FR2880385A1 - Moteur a combustion interne comportant un piston a bol de combustion muni d'un bossage incline - Google Patents

Moteur a combustion interne comportant un piston a bol de combustion muni d'un bossage incline Download PDF

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Abstract

L'invention propose un moteur (10) à combustion interne à injection directe, comportant au moins un cylindre (12) d'axe vertical X-X dans lequel coulisse un piston (14) qui comporte un bol de combustion (28), une culasse (34) qui porte un injecteur (36) qui est excentré par rapport à l'axe X-X apte à pulvériser le carburant sous la forme d'une nappe d'injection (42) sensiblement conique formée de plusieurs jets dissymétriques (44) qui s'étendent globalement à partir d'un point d'origine O de l'injecteur (36), et dans lequel le bol de combustion (28) comporte une gorge annulaire latérale (46) centrée sur un axe principal de symétrie A-A et un fond (48) sensiblement horizontal de profondeur constante à partir duquel s'étend verticalement un bossage central (50) de sommet S, caractérisé en ce que l'axe général B-B du bossage (50) passant par le sommet S est incliné par rapport à l'axe vertical X-X d'un angle aigu déterminé de manière à orienter le sommet S du bossage (50) en direction de l'injecteur (36).

Description

"Moteur à combustion interne comportant un piston à bol
de combustion muni d'un bossage incliné" L'invention concerne un moteur à combustion interne à injection directe, comportant un piston à bol de combustion muni d'un bossage incliné en direction du sommet de la nappe d'injection de carburant.
L'invention concerne plus particulièrement un moteur à combustion interne à injection directe, comportant au moins un cylindre d'axe vertical X-X dans lequel coulisse axialement un io piston qui comporte, dans sa face supérieure, un bol de combustion délimitant la partie inférieure d'une chambre de combustion dont la partie supérieure est délimitée par une portion en vis-à-vis de la face inférieure d'une culasse qui porte un injecteur qui est excentré par rapport à l'axe X-X et qui est muni d'une buse d'injection comportant des trous d'injection pour pulvériser le carburant sous la forme d'une nappe d'injection sensiblement conique formée de plusieurs jets dissymétriques qui s'étendent globalement à partir d'un point d'origine O de l'injecteur, et dans lequel le bol de combustion comporte une gorge annulaire latérale centrée sur un axe principal de symétrie A-A, coaxial à l'axe vertical X- X, et un fond sensiblement horizontal de profondeur constante à partir duquel s'étend verticalement un bossage central de sommet S. On connaît de nombreux exemples de moteurs à combustion interne de ce type pour véhicule automobile, notamment à allumage par compression de type Diesel.
On cherche généralement à améliorer les performances de ces moteurs tout en réduisant d'une part leur consommation et, d'autre part, l'émission de polluants, tels que les oxydes d'azote (NOx) ou les particules comme les suies ou les fumées.
De telles améliorations peuvent notamment être obtenues en agissant sur la qualité du mélange entre les gaz d'admission et le carburant, c'est-à-dire en réalisant un mélange sensiblement homogène dans la chambre de combustion du cylindre du moteur, plus particulièrement dans le bol de combustion du piston.
Dans le cas d'un moteur à injection directe, les phénomènes principaux qui se combinent et qui permettent d'obtenir un mélange sensiblement homogène sont essentielle-ment la pulvérisation du carburant et les mouvements d'air du type "swirl" de la charge de gaz d'admission autour d'un axe sensiblement confondu ou parallèle à l'axe du cylindre, et encore le mouvement d'air provoqué par l'injection de carburant.
o Il est ainsi connu que les caractéristiques du mélange "air/carburant" obtenues dans la chambre de combustion dépendent directement de l'angle selon lequel le carburant est injecté dans la chambre de combustion et de la géométrie du bol de combustion qui est complémentaire et associée à un injecteur donné.
Plus précisément, le carburant, lorsqu'il est injecté par les trous ou orifices de l'injecteur de carburant, forme une nappe ou un cône dont l'ouverture, aussi appelée "angle de nappe", est primordiale et plusieurs conceptions de bol de combustion associées à des injecteurs sont à ce titre connues de l'état de technique.
Ainsi, on distingue principalement deux catégories de bols de combustion utilisés dans les moteurs à injection directe, à savoir d'une part les bols de diamètre élevé et de faible profondeur, dits "bols larges", et d'autre part, les bols de diamètre plus faible et de profondeur plus irnportante, dits "bols profonds".
L'invention concerne plus particulièrement les moteurs dans lesquels l'injecteur de carburant est agencé dans une position excentrée par rapport à l'axe vertical X-X du cylindre, tels que généralement les moteurs à combustion interne comportant deux soupapes par cylindre afin de permettre l'implantation dans chaque cylindre d'une soupape d'admission et d'une soupape d'échappement de grand diamètre.
Lorsque l'injecteur est ainsi excentré ou décentré, les différents jets de carburant injectés sont dissymétriques.
En particulier les différents jets de carburant parcourent des longueurs différentes avant d'entrer en contact avec la paroi interne du bol de combustion, ce qui provoque un déséquilibre entre la répartition du carburant et des gaz d'admission et affecte par conséquent la qualité du mélange qui n'est pas aussi homogène que souhaité.
C'est la raison pour laquelle, on a cherché à optimiser o d'une part la géométrie et l'implantation des bols de combustion et, d'autre part, la répartition des jets de carburant pulvérisé par l'injecteur associé.
Le document FR-A-2.716.495 décrit une première conception connue de l'état de la technique, plus particulièrement 1s représentée à la figure 1 de ce document et selon laquelle le bol de combustion est excentré par rapport à l'axe vertical X-X du cylindre d'une distance "d" déterrninée de manière à rapprocher ou aligner l'axe principal de symétrie A-A du bol de combustion avec l'extrémité de la buse d'injection de la nappe.
Cependant, dans une telle conception à bol excentré, il n'est pas possible de réaliser des bols de combustion de type "bol large" car il est nécessaire de conserver au moins une distance minimale par rapport à la paroi cylindrique externe du piston pour garantir la bonne tenue mécanique du piston, de sorte que le diamètre du bol de combustion doit être réduit en conséquence.
Ce document décrit aussi une réalisation représentée à la figure 3 selon laquelle le bol de combustion du type "bol profond" est incliné par rapport à l'axe vertical X-X du cylindre de sorte que la profondeur, c'est-à-dire la cote axiale suivant l'axe X-X, n'est pas constante.
Une telle géométrie de bol de combustion n'est pas non plus satisfaisante car le mélange air-carburant n'est pas homogène, provoquant notamment l'apparition de fumées.
En effet, dans la partie de plus grande profondeur du bol on constate l'apparition de zones hétérogènes dans lesquelles l'air est majoritaire et n'est pas mélangé de manière homogène au carburant.
s De surcroît, il n'est pas possible de réaliser un bol de combustion d'une telle profondeur dans de nombreux pistons de moteur ce qui en restreint aussi l'application.
De plus, un tel bol de combustion doit nécessairement être associé à un injecteur présentant un angle de nappe faible, to généralement inférieur à 60 , pour favoriser le mélange de l'air et des jets de carburant que limitent les faibles longueurs parcourues par les jets et aussi pour réduire les risques d'interférences entre les jets dissymétriques et le bossage central du bol de combustion.
Le document FR-A-2.844.012 décrit une deuxième conception connue de l'état de la technique selon laquelle le bol de combustion est centré sur l'axe X-X du cylindre confondu qui constitue son axe principal A-A de symétrie.
Dans un tel bol de combustion du type "large", on détermine généralement l'angle de la nappe d'injection en fonction notamment du diamètre du bol de combustion de manière à assurer un mélange sensiblement homogène.
Toutefois du fait de la faible profondeur d'un tel bol large, il existe un risque d'interférence des jets de carburant avec le bossage de sorte qu'il est nécessaire d'en diminuer la cote axiale pour supprimer tout risque d'interaction.
La cote axiale du bossage est donc généralement nettement inférieure à la profondeur totale du bol et une telle diminution de la hauteur du bossage a pour effet d'augmenter conjointement le volume total du bol de combustion, ce qui provoque une diminution du taux de compression.
Ainsi, il est alors nécessaire de réduire le diamètre du bol de combustion en proportion afin de maintenir un taux de compression satisfaisant. s
Par conséquent, les conceptions connues de l'état de la technique ne donnent pas entière satisfaction, notamment en ce qu'elles ne permettent pas de réaliser des bols de combustion du type "bol large" qui, associés à un injecteur présentant un angle s de nappe d'injection très ouvert, favorisent l'obtention d'un mélange homogène en augmentant les longueurs ou distances libres parcourues par les jets dissymétriques et réduisent l'interaction des jets avec la paroi interne du bol.
L'invention a pour but de remédier à ces inconvénients et to de proposer un moteur à combustion interne comportant un piston dont le bol de combustion du type "bol large" présente un diamètre supérieur par rapport aux conceptions connues de l'état de la technique.
Dans ce but, l'invention propose un moteur à combustion interne du type décrit précédemment, caractérisé en ce que l'axe général B-B du bossage passant par le sommet S est incliné par rapport à l'axe vertical X-X d'un angle aigu déterminé de manière à orienter le sommet S du bossage en direction de l'injecteur.
Grâce à l'invention, on améliore l'échange entre le carburant injecté et les gaz d'admission du moteur à combustion interne et on augmente les performances du moteur tout en réduisant la formation de polluants, tels que les oxydes d'azote (NOx), les suies et autres hydrocarbures imbrûlés constituant les fumées noires en sortie d'échappement.
Avantageusement, le bossage incliné selon l'invention permet par comparaison avec la deuxième conception de l'état de la technique, de réaliser un bol de combustion de diamètre supérieur sans risque d'interférence avec les jets dissymétriques.
Selon d'autres caractéristiques de l'invention: - l'axe général B- B du bossage passe par le point d'origine O des jets formant le sommet de la nappe d'injection de carburant; - en section par un plan de coupe vertical passant par ledit axe principal de symétrie A-A du bol, le bossage présente un profil dissymétrique correspondant aux jets dissymétriques de carburant de différentes longueurs; - le bossage est de forme globalement tronconique dont l'angle au sommet est déterminé en fonction de l'angle s d'ouverture de la nappe d'injection de manière que les jets de carburant de la nappe d'injection n'interfèrent pas avec la paroi tronconique externe du bossage lors de l'injection; - le bossage s'étend verticalement sur une cote axiale (h) déterminée de manière que, lorsque le piston est globalement au o point mort haut (PMH), le sommet S du bossage soit à proximité du point d'origine O formant le sornmet de la nappe d'injection de carburant; - l'axe vertical de symétrie A-A du bol de combustion est confondu avec l'axe X-X du cylindre; - le moteur comporte des moyens pour produire à l'admission un mouvement tourbillonnaire ordonné du type "swirl" dans ledit cylindre.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit pour la compréhension de laquelle on se reportera à la figure unique qui est une vue schématique en coupe axiale d'un cylindre de moteur à combustion interne comportant un piston dont le bol de combustion comporte un bossage incliné selon l'invention.
La figure représente une partie d'un moteur à combustion interne 10 du type à injection directe et plus particulièrement l'un 12 des cylindres du moteur.
Le cylindre 12 s'étend axialement suivant un axe vertical X-X et délimite un alésage interne dans lequel coulisse axialement un piston 14 selon un mouvement de va-et-vient.
Le piston 14 comporte axialement une tête supérieure 16 et une jupe inférieure 18, la paroi cylindrique externe 20 de la tête 16 comportant des gorges annulaires périphériques 22 qui reçoivent des segments 24.
Le piston 14 comporte dans sa face horizontale supérieure 26 un bol de combustion 28, encore appelé cavité, qui délimite axialement la partie inférieure d'une chambre de combustion 30 dont la partie supérieure est délimitée par une portion de la face s inférieure 32 d'une culasse 34 du moteur.
La culasse 34 comporte au moins un conduit d'admission d'air qui débouche par un orifice d'entrée obturé par une soupape d'admission (non représentés) dans la chambre de combustion 30, et au moins un conduit d'échappement des gaz brûlés qui io débouche par un orifice de sortie destiné à être obturé par une soupape d'échappement (non représentés) dans la chambre de combustion 30.
La culasse 34 porte un injecteur 36 de carburant qui est excentré ou décentré par rapport à l'axe vertical X-X du cylindre 12 de manière à permettre avantageusement l'implantation de deux soupapes de grand diamètre dans le cas d'un moteur 10 comportant une soupape d'admission et une soupape d'échappement par cylindre 12.
L'injecteur 36 est ici muni d'une buse d'injection 38 qui débouche directement dans la chambre de combustion 30 du moteur 10 et comporte des trous d'injection 40 pour pulvériser le carburant en direction du bol de combustion 28.
Les trous 40 sont par exemple agencés axialement sur une rangée unique et repartis annulairement par rapport à l'axe principal C-C de l'injecteur autour de la buse d'injection 38.
Avantageusement, le nombre de trous 40 est supérieur ou égal à 6 et les trous 40 sont de préférence répartis angulairement de manière régulière autour de l'axe principal C-C de l'injecteur 36.
Avantageusement, pour que l'injection de carburant soit effectuée le plus près possible de l'axe X-X du cylindre 12 dans lequel coulisse le piston 14, la buse 38 de l'injecteur 36 est généralement rapprochée de l'axe X-X du cylindre, en inclinant l'axe principal C-C de l'injecteur 36 par rapport à l'axe vertical X-X du cylindre 12.
Le carburant est pulvérisé par les trous 40 sous la forme d'une nappe d'injection 42 sensiblement conique qui est s constituée par l'ensemble des jets 44 de carburant issus des trous 40.
Le bol de combustion 28 comporte une gorge annulaire latérale 46, globalement en forme de tore, qui est centrée sur un axe principal de symétrie A-A.
o L'axe principal de symétrie A-A s'étend ici verticalement, c'est- à-dire coaxialement à l'axe X-X du cylindre 12. De préférence, l'axe vertical de symétrie A-A du bol de combustion 28 est confondu avec l'axe X-X du cylindre 12.
Le bol de combustion 28 comporte un fond 48 sensiblement horizontal de profondeur constante à partir duquel s'étend verticalement un bossage central 50 de sommet S. Par "profondeur", on entend ici la cote axiale (h) comprise entre le fond 48 et le bord circulaire supérieur 52 qui délimite l'ouverture d'entrée du bol 28.
La nappe d'injection 42 présente un angle de nappe (a) correspondant à l'ouverture au sommet du cône et qui est notamment déterminé en fonction des paramètres du bol de combustion 28, tels que le diamètre ou la profondeur.
Les jets 44 sont dits dissymétriques en raison du fait que 25 les différents jets de carburant parcourent des longueurs différentes avant d'entrer en contact avec la paroi interne de la gorge 46 du bol de combustion 28.
De plus, les jets dissymétriques 44 s'étendent tous en direction du bol globalement à partir d'un point fictif, dit point d'origine O, qui est situé au voisinage de l'extrémité de la buse 38 de l'injecteur 36.
Conformément à l'invention, l'axe général B-B du bossage 50 passant par le sommet S est incliné par rapport à l'axe vertical X-X d'un angle aigu déterminé de manière à orienter le sommet S du bossage 50 en direction de l'injecteur 36.
Plus précisément, l'axe général B-B du bossage 50 passe avantageusement par le point d'origine O des jets 44 formant le 5 sommet de la nappe d'injection 42 de carburant.
De préférence, le bossage 50 présente ici, en section par un plan de coupe vertical passant par ledit axe principal de symétrie A-A du bol 28, un profil dissymétrique correspondant aux jets 44 dissymétriques de carburant de différentes longueurs.
Io Le bossage 50 est ici de forme globalement tronconique dont l'angle au sommet est déterminé en fonction de l'angle d'ouverture (a) de la nappe d'injection 42 de manière que les jets 44 de carburant de la nappe d'injection 42 n'interfèrent pas avec la paroi tronconique externe 54 du bossage 50 lors de l'injection.
En variante, le bossage 50 est de forme hémisphérique.
Comme on peut le voir sur la figure, le bossage 50 s'étend verticalement sur une cote axiale (h) déterminée de manière que, lorsque le piston 14 se trouve globalement au point mort haut PMH, le sommet S du bossage 50 soit à proximité du point d'origine O formant le sommet de la nappe d'injection 42 de carburant.
Grâce à l'invention, les risques d'interférence entre les jets dissymétriques 44 et la paroi externe 54 du bossage 50 sont ainsi avantageusement supprimés tout en conservant un angle de nappe d'injection important qui est favorable à la réalisation d'un mélange air- carburant homogène.
Avantageusement, l'axe principal C-C de l'injecteur 36 est incliné par rapport à l'axe vertical X-X du cylindre 12 de manière à former un angle aigu déterminé ou à être sensiblement confondu avec l'axe général B- B du bossage 50 du bol de combustion 28.
En variante, l'axe principal C-C de l'injecteur 36 est coaxial à l'axe vertical X-X du cylindre 12.
Par comparaison avec les conceptions de l'état de la technique, le bossage incliné 50 selon l'invention permet avantageusement d'implanter un bol de combustion 28 de diamètre supérieur dans la face supérieure 26 du piston 14 et d'utiliser un injecteur 36 associé comportant un angle de nappe (ci) supérieur.
En effet, il est possible d'implanter un bol 28 de grand diamètre notamment du fait que le bol 28 est centré sur l'axe X-X du cylindre 12, donc reste à une distance suffisante de la paroi cylindrique externe 20 du piston 14 pour ne pas en affecter la tenue mécanique.
o De plus, le bossage 50 étant incliné conformément à l'invention, il n'y a pas de risque d'interactions ou d'interférences avec les jets 44 de carburant.
Avantageusement, , par comparaison à un bossage selon l'état de la technique, le bossage 50 occupe un volume supérieur de sorte que, à isovolume de bol de combustion 28, le diamètre du bol de combustion 28 peut être augmenté.
Avantageusement, le moteur 10 comporte des moyens pour produire à l'admission un mouvement tourbillonnaire ordonné du type "swirl" dans le cylindre 12.

Claims (7)

REVENDICATIONS
1. Moteur (10) à combustion interne à injection directe, comportant au moins un cylindre (12) d'axe vertical (X-X) dans lequel coulisse axialement un piston (14) qui comporte, dans sa face supérieure (26), un bol de combustion (28) délimitant la partie inférieure d'une chambre de combustion (30) dont la partie supérieure est délimitée par une portion en vis-à-vis de la face inférieure (32) d'une culasse (34) qui porte un injecteur (36) qui est excentré par rapport à l'axe (X-X) et qui est muni d'une buse d'injection (38) comportant des trous d'injection (40) pour pulvériser le carburant sous la forme d'une nappe d'injection (42) sensiblement conique formée de plusieurs jets dissymétriques (44) qui s'étendent globalement à partir d'un point d'origine O de l'injecteur (36), et dans lequel le bol de combustion (28) comporte une gorge annulaire latérale (46) centrée sur un axe principal de symétrie (A-A), coaxial à l'axe vertical (X-X), et un fond (48) sensiblement horizontal de profondeur constante à partir duquel s'étend verticalement un bossage central (50) de sommet S, caractérisé en ce que l'axe général B-B du bossage (50) passant par le sommet S est incliné par rapport à l'axe vertical (X-X) d'un angle aigu déterminé de rnanière à orienter le sommet S du bossage (50) en direction de l'injecteur (36).
2. Moteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'axe général (B-B) du bossage (5C)) passe par le point d'origine O des jets formant le sommet de la nappe d'injection (42) de carburant.
3. Moteur selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que, en section par un plan de coupe vertical passant par ledit axe principal de symétrie (A-A) du bol (28), le bossage (50) présente un profil dissymétrique correspondant aux jets dissymétriques (44) de carburant de différentes longueurs.
4. Moteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le bossage (50) est de forme globalement tronconique dont l'angle au sommet est déterminé en fonction de l'angle d'ouverture de la nappe d'injection (42) de manière que les jets (44) de carburant de la nappe d'injection (42) n'interfèrent pas avec la paroi tronconique externe (54) du bossage (50) lors de l'injection.
5. Moteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le bossage (50) s'étend verticalement sur une cote axiale (h) déterminée de manière que, lorsque le piston (14) est globalement au point mort haut (PMH), le sommet S du bossage (50) soit à proximité du point d'origine O o formant le sommet de la nappe d'injection (42) de carburant.
6. Moteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'axe vertical de symétrie A-A du bol de combustion (28) est confondu avec l'axe (X-X) du cylindre (12).
7. Moteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour produire à l'admission un mouvement tourbillonnaire ordonné du type "swirl" dans ledit cylindre (12).
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