en effet, un trop fort niveau de turbulence accroît les instabilités cycliques.
CA 0220208~ 1997-04-07 Un autre objectif de l'invention consiste à maximiser les niveaux de turbulence moyenne dans la - chambre en utilisant notamment l'interaction de la forme de la chambre avec le tourbillonnement autour de l'axe du cylindre pour générer la turbulence.
Parallèlement le principal problème est d'éviter des vitesses de gaz excessives au moment de 5 I'allumage, ces vitesses pouvant afrecter la qualité de la combustion.
Tous ces aspects ont été pris en compte pour aboutir à la présente invention qui a pour objet un moteur tel que défni en tête de la description.
La cavité (ou bol) du piston ouverte vers la culasse présente au moins un volume de section ellipsolde selon un plan transversal du piston, dont l'axe principal et les génératrices sont f~cc~nti, ~ ml~n~
10 parallèles à l'axe longitudinal du piston, afin de réduire dans la chambre de combustion les rapports entre surface et volume, et d'optimiser les niveaux de turbulence en fm du cycle de ~-~n~ aai~
Selon l'invention les ellipses sont telles que 0<;~<0,6 avec GR ~ PR
GR etant le grand rayon de l'un au moins des volumes PR étant le petit rayon dudit (ou desdits) volumes.
Plus précisément, ladite cavité comprend deux volumes - dont la profondeur Pg>0, 1 5xB;
- dont le grand rayon GR est tel que: 0,25xB<GR<0,40xB;
- dont le petit rayon PR est tel que: 0,1OxB<PR<0,25xB
- B étant l'alésage du cylindre.
De fa~on particu1ière, selon l'invention la position des volumes est telle que, Ci étant le centre de symétrie respectif de chaque ellipse et Di étant la distance de l'axe du cylindre au centre Ci de chaque ellipse: O<Di<0,20B.
Sans sortir du cadre de l'invention, I'angle (a) entre les grands axes de chaque ellipse peut être nul Selon un autre mode de réalisation de l'invention, I'angle (o) entre les grands axes de chaque ellipse peut être c~ncihl~m~nt égal à 90~.
D'autres ~.~l~t~ ti.~ s, détails et avantages de la présente invention apparaîtront mieux à la lecture de la description qui va suivre, faite à titre illustratif et nullement limitatif en référence aux figures annexées selon lesquelles:
- La figure 1~ montre en coupe l~ un moteur à combustion interne ayant une chambre selon l'invention;
- La figure 2 est une vue de dessus du piston ayant une cavité selon l'invention;
- La figure 3 est une vue de dessus du piston ayant une cavité particulière selon l'invention;
- La figure 4 est une vue de dessus du piston ayant une cavité selon un autre mode de réalisation de l'invention;
- La figure 5 montre des courbes d'énergie cinétique turbulente moyenne en fonction de l'angle vi lebrequin, obtenues pour différentes géometries de cavités du piston.
~.
CA 0220208~ 1997-04-07 La figure I illustre en coupe longitudinale la chambre de combustion I d'un moteur à combustion interne à allumage commandé selon l'invention.
La chambre de combustion est déiimitée par le piston 2 qui coul;sse h~ngltll-linnlt~m~ t dans le cylindre 3, et par la culasse 4, qui porte de façon habituelle une bougie 5 et une ou phlsieurs ouvertures 5 (non 1e~lé~en.6~) pour l'admission et l'f~ 1 Le piston 2 comprend une cavité 6 (ou bol) de forme spéci~lque.
La cavité 6 est ouverte vers la culasse 4 et se présente sous la forme d'au moins un volume de Section ellipsolde selon un plan transversal du piston. En outre l'axe principal du (ou de~s) volume(5) ellipsolde(.s) est sensiblement parallèle à l'axe longitudinal du cylindre. Les génératrices de la cavité 6 10 sont esil~ntipllrnn~nt parallèles à l'axe longitudinal et donc aux parois du cylindre.
Conformément à l'invention, les ellipses présentent un ,,l~h l ;~" .. 7. tel que ~ = GR pR
GR étant le grand rayon de l'un au moins des volumes PR étant le petit rayon dudit (ou desdits) volumes.
Cette caractéristique apparaît comme très importante pour obtenir les effets mentionnés ci-après notamment au niveau de l'aé-od~ .n;~ interne, des transferts thermiques, tout en respectant par ailleurs les contraintes g~nrn~triq~
Lorsque ~ = O, on a GR = PR donc un cercle qui est en fait une ellipse particulière. Ceci correspond au cas où GR = PR = 0,25B.
Lorsque ~ = 0,6, on a une ellipse aplatie qui correspond au cas extrême où GR = 0,4B et où PR =
0,IB.
Ces valeurs marquent bien les limites ~é~ ; , auxquelles s'applique l'invention. Dans la plage définie par ces limites, I'invention permet notamment les ~m~liorrtion~ énoncées ci-après.
Préférentiellement, selon l'invention la cavité 6 comprend deux volumes ellipsoïdes 61. 62 comme le montre la figure 2. La profondeur PB de chaque volume est supérieure à 15 ~O de l'alésage B
du cylindre.
En outre le grand rayon GR de chaque ellipse est compris entre 0,25 et 0,40 fois l'alésage B du cylindre: 0,25B<GR<O,40B, ,~
~ Le petit rayon PR de chaque ellipse est préférentiellement compris entre 0,10 et 0,25 fois l'alésage B du cylindre: 0,IOB<PR<O,25B.
Le grand rayon étant sensiblement égal à la moitié du ,grand axe de l'ellipse er le petit rayon à la moitié du petit axe de l'ellipse.
Selon une autre caractéristique de l'invention, les centres de symétrie Ci des ellipses (ici Cl et C2) sont situés à une distance du centre C de l'alésage inférieure à 0,20 fois la valeur de l'alésage B.
L'angle o~ entre les grands axes de chaque volume peut être quelconque.
La figure 3 mo-ntre un mode de realisation de l'invention selon lequel les grands axes des ellipses sont perpendiculaires entre eux. A titre illustratif, I'alésage B du cylindre est ici égal à 120 mm, le grand rayon GR de chaque volume est égal à 40 mm et le petit rayon PR égal à 24 mm. Le centre Cl est confondu avec le centre C du cylindre tandis que le centre C2 du deuxième volume est placé à une distance de 5,4 mm du centre C.
~.
CA 0220208~ 1997-04-07 La figure 3A (coupe 1, O ' '-) montre plus précisément comment est creusée la cavité 6 dont les génératrices sont parallèles à l'axe du piston. Autrement dit, les sections Lla..~clsdl~ sont égales quelle que soit la profondeur de la cavité. Toutefois la base et le sommet de la cavité 6 présentent de t:aibles variations de section dues à des contraintes de fabncation.
La figure 4 illustre un autre mode de réalisation de l'invention dont la cavité 6 présente deu~
volumes de section transversale ellipsoide, dont les grands axes des ellipses sont sensiblement parallèles entre eux. Selon cette illustration de l'invention l'alésage B égal à 120 mm, le grand rayon GR de chaque ellipse est égal à 40 mm, le petit rayon PR de chaque ellipse est égal à 24 mm et les centres de symétrie Cl et C2 de chaque ellipse sont chacun déportés à 12 mm du centre C de l'alésage B. Les autres détails 10 de cette géométne sont visibles sur ia figure 4A, et semblables a ceux donnés en relation avec la figure 3A.
La position précise de chacun des centres Cl et C2 est choisie pour accentuer l'effet du d6~ c~ ... par rapport à l'axe de la chambre de combustion tout en tenant compte de certaines contraintes d'tll~,ulllblell~
Les modes de réalisation ci-dessus exposes ont été testés sur banc d'essais moteur pour un moteur de poids lourd fonctionnant en mélange pauvre, avec du méthane. Les résultats obtenus avec ces géométries de chambre ont permis de réduire les émissions de NOX jusqu'à une valeur inferieure à I
g/Kwh tout en maintenant un rendement effectif maximal voisin de 40%, ce qui les rapproche du rendement d'un moteur diesel à injection directe dépollué.
La figure 5 illustre l'amélioration de l'invention au niveau de la turbulence créée dans lâ chambre de combustion.
En effet les courbes I et II représentent IC~ ... I'énergie cinétique moyenne de turbulence (TKE) en fonction de l'angle vilebrequin, dans une chambre selon la figure 4 et selon la figure 3.
Les autres courbes concernent l'énergie cinétique de turbu~ence pour des géométries de bols non conformes à l'invention. Ainsi: ~
- La courbe III concerne un bol en forme de cylindre, décentrée par rapport à lâ bougie, - La courbe IV montre les ~elrullllau~cS d'un bol cylindrique, centré autour de la bougie;
- La courbe V illustre les turbulences créées par un bol en forme de tronc de cône; enfm - La courbe VI a trait à un bol s~ncihl~m,~.nt sphérique; il correspond d une géométrie connue utilisée dans des moteurs Diesel.
Ces différentes géométries de bols laissent apparaître des différences de turbulencés sensibles surtout à la fin de lâ culll~JIéSS;ull, puisque avec les géométries selon l'invention on atteint des énergies cinétiques turbulentes comprises entre 42 et 50 m2/s2 tandis que avec les autres géométries (courbes m à
VI), ces mêmes énergies restent plutôt inférieunes à 30 m2/s2.
De jaçon avantageuse, I'~llgmf~nt~ti~n des niveam~ de turbulence dans la chambre de combustion a été obtenue pendant la phase de compression en "Ll~ rullllalll" l'écou~ement tourbillonnaire issu de l'admission.
En résume, I'invention est relative à la conception d'un moteur a combustion interne, à culasse plate ou non pouvant être utilisé en mélange pauvre avec du gaz naturel, avec un meilleur compromis entre le rendement énergétique et les émissions de polluants vis-à-vis des technologies actuelles.
CA 0220208~ 1997-04-07 L'invention concerne la mise au point de géométries de bols dnns le piston qui permettent de développer des niveaux de turbulence élevés en fin de compression. Elles ont été réalisées à partir de l'analyse de l'aérodynamique inteme et sont basées sur des formes elliptiques spécifiques. Ces formes contribuent à réduire les rapports surface/volume dans la chambre donc les transferts thermiques, et 5 améliorent ainsi le rendement énergétique. En outre, ces géométries perrnettent d'augmenter les niveaux de turbulence en hn de ~v---t -c~;.--- en cassant l'écoulement issus de l'admission. Ceci permet d'optlmiser les caractéristiques de la combustion. La disposition judicieuse des ellipses constituant le bol dans le piston permet d'obtenir pendant la phase de compression l'a~llJdyllal--i.lu~ la plus favorable ~i la réalisation de nos objectifs en tenant compte des contraintes liées à l'hl~L.~Iliali~aLi~ des pièces.
11 est ainsi possible de transformer des moteurs existants en leur donnant des géométries de chambre et notamment des géométries de pistons telles que l~ ,e5. Des moteurs diesel de grosse puissance peuvent être modifiées selon l'invention pour fonctionner au gaz naturel avec de très faibles émissions de polluants (notamment de NO~ et de CO,) associées à un rendement comparable à celui d'un moteur diesel à injection directe.
Claims (5)
1) Moteur à combustion interne à allumage commandé comprenant au moins un cylindre dans lequel coulisse un piston selon l'axe du cylindre, une culasse surmontant le cylindre et délimitant avec le piston et le cylindre une chambre de combustion, le piston comprenant une cavité (ou bol) ouverte vers la culasse, ladite cavité présente plusieurs volumes de section ellipsoïde selon un plan transversal du piston, dont l'axe principal et les génératrices sont essentiellement parallèles à l'axe longitudinal du piston, afin de réduire dans la chambre de combustion les rapports entre surface et volume, et d'augmenter les niveaux de turbulence en fin du cycle de compression, caractérisé en ce que les ellipses sont telles que 0<.lambda.<0,6 avec .lambda. = GR-PR
GR+PR
GR étant le grand rayon de l'un au moins des volumes PR étant le petit rayon dudit (ou desdits) volumes
GR+PR
GR étant le grand rayon de l'un au moins des volumes PR étant le petit rayon dudit (ou desdits) volumes
2) Moteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les deux volumes sont tels que:
- la profondeur PB>0,15XB;
- le grand rayon GR est tel que: 0,25xB<GR<0,40xB;
- le petit rayon PR est tel que: 0,10xB<PR<0,25xB
- B étant l'alésage du cylindre.
- la profondeur PB>0,15XB;
- le grand rayon GR est tel que: 0,25xB<GR<0,40xB;
- le petit rayon PR est tel que: 0,10xB<PR<0,25xB
- B étant l'alésage du cylindre.
3) Moteur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la position des volumes est telle que, Ci étant le centre de symétrie.respectif de chaque ellipse et Di étant la distance de l'axe du cylindre au centre Ci de chaque ellipse: 0<Di<0,20B.
4) Moteur selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'angle (.alpha.) entre les grands axes de chaque ellipse est nul.
5) Moteur selon l'une quelconque des revendications 2 OU 3, caractérisé en ce que l'angle (.alpha.) entre les grands axes de chaque ellipse est sensiblement égal à 90°.
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