L'invention concerne également une chambre de combustion associée à un piston selon l'invention, pour un moteur à combustion interne à allumage commandé et à injection directe de carburant dans la chambre de combustion.

Plus particulièrement, le piston de l'invention délimite une chambre de combustion associée, avec un cylindre, dans lequel ledit piston coulisse axialement, ainsi qu'avec une cavité ménagée, en regard de la tete du piston, dans une culasse rapportée sur chacun des cylindres du moteur, la tête du piston ayant une face d'extrémité, tournée vers la chambre de combustion, et qui présente, à l'intérieur d'une couronne périphérique plane, perpendiculaire à l'axe du piston, d'une part, un évidement en bol à concavité ouverte vers la chambre de combustion, et excentré d'un côté de l'axe du piston, et, d'autre part, un bossage en saillie vers la chambre de combustion par rapport à la couronne périphérique et excentré de l'autre côté de l'axe du piston, lesdits évidement et bossage étant symétriques par rapport à une direction diamétrale de la tête de piston, comme connu par FR 2 757 211.

On sait que de nombreuses géométries différentes ont été récemment proposées pour les faces d'extrémité des têtes de piston de moteurs à combustion interne, et donc aussi pour les chambres de combustion associées, afin d'améliorer le processus de préparation du mélange air/carburant pour réduire simultanément la consommation en carburant de ces moteurs et la pollution qu'ils génèrent par leurs gaz de combustion.

A cet effet, il a été proposé de commander le fonctionnement du moteur, en particulier lorsqu'il est utilisé à faible charge, avec un mélange air/carburant dit pauvre (dont la proportion d'air est supérieure à la proportion stoechiométrique) pouvant être homogène ou stratifié, notamment lorsqu'il est en-dehors des limites d'inflammabilité

du mélange homogène, alors qu'aux charges moyennes et fortes du moteur, ce dernier est alimente en mélange combustible en proportion stoechiométrique, le mélange n'étant riche que dans certaines conditions particulières de fonctionnement du moteur, notamment des conditions transitoires ou lors du démarrage à froid par exemple.

Quelle que soit la richesse du mélange combustible alimentant un moteur, les caractéristiques de la combustion de ce mélange dans une chambre de combustion dépendent de nombreux facteurs, dont des facteurs géométriques, liés à la forme de la chambre de combustion, et donc à la géométrie de la face d'extrémité de la tête de piston correspondante (et donc de la forme de l'évidement et du bossage de la tête d'un piston tel que présenté ci-dessus), des facteurs aérodynamiques, et notamment de vitesse et turbulence du jet liquide de carburant, de l'air aspiré dans le cylindre et de l'écoulement gazeux interne dans la chambre de combustion, ainsi que des facteurs dimensionnels et géométriques de l'injecteur, tels que le nombre, la forme et les dimensions des orifices d'injection, la structure interne et la pression d'alimentation en carburant de l'injecteur.

On comprend que l'optimisation de l'aérodynamique interne d'une chambre de combustion, notamment aux moments de l'admission d'air, de l'injection de carburant et de l'allumage du mélange combustible, soit essentielle dans la conception d'un moteur à allumage commandé et à injection directe, notamment pour contribuer à une préparation aussi bonne que possible du mélange, stoechiométrique ou pauvre, dans une zone de la chambre de combustion favorable à une bonne combustion (bonne inflammabilité et propagation contrôlée du front de flamme à la combustion du mélange).

La géométrie de la chambre de combustion est définie pour promouvoir certains aspects du processus de formation du mélange, notamment les structures globales de l'aérodynamique telles que l'écoulement dénommé « swirl » décrivant une macrostructure de rotation autour de l'axe de la chambre de combustion, et l'écoulement dénommé « tumble », décrivant le mouvement axial permettant de caractériser la déviation du ou des jets de carburant par l'écoulement principal, et donc de mieux apprécier la répartition du carburant et sa vaporisation dans la chambre de

combustion. La géométrie doit également favoriser, en fin de phase de compression, un niveau de turbulence dans la charge de combustible pour contrôler localement les paramètres d'échange massique dans le voisinage du front de flamme et déterminer ainsi la vitesse de combustion.

Pour améliorer la répartition et la vaporisation du carburant dans la chambre de combustion ainsi que le mélange air/carburant, afin d'améliorer la combustion, différentes géométries particulières de chambre de combustion ont été récemment proposées, et présentent un ou plusieurs évidements en forme de bol concave ménagé dans la face d'extrémité de la tête de piston et ouvert vers la chambre de combustion, l'injecteur dirigeant le jet de carburant dans l'un de ces bols concaves afin que ce jet soit dévié par ce dernier vers le centre de la chambre de combustion, en regard de la bougie d'allumage, tout en étant simultanément pulvérisé en fines gouttelettes de carburant et/ou vaporisé et mélangé à l'air admis dans la chambre de combustion par l'écoulement et les turbulences qui sont modifiés dans cette dernière par la présence du ou des évidements en bols concaves.

A titre d'exemple, DE 197 13 030 décrit un moteur à combustion interne à cycle à quatre temps, à allumage commandé et injection directe, dans lequel la face d'extrémité d'une tête de piston délimitant une chambre de combustion présente un agencement de nervures de guidage en forme sensiblement de H en saillie vers la chambre de combustion, et comportant deux nervures longitudinales, espacées et parallèles entre elles, et perpendiculaires au plan longitudinal du moteur passant par les axes des cylindres de ce dernier, et réunies l'une à l'autre par une nervure transversale, parallèle au plan longitudinal du moteur et sensiblement perpendiculaire aux nervures longitudinales. Ces nervures, destinées à optimiser le niveau local de turbulence en phase de fin de compression et à amplifier le mouvement aérodynamique de « tumble » du gaz admis dans le cylindre de manière à améliorer la combustion par action, notamment, sur les vitesses et la répartition du carburant et de l'air comburant, délimitent entre elles et avec la couronne périphérique plane de la tête de piston, quatre évidements en bols concaves ouverts vers la chambre. L'un des deux évidements centraux (entre les nervures de la structure en H) reçoit le jet de carburant d'un

injecteur implanté latéralement dans la culasse, dans laquelle la cavité délimitant la chambre de combustion est une cavité en forme de toit à deux pans inclinés, l'injecteur débouchant dans la base de l'un des deux pans inclinés, entre deux soupapes d'admission coopérant avec les lumières d'admission dans ce pan incliné, I'axe de l'injecteur étant incliné sur l'axe du piston et de la chambre de combustion et contenu dans un plan radial passant par cet axe, sur lequel est alignée la bougie implantée dans la culasse, au sommet de la chambre de combustion.

Dans DE 197 13 029, la tête de piston présente, sur sa face d'extrémité tournée vers la chambre de combustion, une structure de nervures en T en saillie vers la chambre de combustion, et qui délimite ainsi dans cette face d'extrémité et avec la couronne périphérique plane de la tête de piston, trois évidements en bols concaves ouverts vers la chambre de combustion, et dont l'un reçoit le jet de carburant provenant de l'injecteur, d'axe incliné sur l'axe du piston et de la bougie et dirigé vers cet axe, mais implanté au sommet de la chambre de combustion, à une extrémité du raccordement entre les deux pans inclinés délimitant la cavité en toit ménagée dans la culasse pour former la partie correspondante de la chambre de combustion.

Dans US-5, 727, 520, la face d'extrémité de la tête de piston présente une nervure de guidage en forme de U très ouvert et en saillie vers la chambre de combustion, de sorte à délimiter deux évidements concaves ouverts vers la chambre de combustion, celui situé à l'intérieur du U recevant le jet de carburant d'un injecteur implanté centralement au sommet de la chambre de combustion en forme de toit à deux pans inclinés, l'injecteur étant faiblement incliné sur l'axe du piston et de la chambre de combustion, alors que la bougie est davantage inclinée sur cet axe et implantée latéralement dans l'un des deux pans inclinés de la cavité en toit de la culasse, du côté de l'admission, le U formé par la nervure de la tête de piston étant ouvert vers l'échappement.

Dans ces différentes réalisations, les nervures délimitant les évidements concaves sur la tête du piston sont essentiellement destinées à modifier l'écoulement dans le sens d'une amplification du mouvement de « tumble », tout en favorisant la turbulence locale, de sorte à augmenter la qualité du mélange air/carburant, son

inflammabilité et sa vitesse de combustion, afin, d'une manière générale, d'améliorer la combustion pour réduire la consommation et la pollution.

L'intention à la base de l'invention est d'améliorer encore les performances en matière de consommation et de pollution, par rapport aux réalisations des brevets précités, en améliorant davantage le niveau de turbulence local en phase de fin de compression, ainsi que la répartition et la vaporisation du carburant dans la chambre de combustion, par un concept mixte de guidage aérométrique et de guidage par paroi solide, conduisant à une optimisation de la géométrie de la chambre de combustion pour une bonne préparation en particulier du mélange pauvre stratifié en injection directe, pour garantir une bonne combustion, en fonction de la position de la bougie, ainsi que pour créer un mélange air/carburant dans des proportions stoechiométriques, dans le volume central de la chambre de combustion, en regard de la bougie.

Un autre but de l'invention est d'obtenir les améliorations précitées en perfectionnant une tête de piston du type connu par FR 2 757 211, dont la face d'extrémité délimitant la chambre de combustion présente, à l'intérieur d'une couronne périphérique plane, perpendiculaire à l'axe du piston, d'une part un évidement en bol, à fond concave ouvert vers la chambre de combustion, et excentré d'un côté de l'axe du piston, et, d'autre part, un bossage en saillie vers la chambre de combustion par rapport à la couronne périphérique, et excentré de l'autre côté de l'axe du piston, l'évidement et le bossage étant symétriques par rapport à une direction diamétrale de la tête de piston.

A cet effet, le piston à tête à guidage actif, du type précité et connu par FR 2 757 211, se caractérise selon l'invention en ce que le bossage présente, vu en plan, parallèlement à l'axe du piston, une forme sensiblement en fer à cheval qui entoure partiellement ledit évidement, entouré par ailleurs par un arc de ladite couronne périphérique plane, et en ce que le bossage présente un rebord en surplomb au-dessus du raccordement dudit évidement audit bossage, au moins au niveau de la base du bossage sensiblement en fer à cheval ainsi que des parties des ailes du bossage en fer à cheval qui sont adjacentes à ladite base.

Ainsi, la forme de la chambre de combustion, et plus particulièrement la forme de l'évidement et du bossage du piston, est telle qu'elle créée de la turbulence, propice à la formation d'un bon mélange air/carburant, tout en permettant de dévier vers le centre de la chambre de combustion, le jet de carburant provenant de l'injecteur, et dont le carburant est ainsi mieux pulvérisé et vaporisé.

Avantageusement de plus, le rebord en surplomb ne présente pas une arête vive, mais au contraire est un rebord à section transversale arrondie, et, en outre, l'amplitude du surplomb dudit rebord, considérée dans un plan perpendiculaire à l'axe du piston, s'atténue ou s'estompe progressivement du centre de la base du bossage en fer à cheval vers l'extrémité de chacune des deux ailes dudit bossage, extrémités au niveau desquelles le surplomb est sensiblement annulé.

Cette mesure technique permet de réduire voire d'éliminer des dispositifs qui seraient sinon nécessaires en amont dans le circuit d'alimentation en air, pour créer un mouvement de « swirl » du gaz dans la chambre de combustion, ces dispositifs amont étant complexes et coûteux.

De plus, la profondeur de l'évidement, considérée parallèlement à l'axe du piston, est avantageusement variable et plus importante dans une partie de l'évidement qui est non-adjacente à ladite base dudit bossage en fer à cheval, cette profondeur maximale ainsi plus généralement que le profil du fond de l'évidement étant de préférence fonction notamment du diamètre du piston ainsi que de la position angulaire de l'injecteur par rapport à Faxe du piston et de la chambre de combustion.

Avantageusement de plus, le bossage en fer à cheval présente une face convexe tournée vers la chambre de combustion, et de largeur radiale, par rapport à I'axe du piston, qui est maximum dans ladite direction diamétrale de symétrie de l'évidement et du bossage de la tête de piston et diminue progressivement de part et d'autre de cette direction, dans les ailes du bossage en fer à cheval. Cette caractéristique avantageuse permet de diminuer le volume interne à la chambre de combustion qui est occupé par un mélange gazeux ayant de mauvaises conditions d'inflammabilité et de combustion.

Simultanément, la couronne périphérique plane présente une largeur radiale variable, qui est minimum sur ladite direction diamétrale de symétrie de l'évidement et du bossage, et du côté situé derrière ledit bossage par rapport audit évidement, la largeur radiale de ladite couronne périphérique augmentant progressivement de part et d'autre de sa section de largeur minimale jusque sur les côtés des ailes du bossage en fer à cheval, de sorte que cette forme du bossage associée à cet élargissement de la couronne périphérique plane facilite une chasse latérale des gaz imbrûlés, en particulier vers la zone centrale de combustion.

L'invention a également pour objet une chambre de combustion, pour moteur à combustion interne à allumage commandé et à injection directe, délimitée entre une tête d'un piston, coulissant axialement dans un cylindre du moteur, et ledit cylindre ainsi qu'une cavité ménagée, en regard de ladite tête de piston, dans une culasse rapportée sur ledit cylindre, une bougie d'allumage étant implantée dans la culasse sensiblement coaxialement au piston, et un injecteur de carburant étant également implanté dans la culasse de sorte à délivrer directement dans la chambre de combustion au moins un jet de carburant orienté selon un axe incliné sur l'axe du piston, et la chambre de combustion de l'invention se caractérise en ce que le piston est un piston selon l'invention et tel que défini ci-dessus, l'axe incliné du jet de carburant étant dans un plan sensiblement radial passant par l'axe du piston et par ladite direction diamétrale de symétrie desdits évidement et bossage de la tête de piston, ledit jet de carburant étant dirigé dans ledit évidement et vers ledit rebord en surplomb de la base dudit bossage en fer à cheval, pour obtenir un excellent guidage actif.

En outre, la chambre de combustion est avantageusement d'un type performant connu, dans lequel la cavité correspondante de la culasse est une cavité sensiblement en forme de toit à deux pans inclinés, dans l'un desquels débouchent ledit injecteur et au moins un conduit d'admission d'air sélectivement obturé et ouvert par au moins une soupape d'admission, sensiblement en regard dudit évidement de la tête de piston, tandis qu'au moins un conduit d'échappement, sélectivement obturé et ouvert par au moins une soupape d'échappement, débouche dans l'autre desdits pans inclinés, sensiblement en regard dudit bossage de la tête de piston.

Dans une telle chambre de combustion, d'excellentes performances ont été obtenues avec un injecteur incliné sur l'axe du piston de sorte que l'axe dudit jet de carburant forme un angle compris entre environ 80° et environ 45° sur l'axe du piston.

D'autres avantages et caractéristiques de l'invention ressortiront de la description donnée ci-dessous, à titre non limitatif, d'un exemple de réalisation décrit en référence aux dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 est une vue schématique partielle en coupe d'un moteur à combustion interne comportant un piston et une chambre de combustion selon l'invention, - la figure 2 est une vue en plan de la tête du piston de la figure 1 et en coupe du cylindre correspondant.

La figure 1 représente de manière schématique et en coupe transversale un moteur 1 à combustion interne, à cycles à quatre temps, à allumage commandé et à injection directe.

Comme connu, dans chaque cylindre 2, aménagé dans le bloc du moteur 1, un piston 3 est monté coulissant axialement en va-et-vient et relié à un vilebrequin (non représenté) par une bielle 4.

Une chambre de combustion 5 est délimitée, à l'extrémité supérieure du piston 2, entre une cavité 6 ménagée, en regard du piston 3, dans une culasse 7 rapportée sur le bloc du moteur 1, et la face d'extrémité 9 de la tête 8 de ce piston 3.

La cavité 6 de la culasse 7 est une cavité dite « en toit », délimitée sensiblement par deux pans inclinés convergent l'un vers l'autre et se raccordant au sommet de la chambre de combustion 5.

Une bougie d'allumage 10 est implantée dans la culasse 7 coaxialement à l'axe X-X du piston 3 et de la chambre de combustion 5 de sorte que ses électrodes 11 débouchent dans le sommet de la chambre de combustion 5.

Un injecteur de carburant 12 est également implanté dans la culasse 7, de sorte qu'il délivre directement dans la chambre de combustion 5 un jet de carburant 13 centré sur un axe Y-Y qui, par commodité, est représenté comme étant l'axe de l'injecteur 12, cet axe Y-Y étant incliné sur l'axe X-X d'un angle qui, dans cet exemple,

est de 73° et contenu dans le plan radial passant par l'axe X-X et par le milieu (perpendiculairement au plan de la figure 1) de l'un 6a des deux pans inclinés 6a et 6b délimitant la cavité 6, et à la base de ce pan 6a, à proximité de l'extrémité supérieure du cylindre 2, et sensiblement entre deux lumières d'admission 14, à l'extrémité aval de conduits d'admission d'air tels que 15 et sélectivement fermées et ouvertes par des soupapes d'admission telles que 16, tandis qu'une lumière d'échappement 17, ménagée dans l'autre pan incliné 6b de la cavité 6, est sélectivement fermée et ouverte par une soupape d'échappement 18 à l'extrémité amont d'un conduit d'échappement 19, les conduits d'admission 15 et d'échappement 19 étant aménagés dans la culasse 7.

De l'air est admis dans la chambre de combustion 5 par les lumières d'admission 14, du même côté que l'injecteur 12, tandis que les gaz de combustion, résultant de la combustion du mélange air/carburant dans la chambre de combustion 5 sont évacués de l'autre côté de la chambre de combustion 5 par la lumière d'échappement 17 et le conduit correspondant 19.

En variante, le moteur peut comporter une ou plus de deux soupapes d'admission 16 et/ou une ou plusieurs soupapes d'échappement 18.

La face d'extrémité 9 de la tête de piston 8 est représentée sur la figure 1 en coupe par le plan radial défini par les axes X-X et Y-Y, dans une position intermédiaire entre le point mort bas et le point mort haut, alors que la figure 2 représente cette face d'extrémité 9 de la tête de piston 8 vue en plan dans la direction de l'axe X-X.

Cette face d'extrémité 9 présente une couronne périphérique 20, qui est plane et perpendiculaire à l'axe X-X, et à l'intérieur de laquelle la face d'extrémité 9 présente un évidement 21, sensiblement en forme de bol concave, à concavité tournée vers la chambre de combustion 5, et excentré d'un côté de l'axe X-X, et plus particulièrement du côté tourné vers l'injecteur 12, bien que l'évidement 21 s'étende également en partie de l'autre côté de cet axe X-X, c'est-à-dire du côté de l'échappement.

A l'intérieur de la couronne périphérique plane 20, la face d'extrémité 9 présente également un bossage 22, en saillie vers la chambre de combustion 5 par rapport à la couronne périphérique 20, et excentré du côté de l'axe X-X en regard de

l'échappement. Toutefois, comme visible sur la figure 2, la forme en plan du bossage 22 est celle d'un fer à cheval ou d'un croissant, dont la base 22a la plus large en direction radiale est effectivement déportée du côté de l'axe X-X qui est vers l'échappement (en regard de la ou des soupapes 18), mais cette base 22a se prolonge de deux ailes latérales 22b de largeur radiale progressivement décroissante, entre l'évidement 21 et la couronne 20.

Ainsi, l'évidement 21 est entouré, sur la majeure partie de son périmètre, par le bossage en fer à cheval 22, et sur le reste de ce périmètre par un arc 20a de la couronne périphérique 20, cet arc 20a pouvant avoir une épaisseur angulaire symétriquement variable de part et d'autre de la direction diamétrale Z-Z présentée ci- dessous.

L'évidement 21 et le bossage 22 sont chacun symétriques par rapport à une direction diamétrale Z-Z perpendiculaire à l'axe X-X et dans le plan radial contenant l'axe Y-Y de l'injecteur 12.

Le bossage 22 présente un rebord 23 en surplomb au-dessus du raccordement entre l'évidement 21 et le bossage 22, et l'amplitude de ce rebord en surplomb 23, considéré perpendiculairement à l'axe X-X, est maximum sur la direction diamétrale Z-Z et diminue progressivement de part et d'autre de cette direction diamétrale Z-Z dans la base 22a du bossage 22 et les parties des ailes 22b adjacentes à la base 22a, pour s'estomper jusqu'à s'annuler aux extrémités des ailes 22b du bossage 22, comme représenté sur la figure 2 entre le trait plein marquant le rebord 23 et le trait interrompu marquant le fond du surplomb.

En outre, le rebord en surplomb 23 n'est pas délimité par une arête vive, mais présente une section transversale arrondie raccordant une surface concave dans le prolongement de celle de l'évidement 21 et une face supérieure 24 du bossage 22 qui est convexe vers la chambre de combustion 5.

Comme représenté en traits interrompus sur la figure 1, et en variante, le bossage 22 peut présenter, dans sa base 22a, une surface supérieure 24 à convexité moins prononcée mais s'étendant sur une largeur radiale (perpendiculairement à l'axe X-X) plus grande, de sorte que la couronne périphérique 20 présente, derrière la base

22a du bossage 22, une largeur minimale de faible valeur dans sa section 20b sur la direction diamétrale Z-Z (voir figure 2), et que sa largeur augmente progressivement de chaque côté de cette section minimale 20b jusqu'à prendre une largeur maximale dans ses parties 20c sur les côtés des ailes 22b du bossage 22.

Par ailleurs, la profondeur de l'évidement 21, considéré parallèlement à l'axe X-X, augmente sensiblement de la partie de l'évidement 21 qui est adjacente à la base 22a du bossage 22 vers la partie de l'évidement 21 qui est directement adjacente à la couronne périphérique 20, c'est-à-dire située en regard de la ou des soupapes d'admission 16 et sous l'injecteur 12.

Lorsque le piston 3 se dirige vers le point mort haut, le jet de carburant 13 projeté par 1'injecteur 12, lors d'une injection tardive, est dirigé dans l'évidement 21, vers le rebord en surplomb 23 au niveau de la base 22a du bossage 22, et sous ce rebord en surplomb 23, et grâce à cette géométrie particulière de la face d'extrémité 9 de la tête de piston 8 et à sa disposition particulière par rapport à l'injecteur 12 incliné et à la bougie 10 axiale, on obtient un guidage mixte, d'une part, aérométrique des parties légères (vapeur et gouttelettes de petit diamètre) et, d'autre part, de paroi solide des parties lourdes (gouttelettes de diamètre important), qui assure une excellente préparation du mélange air/carburant avec une déviation du jet de carburant vers la bougie 10 et une bonne vaporisation du carburant, ainsi qu'un taux élevé de turbulence locale dans le mélange carburant/comburant dans la zone centrale de l'évidement 21, de sorte qu'en fonctionnement en mélange pauvre, on obtient une bonne stratification de ce mélange en regard de la bougie 10, pour une bonne combustion de ce mélange.

De même, en alimentation en air et carburant dans des proportions stoechiométriques et homogène utilisant une injection en phase d'aspiration, la géométrie proposée permet de créer une zone de mélange stoechiométrique efficacement obtenue dans le centre de la chambre de combustion 5, à proximité immédiate des électrodes 11 de la bougie 10.

Durant la compression et la phase de combustion, le transfert des gaz non brûlés dans la zone périphérique de la chambre 5 sous la ou les soupapes d'échappement 18 est amélioré grâce au dispositif de chasse de ces gaz, obtenu par la

forme convexe de la face supérieure 24 du bossage 22, dans sa base 22a radialement la plus large comme dans ses ailes 22b radialement amincies, ainsi que grâce à l'augmentation progressive de la largeur radiale de la couronne périphérique 20, de sa zone de plus petite section 20b sur la direction diamétrale Z-Z, derrière la base 22a du bossage 22, jusqu'à ses parties latérales 20c les plus larges, derrière les ailes 22b du bossage 22 par rapport à l'axe X-X.

Ainsi, cette forme convexe du bossage 22 entre son rebord en surplomb 23 et la couronne périphérique 20 permet de diminuer le volume occupé dans la chambre de combustion 5 par un mélange ne présentant pas de bonnes caractéristiques de combustion.

En outre, la section arrondie du rebord en surplomb 23, et non en arête vive, permet de produire dans la chambre 5 des mouvements de « swirl » du gaz, qui, autrement, devraient au moins partiellement être générés par des moyens particuliers agencés en amont dans le circuit d'alimentation en air.

Bien entendu, la profondeur variable de l'évidement 21 peut être optimisée en fonction, notamment, du diamètre du piston 3 ainsi que de l'inclinaison de l'axe Y-Y de l'injecteur 12 sur l'axe X-X du piston 3 et de la chambre 5, cette inclinaison étant de préférence comprise entre environ 80° et environ 45°.