FR3057032A1 - Moteur a combustion interne a allumage commande avec pistons comportant une cavite a sections elliptiques evolutives - Google Patents
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Abstract
L'invention porte sur un moteur à combustion interne à allumage commandé comprenant au moins un cylindre (3) dans lequel coulisse un piston (2) selon l'axe du cylindre (X), une culasse (4) surmontant le cylindre et délimitant avec le piston et le cylindre une chambre de combustion (1), le piston comprenant une cavité (6) ouverte vers la culasse. La cavité présente un fond (6b) et au moins deux volumes (V1, V2) ayant chacun une section elliptique (S1, S2) selon tout plan orthogonal j à l'axe du piston (X) non sécant avec le fond. La section elliptique a un facteur d'aplatissement λ spécifique, et est décroissante de l'ouverture vers le fond de la cavité sur une portion de la cavité de hauteur étant au moins égale à 50% de la profondeur PB de la cavité.
Description
Domaine de l'invention
La présente invention concerne le domaine des moteurs à combustion interne à allumage commandé. En particulier, la présente invention concerne les moteurs comportant 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) de forme spécifique ouverte vers la culasse.
Contexte général
Les moteurs du type précité et fonctionnant en mélange dilué (pauvre ou avec EGR) sont particulièrement visés par l'invention.
Avantageusement, les moteurs à allumage commandé fonctionnant en mélange très dilué (richesse du mélange inférieure à 0,6 par exemple) permettent de réduire considérablement les émissions polluantes telles que les oxydes d'azote (NOX).
Cependant cette technologie peut poser des problèmes liés à l'initiation et à la propagation de la flamme, problèmes qui se traduisent par des instabilités de la combustion, et par une augmentation du taux d'hydrocarbures imbrûlés.
Une attention particulière à la qualité de la combustion est donc portée lors de la conception de ce type de moteurs. La combustion doit être rapide et stable, afin de réduire les émissions de NOX tout en augmentant le rendement énergétique du moteur.
Les caractéristiques de la combustion dépendent de facteurs géométriques (forme de la chambre, du bol dans le piston, de la position de la bougie et du système d'admission), aérodynamique interne (turbulence et vitesses), de la distribution, etc.
L'optimisation de l'aérodynamique interne se révèle être une étape importante dans la conception d'un moteur à allumage commandé fonctionnant en mélange dilué. La mise au point de l'aérodynamique interne dans la chambre au moment de l'allumage doit contribuer à l'augmentation des vitesses de combustion et favoriser la stabilité de la flamme à l'allumage. Les caractéristiques de l'écoulement à ce moment dans la chambre dépendent du résultat de l'interaction de l'aérodynamique post admission avec la forme de la chambre de combustion. Les niveaux de turbulence atteints doivent notamment être optimisés pour favoriser la stabilité de l'allumage et la propagation de la flamme dans la chambre, et notamment pour éviter toute extinction de la flamme ou encore limiter les combustions anormales de type cliquetis.
Différentes géométries de pistons, en particulier du bol formé dans la partie supérieure du piston ouverte vers la culasse, ont été développées, notamment pour contraindre l’écoulement des gaz dans la chambre de combustion, en vue d’améliorer la combustion du carburant et d’augmenter les performances et les caractéristiques antipollution du moteur.
Ainsi le brevet US 5 351 665 décrit une chambre de combustion formée dans le piston, par une cavité ayant une géométrie particulière.
Le document FR 2713 282 divulgue une autre géométrie de bol formé dans la partie supérieure du piston.
Les documents FR 2 739 896 et US 5 862 789 divulguent encore une autre géométrie de bol formé dans la partie supérieure du piston, le bol comportant au moins un volume 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. La section ellipsoïde est caractérisée par une ellipse de forme particulière présentant un facteur d’aplatissement λ compris entre 0 et 0,6, ledit facteur λ étant défini comme le ratio entre la différence du grand axe de l’ellipse GR et le petit axe de l’ellipse PR et la somme du grand axe de l’ellipse GR et le petit axe de l’ellipse PR :
, _ gr - Pr ~ Gr+ Pr
Cette géométrie permet de réduire les rapports entre surface et volume dans la chambre de combustion et d'augmenter les niveaux de turbulence en fin du cycle de compression.
Objectifs et résumé de l'invention
L'objet de la présente demande consiste à répondre aux objectifs aérodynamiques énoncés ci-avant afin de contribuer à optimiser le compromis rendement énergétique/émissions. En particulier, la présente invention est un perfectionnement du moteur à combustion divulgué dans les documents FR 2 739 896 et US 5 862 789.
L'invention vise notamment à optimiser les niveaux de turbulence et de vitesses à proximité de la bougie d'allumage ; en effet, une modération des niveaux de turbulence à proximité de la culasse et de la bougie d’allumage est recherchée car un trop fort niveau de turbulence accroît les instabilités cycliques et les risques de raté d’allumage.
Un autre objectif de l'invention consiste à maximiser les niveaux de turbulence au fond de la chambre afin d’accélérer la combustion dans cette partie de la chambre, en utilisant notamment l'interaction de la géométrie de la chambre avec le mouvement de « swirl >> pour générer la turbulence. Par mouvement de swirl, on entend le mouvement macroscopique des fluides autour de l'axe du cylindre généré durant l’admission, en forme de spirale, également appelé tourbillon en français.
Un objectif supplémentaire consiste à fournir une géométrie de chambre de combustion qui ne perturbe pas l’initiation de la flamme, et qui maximise les vitesses de combustion notamment par l'interaction du noyau de la flamme avec les zones de turbulences crées dans la chambre de combustion et dépendantes de la géométrie de la chambre. Ainsi un niveau de turbulence modéré et des vitesses de gaz excessives sont à éviter au moment et au lieu de l'allumage, cela pouvant affecter la qualité de la phase d’initiation de la combustion, mais sont à maintenir élevés ensuite de manière à obtenir une vitesse de combustion élevée.
La présente invention vise en particulier à fournir un moteur à combustion interne, à culasse plate ou non, pouvant être utilisé en mélange dilué (pauvre ou avec EGR) avec du gaz naturel, présentant un bon compromis entre le rendement énergétique et les émissions de polluants en comparaison avec les technologies actuelles. La présente invention peut ainsi avantageusement s’appliquer à la conversion des moteurs Diesel au gaz naturel dans laquelle l’architecture de base du moteur est conservée, à savoir une chambre formée dans le piston (bol) et une culasse de préférence plate.
Ainsi, pour atteindre au moins l'un des objectifs susvisés, parmi d’autres, la présente invention propose, selon un premier aspect, un 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 ouverte vers la culasse, la cavité comprenant un fond et au moins deux volumes, chacun des volumes ayant une section elliptique selon tout plan orthogonal y à l’axe du piston non sécant avec le fond de la cavité, la section elliptique de chacun des volumes étant telle que 0 < λ < 0,6 avec , _ Gr - Pr ~ Gr+ Pr
Gr étant le grand axe de l’ellipse, PR étant le petit axe de l’ellipse, chacun des volumes comportant un ensemble de génératrices, chaque génératrice formant, en chaque point n du contour de la section elliptique selon un plan orthogonal y donné, un angle qjn avec la droite parallèle à l’axe longitudinal du piston passant par le point n.
La section elliptique est décroissante de l’ouverture vers le fond de la cavité sur une portion de la cavité de hauteur étant au moins égale à 50% de la profondeur de la cavité.
Selon un mode de réalisation de l'invention, les génératrices d’au moins un des volumes forment un même angle μιη dans un plan orthogonal y donné appartenant à ladite portion de la cavité, avec 0 ° < qjn < 90 °.
Alternativement, les génératrices d’au moins un des volumes peuvent former un angle qjn qui varie continûment dans un plan orthogonal y donné appartenant à la portion de la cavité, avec 0 ° < qjn s 90 °.
Selon un mode de réalisation de l’invention, l’angle qjn de chaque génératrice est constant en fonction de la profondeur sur la portion de la cavité pour former des génératrices étant des droites, formant de préférence un angle qjn tel que 0°<qjn<40o.
Alternativement, l’angle qjn de chaque génératrice varie en fonction de la profondeur sur la portion de la cavité, de préférence varie entre 0° et 90°.
Dans ce cas, les génératrices peuvent comporter au moins un point d’inflexion sur la portion de la cavité, de préférence comporter 2+m points d’inflexion, m étant un entier compris entre 1 et 3.
L’angle moyen μη, défini par le segment de droite reliant deux points d’une génératrice situés respectivement sur une section elliptique basale et une section elliptique sommitale d’un des deux volumes à section elliptique, et par la droite parallèle à l’axe longitudinal du piston passant par l’un desdits points, peut alors être non nul et inférieur ou égal à 40°.
Selon un mode de réalisation de l’invention, le rayon de raccordement rentre la paroi et le fond de la cavité est compris entre 0,15xPB et 0,3xPB.
Selon un mode de réalisation de l’invention, le fond de la cavité est plat ou bombé.
Selon un mode de réalisation de l’invention, chaque volume a :
- une profondeur PB < 0,15xB ;
- un grand axe GR tel que : 0,25xB<GR<0,80xB, et un petit axe PR tel que : 0,10xB<Pr<0,25xB pour toute section elliptique selon un plan orthogonal j à l’axe du piston, B étant le diamètre du piston.
Avantageusement, la position de chacun des volumes est telle que 0<Dij<0,2xB, Dij étant la distance de l’axe longitudinal du piston au centre de symétrie Cij de la section elliptique du volume Vi selon un plan orthogonal y à l’axe longitudinal du piston.
Selon un mode de réalisation de l’invention, les sections elliptiques des au moins deux volumes ont un recouvrement R>0 quel que soit le plan orthogonal y sur ladite portion de la cavité, et ledit recouvrement R des sections elliptiques desdits au moins deux volumes est plus important vers l’ouverture de la cavité que vers le fond de la cavité, avec de préférence un recouvrement tel que
Dis < Djb Prs ^Rb
Dis étant la distance de l’axe longitudinal du piston au centre Cis de la section elliptique sommitale du volume Vi ;
Dib étant la distance de l’axe longitudinal du piston au centre Cib de la section elliptique basale du volume Vi ;
PRs étant le petit axe de la section elliptique sommitale du volume Vi ;
PRb étant le petit axe de la section elliptique basale du volume Vi.
Dans ce cas, les sections elliptiques des au moins deux volumes peuvent avoir un recouvrement R avec 0 < R < 0,15xAp, Ap étant l’aire de la section elliptique la plus petite sur la portion de la cavité.
Selon un mode de réalisation de l’invention, une droite passant par le grand axe Gr d’une section elliptique basale d’au moins un des volumes et la projection sur le plan contenant la section elliptique basale d’une droite passant le grand axe GR de la section elliptique située sur un plan orthogonal y donné appartenant à la portion de la cavité, forment un angle de twist ω compris entre 0° et 15°.
Selon un mode de réalisation de l’invention, les grands axes GR des sections elliptiques des volumes sont sensiblement parallèles quel que soit le plan orthogonal j appartenant à la portion de la cavité.
Selon un mode de réalisation de l’invention, la hauteur de la portion de la cavité est égale à la profondeur PB de la cavité.
Selon un mode de réalisation de l’invention, la distance de décalage d entre le centre d’une section elliptique et la projection du centre du cylindre sur le grand axe GR de la section elliptique, sur un plan j donné appartenant à la portion de la cavité, est comprise entre 0 et 0,15xGR, et les sections elliptiques des deux volumes sur le plan j sont décalées de manière opposée.
Selon un mode de réalisation de l’invention, la cavité comprend en outre un volume cylindrique intersectant les volumes à sections elliptiques.
D’autres objets et avantages de l’invention apparaîtront à la lecture de la description qui suit d’exemples de réalisations particuliers de l’invention, donnés à titre d’exemples non limitatifs, la description étant faite en référence aux figures annexées décrites ci-après.
Brève description des figures
La figure 1 illustre en coupe longitudinale un moteur à combustion interne ayant une chambre de combustion selon un mode de réalisation de l'invention.
La figure 2 est un schéma selon une vue du dessus du piston ayant une cavité selon l'invention.
Les figures 3A à 3D sont des vues 3D schématiques de sections elliptiques d’un volume de la cavité du piston selon l’invention. La figure 3A représente une section elliptique selon un plan j orthogonal à l’axe du piston. Les figures 3B à 3D représentent différents modes de réalisation d’un volume à section elliptique de la cavité selon l’invention.
La figure 4 est une vue partielle selon une coupe longitudinale de la tête de piston selon un mode de réalisation de l’invention.
La figure 5 est un schéma selon une vue du dessus du piston selon un mode de réalisation de l’invention montrant le décalage entre les centres de deux sections elliptiques selon leur grand axe.
La figure 6 est vue 3D schématique illustrant la rotation d’une section elliptique d’un volume de la cavité selon l’invention, entre deux hauteurs différentes de la cavité.
Les figures 7A et 7B sont des vues illustrant une cavité de piston selon un mode de réalisation de l’invention.
La figure 8 est un schéma selon une vue du dessus du piston selon un autre mode de réalisation de l’invention dans lequel la culasse comporte quatre soupapes.
Les figures 9A et 9B sont des schémas selon une vue du dessus du piston selon un autre mode de réalisation de l’invention dans lequel la culasse comporte deux soupapes.
La figure 10 est un schéma selon une vue du dessus du piston selon un autre mode de réalisation de l’invention dans lequel la culasse comporte deux soupapes et les sections elliptiques sommitales ont des dimensions différentes.
Les figures 11 A, 11B et 11C illustrent d’autres modes de réalisation de l’invention dans lesquels la cavité est formée par l’intersection d’un volume cylindrique et de deux volumes à sections elliptiques variable selon la profondeur.
Les figures 12A et 12B sont des vues 3D d’un piston d’un moteur selon l’art antérieur B1 (fig. 12A) et d’un piston d’un moteur selon l’invention B2 (fig. 12B).
Les figures 13A, 13B et 13C sont des coupes longitudinales selon différentes directions de deux géométries de cavités du piston : selon l’art antérieur (B1) illustré à la figure 12A (fig. 13A), et selon deux modes de réalisation de l’invention (B2 et B3, fig. 13B et fig.13C).
Les figures 14A et 14B représentent des courbes d’évolution de l'énergie cinétique turbulente moyenne (fig. 14A) et de tourbillon (fig. 14B) en fonction de l'angle vilebrequin, obtenues pour différentes géométries de cavités du piston selon l’art antérieur (B1) et selon l’invention (B2 et B3).
Les figures 15A et 15B sont des images représentant l'énergie cinétique turbulente moyenne en fonction de l'angle vilebrequin pour un moteur selon l’art antérieur (B1, fig. 15A) et selon l’invention (B2, fig. 15B).
Sur les figures, les mêmes références désignent des éléments identiques ou analogues.
Description de l'invention
L'objet de l'invention est de proposer un moteur à combustion interne à allumage commandé comportant au moins un piston de cylindre présentant un bol de forme particulière : le bol comprend des volumes à sections elliptiques et présente une paroi latérale évolutive.
La figure 1 illustre en coupe longitudinale la chambre de combustion 1 d'un moteur à combustion interne à allumage commandé selon l'invention.
La chambre de combustion 1 est délimitée par le piston 2, de diamètre B, qui coulisse longitudinalement dans le cylindre 3, et par la culasse 4, qui porte de façon habituelle une bougie 5 et une ou plusieurs ouvertures (une seule ouverture avec sa soupape 7 est représentée) pour l'admission et l'échappement. La culasse 4 est de préférence plate tel que représenté sur la figure 1. La culasse peut alternativement former un dôme ou un toit (toit comprenant une arête).
Selon l'invention, le piston 2 comprend une cavité 6, également appelé bol, de forme spécifique. Cette forme spécifique est visible sur la figure 1 et sur la figure 2 qui est une vue du dessus de la tête du piston 2.
La cavité 6 est ouverte vers la culasse 4 et comporte un fond 6b et au moins deux volumes et V2, chacun des volumes ayant une section elliptique (S15 S2) selon tout plan orthogonal j à l’axe longitudinal du piston (X) non sécant avec le fond 6b de la cavité 6.
Dans le reste de la description, quand il est fait référence à une section elliptique d’un volume de la cavité, ce sera toujours la section elliptique selon un plan orthogonal y à l’axe longitudinal du piston (X) non sécant avec le fond 6b de la cavité 6. En outre, par section elliptique on entend une section ayant la forme d’une ellipse.
La section elliptique de chacun desdits volumes est telle que 0 <λ < 0,6, de préférence 0 < λ < 0,6, avec λ étant un facteur d’aplatissement de l’ellipse, de formule suivante :
. _ Gr — Pr ~ Gr+ Pr
Gr étant le grand axe de l’ellipse, PR étant le petit axe de l’ellipse.
Un tel facteur d’aplatissement, compris dans la page de valeur donnée, est important pour obtenir les effets relatifs à l’aérodynamique interne et aux transferts de chaleur désirés et décrits plus bas.
Quand λ = 0, GR=PR, ce qui correspond à un cercle, et constitue en fait un cas particulier d’une ellipse. Cela correspond au cas où GR=PR=0,25xB.
Quand λ = 0,6, l’ellipse est aplatie, correspondant par exemple au cas extrême où GR=0,4xB et où PR=0,1xB.
Ces valeurs du facteur d’aplatissement marquent les limites auxquelles l’invention s’applique. Dans la plage de valeurs définie par ces limites, l’invention présente les caractéristiques supplémentaires décrites plus bas.
Dans le mode de réalisation illustré à la figure 2, les centres de symétrie et C2 des sections elliptiques St et S2 des volumes respectifs et V2, formées en tête du piston 2 au niveau de l’ouverture 6a (plan ja confondu avec l’ouverture de la cavité 6a en tête du piston), sont alignées avec le centre C du piston. Les grands axes GR des deux sections elliptiques sont parallèles et les dimensions des ellipses identiques (GRet PR).
Le fond 6b de la cavité 6 peut être plat, tel qu’illustré à la figure 1, ou bombé. Par fond bombé on entend un fond convexe par rapport au centre g de la cavité 6 (barycentre). Un fond creux (concave) n’est pas souhaitable. De préférence, le rayon de raccordement en fond de cavité r est compris entre 0,15xPB et 0,3xPB, Pb étant la profondeur de la cavité. Par profondeur de la cavité PB on entend la distance entre l’ouverture 6a et le fond 6b de la cavité 6, mesurée parallèlement à l’axe du piston (X). Cette distance PB peut donc varier tel que défini si la cavité présente un fond bombé. Par rayon de raccordement, on entend le rayon d’un cercle définissant la courbure entre deux points d’une courbe plane. L’utilisation de rayons de raccordement élevés en fond de cavité, en particulier présentant les valeurs ci-dessus spécifiées, permet de limiter la création de zones difficilement atteignables dans la chambre de combustion, facilitant ainsi le développement homogène de la flamme, et pouvant ainsi contribuer à limiter le phénomène de cliquetis. Il en est de même lorsque le fond de la cavité est plat.
Ainsi, selon un mode de réalisation préféré, le fond 6a de la cavité présente un rayon de raccordement r compris entre 0,15xPB et 0,3xPB. Le fond de la cavité est avantageusement plat.
Selon l’invention, la cavité 6 comporte une paroi latérale 6c présentant un profil qui évolue de manière spécifique du haut vers le bas de la cavité 6, c’est-à-dire de l’ouverture 6a de la cavité vers le fond 6b de la cavité. Plus précisément, la section elliptique d’au moins un desdits volumes (V15 et/ou V2) est décroissante de l’ouverture 6a vers le fond 6b de la cavité 6 sur une portion de la cavité 6 de hauteur H étant au moins égale à 50% de la profondeur PB de la cavité 6.
Cette caractéristique a pour effet d’éviter la perte d’énergie sous forme de dissipation et d’accélérer le tourbillon (mouvement global de swirl), jusqu’à atteindre le cas échant une destruction du tourbillon maximisant alors la turbulence, contribuant ainsi à améliorer la combustion et donc les performances du moteur.
Sur la figure 1, la hauteur H est égale à la profondeur PB de la cavité 6.
Un exemple non limitatif d’évolution de la paroi latérale est représenté figure 1. Cet exemple est détaillé plus bas en relation avec la figure 4.
Chacun des volumes (V15 V2) comporte un ensemble de génératrices G, chaque génératrice formant, en chaque point n du contour d’une section elliptique selon un plan orthogonal y, un angle μιη avec la droite (d) parallèle à l’axe longitudinal du piston (X) passant par le point n. La figure 3A illustre la section elliptique Si d’un volume V, d’une cavité de piston selon l’invention, avec une génératrice G de représentée. L’axe du piston (X) est dessiné comme passant par le centre Ci de la section elliptique S, uniquement pour des raisons de simplification de la représentation.
Par génératrice, on entend dans la présente description une courbe plane qui génère, par son mouvement de rotation autour de l’axe longitudinal d’un volume Vi, l’enveloppe délimitant le volume Vi de la cavité du piston. L’axe longitudinal du volume Vi est la droite parallèle à l’axe longitudinal du piston (X) et qui passe par le centre Cib de la section elliptique basale Sib du volume V,. Chaque volume V, comprend en effet une section elliptique sommitale au niveau de l’ouverture 6a de la cavité 6, et une section elliptique basale située à l’opposé de l’ouverture 6a, et située dans le premier plan orthogonal à l’axe longitudinal du piston (X) et non sécant avec le fond 6b de la cavité 6.
Pour un volume donné Vi, et pour un plan orthogonal y donné appartenant à ladite portion de hauteur H de la cavité (6), l’angle μη peut être constant, avec 0°<qjn<90o: les génératrices G du volume Vi forment un même angle qjn quel que soit le point n de la section elliptique sur ledit plan y donné.
Alternativement, pour un volume donné Vi, et pour un plan orthogonal y donné appartenant à ladite portion de hauteur H de la cavité (6), l’angle qjn varie continûment, avec 0°<qjn<90 : les génératrices G du volume Vi forment un angle μη qui varie continûment le long de la courbe définie par la section elliptique sur ledit plan y donné.
Que l’angle μη soit constant ou varie continûment pour un plan orthogonal j donné, deux configurations sont possibles pour les génératrices du volume Vi :
- chaque génératrice du volume Vi peut avoir un angle μιη constant en fonction de la profondeur PB sur la portion de hauteur H de la cavité 6. Dans ce cas les génératrices sont des droites, qui forment de préférence un angle μη strictement supérieur à 0 et inférieur ou égal à 40° : 0%μη^40°, et plus préférentiellement 0%μη^30°. Une telle configuration est illustrée à la figure 3B et décrite plus bas.
- chaque génératrice peut avoir un angle μη qui varie en fonction de la profondeur PB sur la portion de hauteur H de la cavité 6, de préférence qui varie entre 0° et 90°. Selon cette configuration, les génératricesG peuvent comporter au moins un point d’inflexion sur la portion de hauteur H de la cavité 6, de préférence peuvent comporter 2+m points d’inflexion, m étant un entier compris entre 1 et 3. Un volume comportant des génératrices avec un point d’inflexion est illustré aux figures 1 et 4, et détaillé plus bas en relation avec la description de la figure 4. Par ailleurs, selon cette configuration, l’angle moyen ,um, défini par le segment de droite reliant deux points d’une génératrice situés respectivement sur l’ellipse de base et l’ellipse sommitale du volume Vi, et par la droite parallèle à l’axe longitudinal du piston (X) passant par l’un desdits points, est non nul et inférieur ou égal à 40°.
Des illustrations de différents modes de réalisation de l’invention figurant plusieurs configurations possibles de l’angle μη et des génératrice d’un volume Vi sont données aux figures 3B à 3C.
La section elliptique d’un volume Vi de la cavité, de préférence de deux volumes à sections elliptiques de la cavité, décroît de l’ouverture 6a vers le fond 6b de la cavité 6 sur une portion de la cavité 6 de hauteur H étant au moins égale à 50% de la profondeur PB de la cavité 6. De préférence, la hauteur H est égale à la profondeur PB de la cavité 6, c’est-à-dire que la section elliptique décroît sur toute la profondeur de la cavité. Dans ce cadre, plusieurs géométries de cavité sont possibles selon l’invention.
La figure 3B illustre un mode de réalisation du moteur selon l’invention, dans lequel les génératrices G d’au moins un volume V, de la cavité 6 sont des droites. Les génératrices G forment alors toutes de préférence un même angle μη non nul et inférieur ou égal à 40°, de préférence inférieur ou égal à 30°, par exemple 10°, quel que soit le plan orthogonal y sur toute la hauteur H de la portion de la cavité 6 où la section elliptique décroît. Dans l’exemple représenté, le volume a une section elliptique sommitale S1a de centre C1a sur le plan ja orthogonal à l’axe longitudinal (X) du piston et une section elliptique basale S1b de centre C1b sur le plan jb orthogonal à l’axe (X). Pour toutes les génératrices G du volume Vb l’angle formé entre la génératrice G et la droite (d) parallèle à l’axe (X) en un point de la section elliptique, sommitale (points n1ja, nmja) ou basale (points n1jb, nmjb), et égal à 10° (anglesqjan1 , qjanm, qjbn1 , qjbnm). La section elliptique du volume décroît continûment de l’ouverture de la cavité (plan ya) vers le fond de la cavité (plan jb), sur la portion de hauteur H de la cavité.
La figure 3C illustre un mode de réalisation du moteur selon l’invention, dans lequel les génératrices G d’un volume Vi forment un angle μη qui varie continûment dans un plan orthogonal y donné appartenant à ladite portion de la cavité 6, avec 0°<μ^90°, par exemple avec 0“<μη<10ο tel que représenté. En particulier, dans le mocfe de réalisation illustré à la figure 3C, les génératrices sont des droites : la génératrice Gi, qui passe par le point n1ja de la section elliptique sommitale Sia et par le point n1jb de la section elliptique basale S1b, est une droite, formant un angle μ3η1 au point n1ja de même valeur (10°) que l’angle^bni formé au point n1jb. Il en est de même pour la génératrice Gm passant par les points nmja et nmjb des sections sommitale et basale, qui forme un angle (^anm au point nmja et Pjbnm au point nmjb) avec la droite (d) parallèle à l’axe (X) en lesdits points nmja et nmjb de valeur identique (0°). Sur le planya, l’angle μη varie continûment le long de la courbe définie par la section elliptique Sia, entre 10° et 0° sur une première moitié de courbe elliptique du point n1jaau point nmjaj et entre 0° et 10° sur une deuxième moitié de courbe elliptique du point nmja au point n1ja. Seule une génératrice, Gm, présente un angle μη égal à 0°, étant ainsi parallèle à l’axe longitudnal du piston (X). La section elliptique du volume décroît continûment de l’ouverture de la cavité (plan ya) vers le fond de la cavité (plan jb), sur la portion de hauteur H de la cavité. On note que les centres des sections elliptiques sommitale et basale ne se superposent pas dans un même plan orthogonal à l’axe (X).
La figure 3D illustre un mode de réalisation du moteur selon l’invention, dans lequel chaque génératrice a un angle μη qui varie en fonction de la profondeur PB sur la portion de hauteur H de la cavité 6, de préférence qui varie entre 0° et 90°, par exemple entre 0° et 10° tel que représenté.
L’exemple illustré à la figure 3D est en outre caractérisé par le fait que les génératrices G du volume forment un même angle qjn non nul et inférieur ou égal à 90°, par exemple inférieur ou égal à 10° tel que rprésenté, pour un même plan y donné, orthogonal à l’axe du piston (X) : sur le plan ja, les génératrices G du volume forment toutes un même angle qjan1 = qjanm =10° avec la droite (d) parallèle à l’axe (X) passant par les points n de la section elliptique S1a. De la même manière, sur le plan jb, les génératrices G du volume forment toutes un même angle qjbni = qjbnm= 5° avec la droite (d) parallèle à l’axe (X) par les points n de la section elliptique S1b. Plus particulièrement, au niveau du plan ja, l’angle qjani est formé entre la droite (d) parallèle à l’axe (X) et la tangente tn1 à la génératrice G au point n1ja, et l’angle qjanm est formé entre la droite (d) passant par le point nmja parallèle à l’axe (X) et la tangente tnm à la génératrice G au point nmja. Les angles qjbn1 et qjbnm sont définis de manière similaire (tangente tnm et droite (d)) pour le plan jb contenant la section elliptique basale S1b.
Pour le volume Vb on définit un angle moyen qm formé entre le segment de droite [n1ja n1jb] reliant deux points n1ja et n1jb d’une génératrice G situés respectivement sur la section elliptique sommitale S1a et la section elliptique basale S1b, et la droite (d) parallèle à l’axe longitudinal du piston (X) passant par l’un desdits points n1ja ou n1jb. Cet angle qm est de préférence non nul et inférieur ou égal à 40°, plus préférentiellement non nul et inférieur ou égal à 30°, et encore plus préërentiellement non nul et inférieur ou égal à 10°. Dans le cas illustré cet angleqm est égal à 7°.
La section elliptique du volume décroît continûment de l’ouverture de la cavité (plan ja) vers le fond de la cavité (plan jb), sur la portion de hauteur H de la cavité. Les centres des sections elliptiques sommitale et basale se superposent dans un même plan orthogonal à l’axe (X).
La figure 4 est une coupe longitudinale de la cavité 6 selon un mode de réalisation possible du moteur selon l’invention. Le profil d’une partie de la paroi 6c de la cavité 6 est visible. La partie de la paroi 6c illustrée est définie par le volume de section elliptique décroissante de l’ouverture 6a de la cavité vers le fond plat 6b de la cavité. Le profil de la paroi représente dans ce cas une génératrice du volume V15 qui est une courbe plane, c’est-à-dire contenue dans un plan. La génératrice comporte un point d’inflexion I entre l’ouverture 6a et le fond 6b de la cavité, sur la portion H de la cavité 6 où la section elliptique décroît, en plus des points d’inflexion lra et lrb (éventuels) liés aux rayons de raccordements ra et rb au niveau respectivement de l’ouverture 6a et du fond 6b de la cavité. La génératrice comporte ainsi, avec au moins un point d’inflexion I, au moins une concavité et au moins une convexité, de chaque côté du point d’inflexion I, par rapport au centre g de la cavité 6. Ce mode de réalisation avec des génératrices de volumes de la cavité comportant au moins un point d’inflexion permet avantageusement de moduler le volume et d’adapter ainsi le rapport volumétrique de compression, ou encore de prendre en compte d’autres contraintes géométriques dans la conception du piston, comme la présence d’une galerie d’huile 8. Cela permet également de moduler la vitesse d’accélération du tourbillon de haut en bas de la cavité.
De préférence la cavité 6 comporte deux volumes (Vb V2) à section elliptique variable telle que définie ci-dessus, ainsi que représenté à la figure 2. L’invention ne se limite cependant pas à une telle cavité qui peut comporter plus de deux volumes à section elliptique variable.
Les volumes à section elliptique variable définissent au moins en partie la paroi de la cavité 6. En effet, d’autres volumes peuvent composer la cavité 6, notamment des volumes de raccordement VR, tels que visibles sur la figure 2, qui permettent un raccordement entre les volumes à section elliptique. De même, la cavité peut en outre comprendre d’autres volumes dont la section ne décroît pas sur une partie de la profondeur de la cavité, par exemple des volumes à section elliptique constante sur la hauteur de la cavité, qui peuvent prendre le relais d’un volume à section elliptique décroissante sur une autre portion de la cavité.
De préférence, la cavité 6 présente les caractéristiques suivantes :
- la profondeur PB de la cavité 6 est supérieure ou égale à 15% du diamètre B du piston : PB> 0,15xB ;
- le grand axe GR de la section elliptique S, d’un volume V, est compris entre 0,25 et 0,80 fois le diamètre B du piston: 0,25xB < GR < 0,80xB ;
- le petit axe PR de la section elliptique S, d’un volume V, compris entre 0,10 et 0,25 fois le diamètre B du piston: O,10xB < PR < 0,25xB.
Selon une autre caractéristique de l'invention, pour un plan orthogonal j à l’axe du piston (X), les centres de symétrie Ci des sections elliptiques (Ct et C2 des sections St et S2 sur la figure 2) sont situés à une distance Dij (Dt et D2 pour respectivement les sections St et S2 sur la figure 2) du centre C du piston inférieure à 0,20 fois la valeur du diamètre B du piston: 0 < Dij < 0,20xB.
Sur un même plan j orthogonal à l’axe du piston (X), l'angle a formé entre les grands axes de deux sections elliptiques peut être quelconque. La figure 2 montre un exemple de réalisation de l’invention selon lequel les grands axes des sections elliptiques Si et S2 des volumes et V2 sont sensiblement parallèles (angle a nul ; à 0,05° près), au niveau du plan situé à l’ouverture 6a de la cavité 6. Cet angle a peut également être constant ou varier en fonction de la profondeur de la cavité 6.
Selon un mode de réalisation de l’invention, il existe un recouvrement R positif (surface non nulle) entre les deux sections elliptiques, sur tout ou partie de la portion de la cavité 6 de hauteur H où la section elliptique décroît. Le recouvrement peut être nul sur un plan orthogonal j donné de la portion de la cavité 6 de hauteur H où la section elliptique décroît. Le recouvrement R est fonction du plan orthogonal j, et peut être constant ou peut varier sur la portion de la cavité 6 de hauteur H où la section elliptique décroît, en particulier décroître du haut vers le bas de la cavité. La figure 2 illustre un exemple de recouvrement R des deux sections elliptiques (S15 S2) des deux volumes (V15 V2) au niveau de l’ouverture 6a de la cavité 6.
De préférence, le recouvrement R des sections elliptiques des deux volumes (V15 V2) est plus important vers l’ouverture de la cavité 6 que vers le fond 6b de la cavité.
Avantageusement, le recouvrement R est tel que la relation suivante est vérifiée : bis < bu,
Prs PRb
Dis : distance de l’axe longitudinal du piston (X) au centre Cis de la section elliptique sommitale du volume Vi ;
Dib : distance de l’axe longitudinal du piston (X) au centre Cib de la section elliptique basale du volume Vi ;
PRS : petit axe de la section elliptique sommitale du volume Vi ;
PRb : petit axe de la section elliptique basale du volume Vi.
De préférence, le recouvrement R des sections elliptiques des deux volumes est strictement compris entre zéro et 0,05xAp, Ap étant l’aire de l’ellipse la plus petite sur la portion de la cavité 6 de hauteur H.
La variation de recouvrement R de deux sections elliptiques (Si, S2), sur un plan j donné, peut être obtenue par une variation de la distance entre les centres des sections elliptiques (Ci, C2), et/ou une modification des dimensions d’au moins une section elliptique (grand axe GR et/ou petit axe PR), et/ou une variation de la distance d de décalage des centres (Ci, C2) des sections elliptiques suivant le grand axe GR d’une des sections elliptiques, et/ou une variation de l’angle a formé entre les grands axes GR des sections elliptiques.
Une variation de l’angle a entre deux sections elliptiques de deux volumes donnés sur un même plan y peut être obtenue par un mouvement de rotation de la section elliptique d’au moins un des volumes selon l’axe du piston (X). On définit ainsi un angle de twist ω formé par la droite passant par le grand axe GR de la section elliptique basale Sijb d’un volume Vi, et la projection sur le plan jb, contenant la section elliptique basale, d’une droite passant le grand axe GR d’une section elliptique S, située sur un plan orthogonal j donné appartenant à ladite portion de la cavité 6 de hauteur H. De préférence l’angle de twist ω est compris entre 0° et 15°, valeurs incluses. Lafigure 6 illustre un tel angle de twist ω. Selon un mode de réalisation, l’angle de twist ω est nul quel que soit le plan orthogonal j sur la portion de la cavité 6 de hauteur H. Selon un autre mode de réalisation, l’angle de twist ω de chacun des deux volumes et V2 est non nul, et de préférence inférieur ou égal à 15°, et tel que la cavité 6 comporte de deux sections elliptiques à faible recouvrement au fond 6b de la cavité 6 et deux sections elliptiques à plus fort recouvrement au niveau de l’ouverture 6a de la cavité 6, en particulier dans le cas où les deux sections elliptiques sont décentrées selon leur grand axe de manière symétrique par rapport au centre C du cylindre en fond de cavité et sont centrées selon leur grand axe au niveau de l’ouverture de la cavité.
Les figures 7A et 7B montrent un exemple de moteur selon l’invention dans lequel la cavité 6 présente une augmentation des petit et grand axes des sections elliptiques du bas (sections S1b et S2b) de la cavité vers le haut de la cavité (sections S1a et S2a), et une diminution de la distance d de décalage des ellipses selon leur grand axe du bas vers le haut de la cavité, aboutissant à un recouvrement R des sections elliptiques des deux volumes (V15 V2) plus important vers l’ouverture 6a de la cavité 6 que vers le fond 6b de la cavité.
La figure 5 illustre le décalage c/des centres et C2 des sections elliptiques St et S2 selon le grand axe d’une ellipse. La distance de décalage c/est définie comme étant la distance entre le centre Ci d’une section elliptique Si et la projection du centre du cylindre C sur le grand axe de la section elliptique Si. La figure 2 illustre un cas où les grands axes des deux sections elliptiques sont parallèles (angle a nul), et où les sections elliptiques sont décalées de manière symétrique par rapport au centre C du cylindre, avec le décalage d étant le même pour la section elliptique St et la section elliptique S2. Le décalage des centres des sections elliptiques selon leur grand axe et de façon diamétralement opposée permet d’accroître favorablement la génération de turbulence. De préférence, le décalage d est compris entre 0 et 5mm, valeurs incluses. Un tel décalage n’est pas spécifique au cas où l’angle a est nul, et s’applique dans les cas où les grands axes des sections elliptiques ne sont pas parallèles. Avantageusement, le décalage d est compris entre 0 et 0,25xGR, valeurs incluses. Le décalage peut être compris entre 0 et 0,1 xGR, valeurs incluses, et de préférence entre 0 et 0,07xGR, valeurs incluses, dans le cas où la culasse comporte quatre soupapes, et le décalage c/peut être compris entre 0 et 0,25xGR, valeurs incluses, dans le cas où la culasse comporte deux soupapes.
La figure 8 est une vue du dessus schématique du piston selon un autre mode de réalisation de l’invention dans lequel la culasse comporte quatre soupapes, et une bougie 5 centrée par rapport à la chambre de combustion. Avantageusement, l’intersection des deux sections elliptiques (zone de recouvrement R), à l’ouverture de la cavité 6, est centrée sur la position de la bougie.
Les figures 9A et 9B sont des schémas selon une vue du dessus du piston selon un autre mode de réalisation de l’invention dans lequel la culasse comporte deux soupapes 7a et 7b. Avantageusement, la zone de recouvrement R des deux sections elliptiques Siaet S2a à l’ouverture de la cavité 6 est décentrée par rapport à l'axe du piston (X) pour toujours être centrée sur la bougie 5. Cela peut amener à réorienter les cavités, tel que représentée à la figure 9B, ou à modifier les dimensions respectives de l’une par rapport à l’autre, tel que représenté à la figure 10, de manière à conserver le bon rapport volumétrique et gérer les contraintes relatives à la tenue mécanique et thermique du piston.
La figure 10 est un schéma selon une vue du dessus du piston selon un autre mode de réalisation de l’invention dans lequel la culasse comporte deux soupapes 7a et 7b et les sections elliptiques sommitales Sia et S2a ont des dimensions différentes. En particulier, les deux sections elliptiques Sia et S2a ont des petits et grands axes très différents de manière à ce que l’ellipse en regard de la soupape d’admission soit de taille supérieure à la seconde, afin de à capter au mieux le mouvement de tourbillon généré lors de l’admission, et de contrôler la propagation de la flamme,
Les figure 11A et 11B illustrent un autre mode de réalisation de l’invention dans lequel la cavité est formée par l’intersection d’un volume cylindrique et de deux volumes à sections elliptiques variable selon la profondeur, les deux volumes à sections elliptiques variable selon la profondeur étant conformes à ce qui a été décrits précédemment. Le volume cylindrique est de préférence centré sur l’axe du piston, à la manière d’un bol conventionnel. La figure 11A est une vue de dessus du piston selon un exemple de ce mode de réalisation. Les deux sections elliptiques à l’ouverture 6a de la cavité ne se recouvrent pas. La figure 11B est un schéma représentant un autre exemple de ce mode de réalisation, figurant l’ouverture de la cavité 6 comportant deux sections elliptiques S1a et S2a à recouvrement positif, et une section circulaire Sc d’un volume cylindrique Vc qui intersecte les deux volumes à sections elliptiques et V2, plus précisément le volume Vc est centré sur le piston, ainsi que la zone de recouvrement R des deux sections elliptiques Sia et S2a. Cela permet de minimiser les modifications à apporter au piston, notamment dans le cas d’une application en seconde monte et que l’on ne dispose pas de piston semi-usinés.
La figue 11C est un schéma illustrant le mode de réalisation montré à la figure 11 A, dans lequel la cavité 6 est formée par l’intersection d’un volume cylindrique et de deux volumes à sections elliptiques variable selon la profondeur, les sections elliptiques ne présentant pas de recouvrement. Le volume cylindrique a une section circulaire Sc centrée sur le piston 2, ledit volume cylindrique intersectant les deux volumes et V2 à sections elliptiques S1a et S2a situés à la périphérie du volume cylindrique et étant diamétralement opposés par rapport au centre du cylindre (confondu avec le centre du volume cylindrique Vc). Ce mode de réalisation permet d’appliquer le design du piston représenté à la figure 11A à une culasse comportant deux soupapes 7c et 7d. L’orientation et la localisation des deux sections elliptiques se fait de manière à ce que la bougie soit idéalement située dans la zone de recouvrement entre la section elliptique et le volume cylindrique.
Avantageusement, le moteur selon l’invention a une cavité 6 dans la tête du piston 2 qui peut présenter des paramètres dont les valeurs sont indiquées dans le tableau 1 ci-dessous. Deux configurations sont distinguées, selon lesquelles les valeurs préférées des paramètres peuvent changer : le cas où la chambre comporte quatre soupapes (4S) et celui où la chambre comporte deux soupapes (2S). :
| Cas 4S | Cas 2S | |
| Pb | Pb>0,15.B | Pb>0,15.B |
| Gr | 0,25.B <Gr< 0,4.B | 0,25.B <Gr < 0,8.B |
| Pr | 0,1 .B < Pr<0,25.B | 0,1.B < PR< 0,25.B |
| Di | 0 < Di <0,2.B | 0 < Di <0,2.B |
| R | 0 < R < 0,05.Ap | 0 < R < 0,15.Ap |
| Dc | 0,65.B < Dc<0,75.B | 0,5.B< Dc <0,65.B |
| d | 0 < d < 0,1 .Gr | 0 <d < 0,25.Gr |
| r | 0,15.Pb < r < 0,3.PB | 0,15.Pb< r < 0,3.PB |
| ω | 0 < ω <15° | 0< ω <15° |
Tableau 1
Les différents paramètres sont du tableau 1 sont :
- PB : profondeur de la cavité
- Gr : grand axe des ellipses
- PR : petit axe des ellipses
- B : diamètre du piston
- Di : distance des centres par rapport au centre du piston
- R : recouvrement des deux sections elliptiques
- Ap : aire de la section elliptique la plus petite
- Dc : diamètre du cercle intersectant les sections elliptiques (modes de réalisation avec un cavité comportant un volume cylindriques et des volumes à sections elliptiques)
- d : décalage des centres des sections elliptiques suivant leur grand axe
- r : rayon de raccordement fond de cavité
- ω : angle de twist (rotation d’une section elliptique selon PB)
Les définitions de ces paramètres ont été données au fil de la description.
Les figures 12A-12B, 13A et 13B, 14A-14B, et 15A-15B illustrent les 10 performances d’un moteur selon l’invention, en comparaison avec celles d’un moteur selon l’art antérieur, notamment concernant la turbulence créée dans la chambre de combustion.
Une application visée est celle de la conversion d’un moteur Diesel, fonctionnant 15 au gaz naturel en mélange dilué. Cette conversion d’un moteur Diesel en un moteur à allumage commandé alimenté par du gaz, requiert que le moteur fournisse des performances similaires et que l’aérodynamique interne propre au Diesel soient modifiée pour permettre une amélioration en termes de qualité de la combustion, de propagation de la flamme, et maximiser ainsi le rendement énergétique du moteur.
Dans ce cadre, des tests numériques ont été réalisés sur deux exemples de moteur selon l’invention B2 et B3, présentant les caractéristiques géométriques de la cavité du piston résumées dans le tableau 2 ci-dessous, et illustrées dans les figures 12B, 13B et 13C. Les performances de ces moteurs selon l'invention sont comparées à celle d’un moteur selon l’art antérieur B1, dont les caractéristiques géométriques de la cavité du piston figurent également dans le tableau 2 et sont illustrées dans les figures 12A et 13A.
| B1 | B2 | B3 | |
| B (mm) | 109,6 | ||
| PB(mm) | 20 | 20 à 26 | 24,7 |
| GR(mm) | - | 31 | 31 |
| PR(mm) | - | 21 | 21 |
| Di (mm) | - | 19,5 | 19,5 |
| R (mm2 et %) | - | 59,22 (2,9%) | 59,22 (2,9%) |
| Mjn(°) | Variable de 0 à 28° à j donné et Vj | Constant entre 0 et 28° pourj donné | |
| Dc (mm) | 65 | - | - |
| d (mm) | - | 4,4 | 4,4 |
| r (mm) | 4 | 5 | |
| ω(°) | - | 12,5° | 0° |
Tableau 2
La figure 12A est une vue du piston d’un moteur selon l’art antérieur B1, comportant une cavité formée par un volume cylindrique. Il s’agit d’une géométrie connue utilisée dans des moteurs Diesel. Les sections de la cavité selon des plans orthogonaux à l’axe longitudinal du piston sont circulaires sur toute la profondeur de la cavité. Les parois de la cavité sont parallèles à l’axe longitudinal du piston sur toute la profondeur de la cavité, excepté au niveau de l’ouverture et de fond de la cavité. La figure 13A illustre la cavité 6 de ce piston selon l’art antérieur B1 en coupe longitudinale.
La figure 12B est une vue 3D d’un piston d’un moteur selon un mode de réalisation B2 de l’invention. La cavité est formée par deux volumes et V2 à sections elliptiques, et à recouvrement positif. Les sections elliptiques sont décroissantes de l’ouverture vers le fond de la cavité 6 sur toute la hauteur de la cavité 6. Les génératrices forment un angle qjn variant de 0° à 28° sur un plan j donné. Le fond <é la cavité est bombé. Ce mode de réalisation B2 selon l’invention est également illustré à la figure 13B selon deux coupes longitudinales (a) et (b), réalisées selon deux directions perpendiculaires. L’angle a est égal à 0.
La figure 13C illustre un autre mode de réalisation B3 du moteur selon l’invention. Les sections elliptiques sont décroissantes de l’ouverture vers le fond de la cavité 6 sur toute la hauteur de la cavité 6. Les génératrices forment un angle qjn constant compris entre 0° à 28° pour un plan j donné. Le fond de lacavité est plat. L’angle a est égal à 0. Ce mode de réalisation B3 selon l’invention est également illustré à la figure 13C selon deux coupes longitudinales (a) et (b), réalisées selon deux directions perpendiculaires.
Les figures 14A et 14B représentent des courbes d’évolution de l'énergie cinétique turbulente moyenne, appelée TKE, (fig. 14A) et de tourbillon (« swirl >>, fig. 14B) en fonction de l'angle vilebrequin, obtenues pour différentes géométries de cavités de piston : selon l’art antérieur B1 et selon l’invention B2.
Un moteur Diesel dispose d’une aérodynamique interne appelée tourbillon, ou plus communément swirl selon la terminologie anglo-saxonne, comme déjà décrit plus haut, non propice au développement d’une flamme de propagation depuis le centre de la chambre, contrairement aux moteurs à allumage commandé possédant une aérodynamique interne appelée « tumble >>, qui est un tourbillon dans l’axe perpendiculaire au piston, dont la destruction naturelle proche de la position haute du piston (PMH) permet de créer la turbulence (TKE) recherchée pour le bon déroulement de la combustion.
Les figures 14A et 14B montrent que pour un moteur selon l’art antérieur B1, lorsque le mouvement de tourbillon rentre dans la cavité à 320°V (degré vilebrequin), le mouvement de tourbillon (swirl) s’accélère du fait de la restriction de section (on passe du diamètre du cylindre à celui du bol), une partie de ce mouvement de dissipant sous forme de turbulence. Pour un moteur B2 selon l’invention, le mouvement de tourbillon s’accélère peu (-25% environ comparativement au moteur B1), mais le niveau de turbulence TKE (en m2.s2) est plus important (+ 15% environ comparativement au moteur B1), notamment sur la plage 320°V-360°V, qui est la plage classiqiœ d’allumage du mélange. Ce même effet est encore plus prononcé dans le cas du moteur selon le mode de réalisation B3 conformément à l’invention. Selon l’invention, il est ainsi possible transformer l’énergie contenu dans le tourbillon en énergie turbulence.
Les figures 15A et 15B sont des images représentant l'énergie cinétique turbulente instantanée proche PMH en fonction de l'angle vilebrequin pour un moteur selon l’art antérieur B1 (fig.
15A) et selon l’invention B2 (fig.
15B). Sur les images, issues de simulations numériques, sont représentées le piston avec sa cavité 6, la position des soupapes 7 et de la bougie 5. Les vecteurs représentent la vitesse des gaz et les niveaux de gris sont fonction de l’intensité turbulente. On voit que le niveau de turbulence est plus important aux alentours de la zone de recouvrement et à proximité de la bougie dans le cas du moteur B2 selon l’invention que dans le cas du bol traditionnel à cavité formée par un volume cylindrique Vc, notamment dans la zone centrale de la cavité 6 (zone référencée 10).
Claims (18)
- REVENDICATIONS1. Moteur à combustion interne à allumage commandé comprenant au moins un cylindre dans lequel coulisse un piston (2) selon l'axe du cylindre, une culasse (4) surmontant le cylindre et délimitant avec le piston et le cylindre une chambre de combustion (1), le piston comprenant une cavité (6) ouverte vers la culasse, ladite cavité (6) comprenant un fond et au moins deux volumes (V15 V2), chacun desdits volumes ayant une section elliptique (S15 S2) selon tout plan orthogonal y à l’axe du piston (X) non sécant avec le fond de la cavité (6), la section elliptique de chacun desdits volumes étant telle que 0 < λ < 0,6 avec . _ dR — PR - GR+ PrGr étant le grand axe de l’ellipse, PR étant le petit axe de l’ellipse, chacun desdits volumes (V15 V2) comportant un ensemble de génératrices (G), chaque génératrice formant, en chaque point n du contour de la section elliptique selon un plan orthogonal y donné, un angle qjn avec la droite (d) parallèle à l’axe longitudinal du piston (X) passant par ledit point n, caractérisé en ce ladite section elliptique est décroissante de l’ouverture vers le fond de la cavité (6) sur une portion de la cavité (6) de hauteur (H) étant au moins égale à 50% de la profondeur PB de la cavité (6).
- 2. Moteur selon la revendication 1, dans lequel les génératrices (G) d’au moins un desdits volumes (V15 V2) forment un même angle μιη dans un plan orthogonal y donné appartenant à ladite portion de la cavité (6), avec 0° < qjn s 90°.
- 3. Moteur selon la revendication 1, dans lequel les génératrices (G) d’au moins un desdits volumes (Vb V2) forment un angle μιη qui varie continûment dans un plan orthogonal ydonné appartenant à ladite portion de la cavité (6), avec 0°< μιη < 90°.
- 4. Moteur selon l’une des revendications 2 et 3, dans lequel l’angle μιη de chaque génératrice est constant en fonction de la profondeur sur ladite portion de la cavité (6) pour former des génératrices étant des droites, formant de préférence un angle tel que 0°<μ^40°.
- 5. Moteur selon l’une des revendications 2 et 3, dans lequel l’angle de chaque génératrice varie en fonction de la profondeur sur ladite portion de la cavité (6), de préférence varie entre 0° et 90°.
- 6. Moteur selon la revendication 5, dans lequel les génératrices (G) comportent au moins un point d'inflexion sur ladite portion (H) de la cavité (6), de préférence comportent 2+m points d’inflexion, m étant un entier compris entre 1 et 3.
- 7. Moteur selon l’une quelconque des revendications 5 et 6, dans lequel l'angle moyen μ^, défini par le segment de droite reliant deux points d’une génératrice (G) situés respectivement sur une section elliptique basale (Sb) et une section elliptique sommitale (Sa) d’un des deux volumes à section elliptique, et par la droite parallèle à l’axe longitudinal du piston (X) passant par l’un desdits points, est non nul et inférieur ou égal à 40°.
- 8. Moteur selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le rayon de raccordement rentre la paroi (6c) et le fond (6b) de la cavité (6) est compris entre 0,15xPB et 0,3xPB.
- 9. Moteur selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le fond de la cavité (6) est plat ou convexe.
- 10. Moteur selon l’une des revendications précédentes, dans lequel chacun desdits volumes a :- une profondeur PB s 0,15xB ;- un grand axe GR tel que : 0,25xB<GR<0,80xB, et un petit axe PR tel que : 0,10xB<Pr<0,25xB pour toute section elliptique selon un plan orthogonal j à l’axe du piston (X),B étant le diamètre du piston.
- 11. Moteur selon la revendication 10, dans lequel la position de chacun desdits volumes (Vi) est telle que 0 < Dij < 0,2xB, Dij étant la distance de l’axe longitudinal du piston (X) au centre de symétrie Cij de la section elliptique du volume (Vi) selon un plan orthogonal j à l’axe longitudinal du piston (X).
- 12. Moteur selon l’une des revendications précédentes, dans lequel les sections elliptiques desdits au moins deux volumes (Vb V2) ont un recouvrement R>0 quel que soit le plan orthogonal y sur ladite portion de la cavité (6), et ledit recouvrement R des sections elliptiques desdits au moins deux volumes (Vb V2) est plus important vers l’ouverture de la cavité (6) que vers le fond de la cavité, avec de préférence un recouvrement tel que bis < Dib Prs PRbDis étant la distance de l’axe longitudinal du piston (X) au centre Cis de la section elliptique sommitale du volume Vi ;Dib étant la distance de l’axe longitudinal du piston (X) au centre Cib de la section elliptique basale du volume Vi ;PRS étant le petit axe de la section elliptique sommitale du volume Vi ;PRb étant le petit axe de la section elliptique basale du volume Vi.
- 13. Moteur selon la revendication 12, dans lequel les sections elliptiques desdits au moins deux volumes (Vb V2) ont un recouvrement R avec 0 < R < 0,15xAp, Ap étant l’aire de la section elliptique la plus petite sur ladite portion de la cavité (6).
- 14. Moteur selon l’une des revendications précédentes, dans lequel une droite passant par le grand axe GR d’une section elliptique basale (Syb) d’au moins un desdits volumes et la projection sur le plan (yb) contenant la section elliptique basale d’une droite passant le grand axe GR de la section elliptique située sur un plan orthogonal y donné appartenant à ladite portion de la cavité (6), forment un angle de twist ω compris entre 0° et 15°.
- 15. Moteur selon l’une des revendications précédentes, dans lequel les grands axes Gr des sections elliptiques desdits volumes sont sensiblement parallèles quel que soit le plan orthogonal j appartenant à ladite portion de la cavité (6).
- 16. Moteur selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la hauteur (H) de ladite portion de la cavité (6) est égale à la profondeur PB de la cavité (6).
- 17. Moteur selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la distance de décalage d entre le centre Ci d’une section elliptique Si et la projection du centre du cylindre C sur le grand axe GR de la section elliptique, sur un plan j donné appartenant à ladite portion de la cavité, est comprise entre 0 et 0,15xGR, et les sections elliptiques des10 deux volumes (V15 V2) sur ledit plan j sont décalées de manière opposée.
- 18. Moteur selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la cavité comprend en outre un volume cylindrique (Vc) intersectant lesdits volumes (V15 V2) à sections elliptiques.1/9
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