FR2716495A1 - Direct fuel injection for diesel engine - Google Patents
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Abstract
Description
La présente invention est relative à un moteur à allumage par compression à injection directe du type comprenant un bloc-cylindre, au moins un piston monté mobile dans la direction de l'axe du cylindre, une culasse superposée au bloc-cylindre dans laquelle sont ménagés au moins un conduit d'admission et un conduit d'échappement débouchant dans le cylindre, une soupape de fermeture de chacun des conduits et un injecteur de carburant débouchant dans le cylindre et comportant un axe de symétrie, le piston comportant de plus une cavité ayant une symétrie de révolution autour d'un axe et débouchant sur une surface dirigée vers la culasse, de manière que la cavité du piston et la culasse définissent une chambre de combustion à l'intérieur du cylindre, dans laquelle débouchent l'injecteur et les conduits d'admission et d'échappement, l'axe de l'injecteur étant incliné d'un angle a par rapport à l'axe du cylindre. The present invention relates to a direct injection compression ignition engine of the type comprising a cylinder block, at least one piston mounted movable in the direction of the cylinder axis, a cylinder head superimposed on the cylinder block in which are formed at least one intake duct and one exhaust duct opening into the cylinder, a valve for closing each of the ducts and a fuel injector opening into the cylinder and comprising an axis of symmetry, the piston further comprising a cavity having a symmetry of revolution about an axis and opening onto a surface directed towards the cylinder head, so that the cavity of the piston and the cylinder head define a combustion chamber inside the cylinder, into which the injector and the conduits open intake and exhaust, the axis of the injector being inclined at an angle a relative to the axis of the cylinder.
Dans de tels moteurs à allumage par compression ou moteurs Diesel connus, lors du déplacement du piston en direction de la surface d'appui de la culasse, c'est-àdire dans une phase de compression, l'air provenant du conduit d'admission, généralement sous la forme d'un écoulement tourbillonnaire, pénètre dans une première partie de la chambre de combustion comprise entre la surface plane d'extrémité du piston dirigée vers la culasse et la surface d'appui de la culasse. In such compression ignition engines or known diesel engines, when the piston moves towards the bearing surface of the cylinder head, that is to say in a compression phase, the air coming from the intake duct , generally in the form of a vortex flow, enters a first part of the combustion chamber lying between the flat end surface of the piston directed towards the cylinder head and the bearing surface of the cylinder head.
Du fait du déplacement du piston dans le sens de la compression, l'air contenu dans cette première partie de la chambre de combustion, appelée également zone de chasse, est ensuite chassé énergiquement à l'intérieur de la cavité sous la forme d'un courant tourbillonnaire. Due to the displacement of the piston in the direction of compression, the air contained in this first part of the combustion chamber, also called hunting zone, is then vigorously expelled inside the cavity in the form of a vortex.
Du carburant introduit par l'injecteur à l'intérieur du courant tourbillonnaire est pulvérisé et mélangé intimement à ce courant d'air tourbillonnaire, en particulier à l'intérieur de la cavité. La combustion du carbu rant intervient plus ou moins rapidement après le début de l'injection, à l'intérieur de la chambre principale de combustion du cylindre dans laquelle on réalise directement l'injection de carburant. Fuel introduced by the injector inside the vortex current is sprayed and intimately mixed with this vortex air flow, in particular inside the cavity. The combustion of the fuel occurs more or less quickly after the start of the injection, inside the main combustion chamber of the cylinder in which the fuel injection is carried out directly.
Dans les moteurs à allumage par compression à préchambre de turbulence, l'injection de carburant est réalisée à l'intérieur d'une préchambre distincte de la chambre de combustion du cylindre. In compression ignition engines with a turbulence prechamber, fuel injection takes place inside a prechamber separate from the combustion chamber of the cylinder.
L'architecture classique des moteurs à injection directe actuels ayant une culasse et pour chacun des cylindres, une soupape d'admission et une soupape d'échappement montées dans la culasse laisse peu de liberté sur la position et l'inclinaison de l'injecteur par rapport à l'axe du cylindre considéré. The classic architecture of current direct injection engines having a cylinder head and for each of the cylinders, an intake valve and an exhaust valve mounted in the cylinder head leaves little freedom on the position and the inclination of the injector by relative to the axis of the cylinder considered.
En effet, l'encombrement des conduits d'admission et d'échappement et des organes de distribution impose généralement une inclinaison forcée de l'injecteur par rapport à l'axe de son cylindre. Indeed, the size of the intake and exhaust ducts and the distribution members generally requires a forced inclination of the injector relative to the axis of its cylinder.
Cette inclinaison de l'injecteur entraîne une position dissymétrique de celui-ci par rapport à la cavité qui a généralement pour axe de symétrie, l'axe du cylindre. La dissymétrie est compensée par la conception du nez de l'injecteur qui possède des trous d'injection de longueurs différentes et inclinés différemment par rapport à l'axe de symétrie de l'injecteur. This inclination of the injector causes an asymmetrical position of the latter relative to the cavity which generally has the axis of symmetry, the axis of the cylinder. The asymmetry is compensated for by the design of the injector nose which has injection holes of different lengths and inclined differently from the axis of symmetry of the injector.
Ces différences géométriques des trous de l'injecteur induisent des différences de comportement hydraulique de ces trous, ce qui conduit à des problèmes de répartition non uniforme des quantités injectées par les trous ainsi que des conditions d'injection non uniforme selon le trou considéré, en terme d'impulsion du jet. These geometric differences in the injector holes induce differences in the hydraulic behavior of these holes, which leads to problems of non-uniform distribution of the quantities injected by the holes as well as non-uniform injection conditions depending on the hole considered, in particular jet pulse term.
Les dispersions des quantités de carburant injectées et d'impulsion des jets de carburant formés par les trous de l'injecteur ont une influence importante sur la pénétration de chaque jet à l'intérieur de la cavité avec un risque d'impact des jets sur la paroi intérieure de celle-ci. The dispersions of the quantities of fuel injected and of the pulse of the fuel jets formed by the holes in the injector have a significant influence on the penetration of each jet inside the cavity with a risk of impact of the jets on the inner wall thereof.
Une telle géométrie du nez d'injecteur imposée par l'inclinaison de celui-ci par rapport à la cavité du piston ne permet donc pas une bonne maîtrise du déroulement de la combustion. I1 peut en résulter des niveaux élevés de fumées, d'hydrocarbures imbrûlés et de particules dans les gaz d'échappement du moteur, au détriment des performances et d'un fonctionnement non polluant de ce moteur. Such a geometry of the injector nose imposed by the inclination of the latter relative to the cavity of the piston therefore does not allow good control of the course of combustion. This can result in high levels of smoke, unburnt hydrocarbons and particles in the engine exhaust gases, to the detriment of the performance and non-polluting operation of this engine.
Dans le cas des moteurs comportant quatre soupapes par cylindre, l'injecteur peut être placé sensiblement suivant l'axe du cylindre et, dans ce cas, l'injecteur peut être réalisé de manière entièrement symétrique, l'axe de la cavité étant parallèle à l'axe du cylindre. Cependant, une telle conception peut être difficile à mettre en oeuvre pour des questions d'encombrement, puisqu'il faut loger quatre soupapes au-dessus de chaque cylindre, à l'intérieur de la culasse. In the case of engines comprising four valves per cylinder, the injector can be placed substantially along the axis of the cylinder and, in this case, the injector can be made entirely symmetrically, the axis of the cavity being parallel to the axis of the cylinder. However, such a design can be difficult to implement for reasons of space, since it is necessary to accommodate four valves above each cylinder, inside the cylinder head.
L'invention a pour but d'améliorer les dispersions de répartition des quantités de carburant injectées et des conditions d'injection par des moyens simples, fiables et au moindre coût. The object of the invention is to improve the dispersion dispersions of the quantities of fuel injected and the injection conditions by simple, reliable means and at the lowest cost.
A cet effet, l'invention a pour objet un moteur à allumage par compression à injection directe du type précité, caractérisé en ce que l'axe de symétrie de la cavité est incliné du même angle a que l'axe de l'injecteur par rapport à l'axe du cylindre, de manière à être parallèle à l'axe de l'injecteur. To this end, the subject of the invention is a direct injection compression-ignition engine of the aforementioned type, characterized in that the axis of symmetry of the cavity is inclined at the same angle a as the axis of the injector by relative to the axis of the cylinder, so as to be parallel to the axis of the injector.
Un exemple de réalisation de l'invention va maintenant être décrit en regard des dessins annexés, sur lesquels
- La figure 1 est une vue schématique en perspective avec arrachement d'un cylindre d'un moteur à allu mage par compression et à injection directe suivant l'art antérieur ;
- La figure 2 est une vue en coupe d'un nez d'injecteur suivant l'art antérieur
- La figure 3 est une vue en coupe d'un cylindre d'un moteur selon 1 invention, les traits en pointillés représentant l'art antérieur ; et
- La figure 4 est une vue en coupe d'un nez d'injecteur selon l'invention.An exemplary embodiment of the invention will now be described with reference to the accompanying drawings, in which
- Figure 1 is a schematic perspective view with cutaway of a cylinder of a compression ignition engine and direct injection according to the prior art;
- Figure 2 is a sectional view of an injector nose according to the prior art
- Figure 3 is a sectional view of a cylinder of an engine according to 1 invention, the dotted lines representing the prior art; and
- Figure 4 is a sectional view of an injector nose according to the invention.
Sur la figure 1, on voit la partie supérieure d'un cylindre 1 d'un moteur Diesel à injection directe selon l'art antérieur. Le cylindre 1 est ménagé à l'intérieur d'un bloc-cylindre 2 sur lequel est rapportée une culasse 3 venant en appui sur le bloc-cylindre 2 par l'intermédiaire d'un joint de culasse (non représenté). In Figure 1, we see the upper part of a cylinder 1 of a diesel engine with direct injection according to the prior art. The cylinder 1 is formed inside a cylinder block 2 on which is attached a cylinder head 3 coming to bear on the cylinder block 2 by means of a cylinder head gasket (not shown).
Un piston 5 est monté mobile à l'intérieur du cylindre 1, suivant la direction de l'axe 6 du cylindre 1. A piston 5 is mounted mobile inside the cylinder 1, in the direction of the axis 6 of the cylinder 1.
Un conduit d'admission 7 et un conduit d'échappement 8 sont ménagés à l'intérieur de la culasse 3 et comportent chacun une extrémité débouchant à l'intérieur du cylindre 1. An intake duct 7 and an exhaust duct 8 are formed inside the cylinder head 3 and each have one end opening out inside the cylinder 1.
Une soupape d'admission 9 et une soupape d'échappement 10 sont montées mobiles dans la culasse 3, de manière que leur tête assure l'ouverture ou la fermeture de l'extrémité du conduit d'admission 7 et du conduit d'échappement 8, respectivement. An intake valve 9 and an exhaust valve 10 are movably mounted in the cylinder head 3, so that their head ensures the opening or closing of the end of the intake duct 7 and the exhaust duct 8 , respectively.
Le conduit d'admission 7 présente une surface interne en forme d'hélice, de manière à produire un mouvement tourbillonnaire dans le courant d'air 11 pénétrant dans le cylindre 1, lors de l'ouverture de la soupape d'admission 9. The intake duct 7 has an internal surface in the form of a helix, so as to produce a vortex movement in the air stream 11 penetrating into the cylinder 1, when the intake valve 9 is opened.
Dans la culasse 3 sont également montés un injecteur de carburant liquide 12, dont le corps comporte un axe de symétrie 13, débouchant dans le cylindre 1 et une bougie de préchauffage (non représentée) faisant saillie à l'intérieur du cylindre 1. In the cylinder head 3 are also mounted a liquid fuel injector 12, the body of which has an axis of symmetry 13, opening into the cylinder 1 and a glow plug (not shown) projecting inside the cylinder 1.
La géométrie des conduits d'admission 7 et d'échappement 8 ainsi que celle des soupapes 9 et 10 impose à l'axe 13 de l'injecteur 12 de former un angle a avec l'axe 6 du cylindre 1. The geometry of the intake 7 and exhaust 8 conduits as well as that of the valves 9 and 10 requires the axis 13 of the injector 12 to form an angle a with the axis 6 of the cylinder 1.
Le piston 5 est usiné de manière à présenter une cavité 15, sensiblement dans sa partie centrale, débouchant sur la surface plane 16 d'extrémité du piston 5 dirigée vers la culasse 3. The piston 5 is machined so as to present a cavity 15, substantially in its central part, opening onto the flat surface 16 of the end of the piston 5 directed towards the cylinder head 3.
La cavité 15 ou bol présente un fond ayant la forme d'une surface symétrique de révolution d'axe de symétrie 17. The cavity 15 or bowl has a bottom having the shape of a symmetrical surface of revolution with an axis of symmetry 17.
On a représenté sur la figure 1, la méridienne du fond de cette cavité. There is shown in Figure 1, the meridian of the bottom of this cavity.
L'axe de symétrie 17 de la cavité 15 est parallèle à l'axe 6 du cylindre 1 et est décalé par rapport à celui-ci d'une distance d. The axis of symmetry 17 of the cavity 15 is parallel to the axis 6 of the cylinder 1 and is offset with respect to the latter by a distance d.
Par conséquent, l'axe 13 de l'injecteur 12 et l'axe de symétrie 17 de la cavité 15 forment un angle a l'un par rapport à l'autre. Consequently, the axis 13 of the injector 12 and the axis of symmetry 17 of the cavity 15 form an angle a relative to each other.
Sur la figure 1, on a de plus représenté par des flèches, l'écoulement des gaz dans la partie supérieure du cylindre 1, pendant la phase de compression, lorsque le piston 5 se déplace dans le sens de la flèche 18 et parvient au voisinage de son point mort haut, à la fin de la compression. In Figure 1, there is also shown by arrows, the flow of gases in the upper part of the cylinder 1, during the compression phase, when the piston 5 moves in the direction of arrow 18 and reaches the vicinity from its top dead center, at the end of compression.
La chambre de combustion 19 du cylindre 1 comporte une première partie 20 ou zone de chasse délimitée par la surface plane d'extrémité 16 du piston 5 et la surface de la culasse dirigée vers le cylindre 1. La zone de chasse 20 ayant la forme d'un cylindre dont la hauteur correspond sensiblement à l'épaisseur du joint de culasse communique avec la seconde partie de la chambre de combustion 19 constituée par le volume de la cavité 15. The combustion chamber 19 of the cylinder 1 comprises a first part 20 or hunting zone delimited by the flat end surface 16 of the piston 5 and the surface of the cylinder head directed towards the cylinder 1. The hunting zone 20 having the form of a cylinder, the height of which corresponds substantially to the thickness of the cylinder head gasket, communicates with the second part of the combustion chamber 19 formed by the volume of the cavity 15.
L'air admis sous la forme d'un courant tourbillonnaire 11 pénètre dans la zone de chasse 20 de la chambre de combustion 19 du cylindre 1 sous la forme du courant tourbillonnaire représenté par les flèches 21. The air admitted in the form of a vortex current 11 enters the hunting zone 20 of the combustion chamber 19 of the cylinder 1 in the form of the vortex current represented by the arrows 21.
Le piston 5 se déplaçant dans le sens de la flèche 18 et exerçant une compression dans la zone de chasse 20 de la chambre de combustion 19 réalise une injection d'air à grande vitesse à l'intérieur de la cavité 15. The piston 5 moving in the direction of the arrow 18 and exerting compression in the hunting zone 20 of the combustion chamber 19 injects air at high speed inside the cavity 15.
L'air chassé dans la cavité 15 constitue un écoulement tourbillonnaire, comme représenté par les flèches 22. The air expelled into the cavity 15 constitutes a vortex flow, as represented by the arrows 22.
L'injection du carburant est réalisé à l'intérieur de la chambre de combustion 19 par l'injecteur 12 qui est un injecteur multitrous, sous la forme d'une pluralité de jets de gazole dirigés suivant une nappe conique à l'intérieur de la cavité 15. The fuel is injected inside the combustion chamber 19 by the injector 12 which is a multi-hole injector, in the form of a plurality of diesel jets directed along a conical sheet inside the cavity 15.
Les caractéristiques de l'injection de carburant qui déterminent les conditions d'inflammation et de combustion à l'intérieur de la chambre de combustion 19 dépendent principalement de l'interaction des jets entre eux, de l'interaction des jets avec l'écoulement des gaz dans la chambre et de l'interaction des jets avec les parois de la chambre. The characteristics of the fuel injection which determine the ignition and combustion conditions inside the combustion chamber 19 depend mainly on the interaction of the jets with one another, on the interaction of the jets with the flow of gas in the chamber and the interaction of the jets with the walls of the chamber.
En fonction de ces caractéristiques, la combustion intervient plus ou moins rapidement après le début de l'injection. La durée entre le début d'injection et le début de combustion s'appelle le délai. Depending on these characteristics, combustion occurs more or less quickly after the start of the injection. The time between the start of injection and the start of combustion is called the delay.
La conception du nez d'injecteur 12 est, dans l'état de la technique, adaptée pour compenser la position symétrique de l'injecteur 12 par rapport au bol 15, pour obtenir une nappe conique de jets de gazole symétrique par rapport à l'axe de ce bol. The design of the injector nose 12 is, in the state of the art, adapted to compensate for the symmetrical position of the injector 12 relative to the bowl 15, to obtain a conical sheet of diesel jets symmetrical with respect to the axis of this bowl.
On voit sur la figure 2, un injecteur classique 12 formé d'un corps cylindrique creux 23 se prolongeant par un nez 24. Le corps 23 reçoit un arbre 25 percé d'un alésage axial débouchant à l'extrémité tronconique de cet arbre. Cette extrémité est en appui sur un siège 26. We see in Figure 2, a conventional injector 12 formed of a hollow cylindrical body 23 extending by a nose 24. The body 23 receives a shaft 25 pierced with an axial bore opening at the frustoconical end of this shaft. This end is supported on a seat 26.
Le nez 24 est percé de trous tous orientés différemment par rapport à l'axe de symétrie 13, et de longueurs différentes les uns par rapport aux autres. Par exemple, le trou 27 fait un angle ss par rapport à l'axe 13 et a pour profondeur d' et le trou 28 fait un angle ss' et a pour profondeur d". The nose 24 is pierced with holes all oriented differently relative to the axis of symmetry 13, and of different lengths relative to each other. For example, the hole 27 makes an angle ss with respect to the axis 13 and has the depth d 'and the hole 28 makes an angle ss' and has the depth d ".
Sur la figure 3, on a représenté une partie du cylindre d'un moteur à allumage par compression, à injection directe suivant l'invention et qui fonctionne selon les principes généraux rappelés ci-dessus. Les éléments correspondants du moteur représenté aux figures 1 et 3 d'une part et 2 et 4 d'autre part porteront les mêmes références. In Figure 3, there is shown a part of the cylinder of a compression-ignition engine, direct injection according to the invention and which operates according to the general principles recalled above. The corresponding elements of the motor shown in Figures 1 and 3 on the one hand and 2 and 4 on the other hand will bear the same references.
Sur la figure 3, on a représenté de plus une bougie de préchauffage 29 ainsi que le joint de culasse 4. In FIG. 3, there is also shown a glow plug 29 as well as the cylinder head gasket 4.
Ce qui distingue la figure 3 de la figure 1 est l'orientation de l'axe de symétrie de révolution 17 de la cavité 15 du piston 5 par rapport à l'axe 6 du cylindre 1. What distinguishes FIG. 3 from FIG. 1 is the orientation of the axis of symmetry of revolution 17 of the cavity 15 of the piston 5 relative to the axis 6 of the cylinder 1.
Le piston 5 est usiné pour présenter une cavité 15 sensiblement symétrique de révolution, située pratiquement dans sa partie centrale et débouchant sur la surface plane 16 d'extrémité du piston 5 dont l'axe de symétrie est parallèle à l'axe 13 de l'injecteur 12. The piston 5 is machined to present a substantially symmetrical cavity of revolution, located practically in its central part and opening onto the flat surface 16 of the end of the piston 5 whose axis of symmetry is parallel to the axis 13 of the injector 12.
Ainsi, l'axe 17 de symétrie de révolution de la cavité 15 et l'axe de symétrie 13 de l'injecteur 12 forment tous les deux le même angle a avec l'axe 6 du cylindre 1. Ces deux axes de symétrie 13 et 17 peuvent être parallèles en étant légèrement décalés ou confondus. Thus, the axis 17 of symmetry of revolution of the cavity 15 and the axis of symmetry 13 of the injector 12 both form the same angle a with the axis 6 of the cylinder 1. These two axes of symmetry 13 and 17 can be parallel while being slightly offset or confused.
Cette position symétrique de l'injecteur 12 par rapport à la cavité 15 permet une conception symétrique du nez 23 de l'injecteur 12, comme le montre la figure 4. This symmetrical position of the injector 12 relative to the cavity 15 allows a symmetrical design of the nose 23 of the injector 12, as shown in FIG. 4.
Tous les trous du nez de l'injecteur ont maintenant une orientation identique par rapport à l'axe de cet injecteur et ont également une longueur égale. Par exemple, les trous 27 et 28 font un angle ss avec l'axe 13 de l'injecteur 12 et ont tous les deux la même profondeur d'''. All the holes in the nozzle of the injector now have an identical orientation relative to the axis of this injector and also have an equal length. For example, the holes 27 and 28 make an angle ss with the axis 13 of the injector 12 and both have the same depth of '' '.
On obtient une nappe 30 (figure 3) constituée par les jets de gazole envoyés par l'injecteur 12 à l'intérieur de la cavité 15, de forme conique, ayant un axe parallèle à l'axe de symétrie 17 de la cavité 15, en utilisant un nez d'injecteur symétrique par rapport à son axe 13. A sheet 30 is obtained (FIG. 3) constituted by the jets of diesel fuel sent by the injector 12 inside the cavity 15, of conical shape, having an axis parallel to the axis of symmetry 17 of the cavity 15, using an injector nose symmetrical about its axis 13.
Cette configuration symétrique du nez d'injecteur par rapport à l'axe de l'injecteur permet une réduction importante des dispersions des quantités injectées selon le trou considéré et des conditions équivalentes d'injection entre les différents trous, ce qui entraîne une injection beaucoup plus homogène. Une telle géométrie permet donc de réduire les niveaux de fumées et ainsi d'accroître le potentiel des performances du moteur d'une part et de réduire les niveaux d'hydrocarbures imbrûlés et de particules d'autre part. This symmetrical configuration of the injector nose relative to the axis of the injector allows a significant reduction in the dispersions of the quantities injected according to the hole considered and equivalent injection conditions between the different holes, which results in much more injection. homogeneous. Such a geometry therefore makes it possible to reduce the smoke levels and thus to increase the performance potential of the engine on the one hand and to reduce the levels of unburnt hydrocarbons and of particles on the other hand.
La géométrie proposée est particulièrement bien adaptée pour les moteurs ayant des culasses à deux soupapes mais peut aussi être utilisée dans des moteurs ayant plus de deux soupapes par cylindre. The proposed geometry is particularly well suited for engines with two-valve cylinder heads but can also be used in engines with more than two valves per cylinder.
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