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 (NO _x ).

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 NO _x 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 G _R et le petit axe de l'ellipse P _R et la somme du grand axe de l'ellipse G _R et le petit axe de l'ellipse P _R :

^ _ ^G R 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

^ _ ^G R PR

~ GR + PR

G _R étant le grand axe de l'ellipse, P _R 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 μ _η 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 μ _η dans un plan orthogonal y donné appartenant à ladite portion de la cavité, avec 0° < μ _η ≤ 90°.

Alternativement, les génératrices d'au moins un des volumes peuvent former un angle μ _η qui varie continûment dans un plan orthogonal y donné appartenant à la portion de la cavité, avec 0° < μ _η < 90°.

Selon un mode de réalisation de l'invention, l'angle μ _η 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 μ _η tel que 0°<μ _η ≤40°.

Alternativement, l'angle μ _η 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 μ _η , 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 r entre la paroi et le fond de la cavité est compris entre 0,15xP _B et 0,3xP _B . 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 P _B < 0,15xB ;

- un grand axe G _R tel que : 0,25xB<G _R ≤0,80xB, et un petit axe P _R tel que : 0,10xB≤P _R ≤0,25xB pour toute section elliptique selon un plan orthogonal y 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

D _is étant la distance de l'axe longitudinal du piston au centre C _is de la section elliptique sommitale du volume Vi ;

D _ib étant la distance de l'axe longitudinal du piston au centre Cib de la section elliptique basale du volume Vi ;

P _Rs étant le petit axe de la section elliptique sommitale du volume Vi ;

P _Rb 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

G _R 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 G _R 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 G _R des sections elliptiques des volumes sont sensiblement parallèles quel que soit le plan orthogonal y 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 P _B 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 G _R de la section elliptique, sur un plan j donné appartenant à la portion de la cavité, est comprise entre 0 et 0,15xG _R , et les sections elliptiques des deux volumes sur le plan y 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 7 A 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 1 1 A, 1 1 B et 1 1 C 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 V ₂ , chacun des volumes ayant une section elliptique (S _{1 ;} S ₂ ) selon tout plan orthogonal y 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 :

^ _ ^G R PR

~ GR + PR

G _R étant le grand axe de l'ellipse, P _R 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, G _R =P _R , ce qui correspond à un cercle, et constitue en fait un cas particulier d'une ellipse. Cela correspond au cas où G _R =P _R =0,25xB.

Quand λ = 0,6, l'ellipse est aplatie, correspondant par exemple au cas extrême où G _R =0,4xB et où P _R =0,1 xB. 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 Ci et C ₂ des sections elliptiques Si et S ₂ des volumes respectifs \ et V ₂ , formées en tête du piston 2 au niveau de l'ouverture 6a (plan j _a confondu avec l'ouverture de la cavité 6a en tête du piston), sont alignées avec le centre C du piston. Les grands axes G _R des deux sections elliptiques sont parallèles et les dimensions des ellipses identiques (G _R et P _R ). 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 0,15xP _B et 0,3xP _B , PB étant la profondeur de la cavité. Par profondeur de la cavité P _B 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 P _B 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 0,15xP _B et 0,3xP _B . 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 (V _{1 ;} et/ou V ₂ ) 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 P _B 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 P _B 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 (V _{1 ;} V ₂ ) 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 μ _]η 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 C _ib de la section elliptique basale S _ib 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 μ _η peut être constant, avec 0°<μ _η ≤90 ^ο : les génératrices G du volume Vi forment un même angle μ _η 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 μ _η varie continûment, avec 0°<μ _η ≤90 : les génératrices G du volume Vi forment un angle μ _η qui varie continûment le long de la courbe définie par la section elliptique sur ledit plan y donné.

Que l'angle μ _η soit constant ou varie continûment pour un plan orthogonal y donné, deux configurations sont possibles pour les génératrices du volume Vi :

- chaque génératrice du volume Vi peut avoir un angle μ _η constant en fonction de la profondeur P _B sur la portion de hauteur H de la cavité 6. Dans ce cas les génératrices sont des droites, qui forment de préférence un angle μ, _η strictement supérieur à 0 et inférieur ou égal à 40° : 0°<μ _η ≤40°, et plus préférentiellement 0°<μ _η ≤30°. Une telle configuration est illustrée à la figure 3B et décrite plus bas.

- chaque génératrice peut avoir un angle μ _η qui varie en fonction de la profondeur P _B sur la portion de hauteur H de la cavité 6, de préférence qui varie entre 0° et 90°. Selon cette configuration, les génératrices G 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 μ _η , 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 μ _η 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, décroit 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 μ _η 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 Vi a une section elliptique sommitale Si _a de centre Ci _a sur le plan j _a orthogonal à l'axe longitudinal (X) du piston et une section elliptique basale Si _b de centre Ci _b sur le plan jb orthogonal à l'axe (X). Pour toutes les génératrices G du volume V _{1 ;} 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 n _1ja , n _mja ) ou basale (points n _1jb , n _mjb ), et égal à 10° (angles μ _3Π ι , w _anm , Hjbm , Hit™)- La section elliptique du volume \ décroit continûment de l'ouverture de la cavité (plan j _a ) vers le fond de la cavité (plan j _b ), 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 μ _η qui varie continûment dans un plan orthogonal j donné appartenant à ladite portion de la cavité 6, avec 0°<μ, _η ≤90 ^ο , par exemple avec 0°<μ _η ≤10 ^ο tel que représenté. En particulier, dans le mode de réalisation illustré à la figure 3C, les génératrices sont des droites : la génératrice Gi , qui passe par le point n _1ja de la section elliptique sommitale Si _a et par le point n _1jb de la section elliptique basale S _{1 b} , est une droite, formant un angle μ _3η1 au point n _1ja de même valeur (10°) que l'angle ^ _bn1 formé au point n _1jb . Il en est de même pour la génératrice Gm passant par les points n _mja et n _mjb des sections sommitale et basale, qui forme un angle (^anm au point n _mja et ^ _bnm au point n _mjb ) avec la droite (d) parallèle à l'axe (X) en lesdits points n _mja et n _mjb de valeur identique (0°). Sur le plan j _a , l'angle μ _η varie continûment le long de la courbe définie par la section elliptique Si _a , entre 10° et 0° sur une première moitié de courbe elliptique du point n _1ja au point n _mja, et entre 0° et 10° sur une deuxième moitié de courbe elliptique du point n _mja au point n _1ja . Seule une génératrice, Gm, présente un angle μ _η égal à 0°, étant ainsi parallèle à l'axe longitudinal du piston (X). La section elliptique du volume \ décroit continûment de l'ouverture de la cavité (plan j _a ) vers le fond de la cavité (plan j _b ), 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 μ _η qui varie en fonction de la profondeur P _B 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 μ _]η non nul et inférieur ou égal à 90°, par exemple inférieur ou égal à 10° tel que représenté, pour un même plan / donné, orthogonal à l'axe du piston (X) : sur le plan j _a , les génératrices G du volume \ forment toutes un même angle μ _3Π ι = w _anm = 10° avec la droite (d) parallèle à l'axe (X) passant par les points n de la section elliptique S _1a . De la même manière, sur le plan j _b , les génératrices G du volume \ forment toutes un même angle μ^ _η ι = ^ _b nm = 5° avec la droite (d) parallèle à l'axe (X) par les points n de la section elliptique Si _b . Plus particulièrement, au niveau du plan j _a , l'angle μ _3η1 est formé entre la droite (d) parallèle à l'axe (X) et la tangente t _n i à la génératrice G au point n _1ja , et l'angle μ _3ΠΓη est formé entre la droite (d) passant par le point n _mja parallèle à l'axe (X) et la tangente t _nm à la génératrice G au point n _mja . Les angles μ^ _η ι et ^ _bnm sont définis de manière similaire (tangente t _nm et droite (d)) pour le plan j _b contenant la section elliptique basale S _{1 b} .

Pour le volume V _{1 ;} on définit un angle moyen μ _η formé entre le segment de droite [n _1ja n _1jb ] reliant deux points n _1ja et n _1jb d'une génératrice G situés respectivement sur la section elliptique sommitale Si _a et la section elliptique basale Si _b , et la droite (d) parallèle à l'axe longitudinal du piston (X) passant par l'un desdits points n _1ja ou n _1jb . Cet angle μ _η est de préférence non nul et inférieur ou égal à 40°, plus préférentiellement non nul et inférieur ou égal à 30°, et encore plus préférentiellement non nul et inférieur ou égal à 10°. Dans le cas illustré cet angle μ™ est égal à 7°.

La section elliptique du volume \ décroit continûment de l'ouverture de la cavité

(plan y _a ) vers le fond de la cavité (plan j _b ), 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 V _{1 ;} 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 décroit, en plus des points d'inflexion l _ra et l _rb (éventuels) liés aux rayons de raccordements r _a et r _b 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 (V _{1 ;} V ₂ ) 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 V _R , 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 décroit 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 P _B de la cavité 6 est supérieure ou égale à 15% du diamètre B du piston : P _B ≥0, 15xB ;

- le grand axe G _R 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 < G _R < 0,80xB ;

- le petit axe P _R de la section elliptique S, d'un volume V, compris entre 0, 1 0 et 0,25 fois le diamètre B du piston : 0, 1 OxB < P _R < 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 (Ci et C ₂ des sections Si et S ₂ sur la figure 2) sont situés à une distance Dij (D-ι et D ₂ pour respectivement les sections Si et S ₂ 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 S ₂ des volumes \ et V ₂ 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 décroit. Le recouvrement peut être nul sur un plan orthogonal y donné de la portion de la cavité 6 de hauteur H où la section elliptique décroit. Le recouvrement R est fonction du plan orthogonal y, et peut être constant ou peut varier sur la portion de la cavité 6 de hauteur H où la section elliptique décroit, en particulier décroître du haut vers le bas de la cavité. La figure 2 illustre un exemple de recouvrement R des deux sections elliptiques (S _{1 ;} S ₂ ) des deux volumes (V _{1 ;} V ₂ ) au niveau de l'ouverture 6a de la cavité 6.

De préférence, le recouvrement R des sections elliptiques des deux volumes (V _{1 ;} V ₂ ) 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 :

Di _S : distance de l'axe longitudinal du piston (X) au centre C _is de la section elliptique sommitale du volume Vi ;

D _ib : distance de l'axe longitudinal du piston (X) au centre C _ib de la section elliptique basale du volume Vi ;

P _RS : petit axe de la section elliptique sommitale du volume Vi ;

P _Rb : 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 0,05xA _p , A _p 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 (S _{1 ;} S ₂ ), sur un plan y donné, peut être obtenue par une variation de la distance entre les centres des sections elliptiques (d , C ₂ ), et/ou une modification des dimensions d'au moins une section elliptique (grand axe G _R et/ou petit axe P _R ), et/ou une variation de la distance d de décalage des centres (Ci , C ₂ ) des sections elliptiques suivant le grand axe G _R d'une des sections elliptiques, et/ou une variation de l'angle a formé entre les grands axes G _R 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 G _R de la section elliptique basale Sijb d'un volume Vi, et la projection sur le plan j _b , contenant la section elliptique basale, d'une droite passant le grand axe G _R 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 1 5°, valeurs incluses. La figure 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 V ₂ 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 S _{1 b} et S ₂ b) de la cavité vers le haut de la cavité (sections S _{1 a} et S _2a ), 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 (V _{1 ;} V ₂ ) plus important vers l'ouverture 6a de la cavité 6 que vers le fond 6b de la cavité.

La figure 5 illustre le décalage d des centres Ci et C ₂ des sections elliptiques Si et S ₂ selon le grand axe d'une ellipse. La distance de décalage d 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 Si et la section elliptique S ₂ . 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 0,25xG _R , valeurs incluses. Le décalage peut être compris entre 0 et 0,1 xG _R , valeurs incluses, et de préférence entre 0 et 0,07xG _R , valeurs incluses, dans le cas où la culasse comporte quatre soupapes, et le décalage d peut être compris entre 0 et 0,25xG _R , 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 S _1a et S _2a 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 Si _a et S _2a ont des dimensions différentes. En particulier, les deux sections elliptiques Si _a et S _2a 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 1 1 A et 1 1 B 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 1 1 A 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 1 1 B est un schéma représentant un autre exemple de ce mode de réalisation, figurant l'ouverture de la cavité 6 comportant deux sections elliptiques Si _a et S _2a à recouvrement positif, et une section circulaire S _c d'un volume cylindrique V _c qui intersecte les deux volumes à sections elliptiques \ et V ₂ , plus précisément le volume V _c est centré sur le piston, ainsi que la zone de recouvrement R des deux sections elliptiques S _1a et S _2a . 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 1 1 C est un schéma illustrant le mode de réalisation montré à la figure 1 1 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 S _c centrée sur le piston 2, ledit volume cylindrique intersectant les deux volumes \ et V ₂ à sections elliptiques Si _a et S _2a situés à la périphérie du volume cylindrique et étant diamétralement opposés par rapport au centre du cylindre (confondu avec le centre du volume cylindrique V _c ). Ce mode de réalisation permet d'appliquer le design du piston représenté à la figure 1 1 A 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). :

a eau

Les différents paramètres sont du tableau 1 sont :

- P _B : profondeur de la cavité

- G _R : grand axe des ellipses

- P _R : 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

- D _c : 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 P _B )

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 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 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.

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 V ₂ 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 μ _]η variant de 0° à 28° sur un plan j donné. Le fond de 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 μ, _η constant compris entre 0° à 28° pour un plan j donné. Le fond de la cavité 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 m ² .s ^"2 ) est plus important (+ 15% environ comparativement au moteur B1 ), notamment sur la plage 320°V-360°V, qui est la plage classique 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).