FR2947009A1

FR2947009A1 - Piston pour chambre de combustion de moteur diesel.

Info

Publication number: FR2947009A1
Application number: FR0954274A
Authority: FR
Inventors: Ludovic Thobois; Sebastien Leonard
Original assignee: Peugeot Citroen Automobiles SA
Current assignee: PSA Automobiles SA
Priority date: 2009-06-23
Filing date: 2009-06-23
Publication date: 2010-12-24
Anticipated expiration: 2029-06-23
Also published as: FR2947009B1

Abstract

Le piston (1) comporte une cavité centrale en forme de bol (2) pour la combustion du carburant, et une lèvre (3) disposée à la périphérie supérieure du bol (2). La surface supérieure du piston comprise entre la lèvre (3) et le bord externe du piston est désignée « chasse » (14), et l'espace compris entre la chasse (14) et la culasse est désigné « zone de chasse» (Z'). La chasse (14) est inclinée dans la direction du fond du bol (2) en allant du bord externe du piston vers la lèvre (3), de façon à créer une zone de mélange air et carburant supplémentaire pour augmenter l'efficacité de la combustion. Véhicules automobiles. Moteurs à combustion Diesel. Pistons de moteurs à combustion Diesel.

Description

PISTON POUR CHAMBRE DE COMBUSTION DE MOTEUR DIESEL. [0001 La présente invention concerne un piston pour chambre de combustion de moteur Diesel. Elle concerne aussi un moteur à combustion Diesel de véhicule, en particulier de véhicule automobile, qui comporte un tel piston dont la structure permet d'améliorer l'efficacité de la combustion ainsi que le véhicule muni d'un tel moteur. [0002] A cylindrée donnée, pour améliorer la puissance maximale d'un moteur à combustion Diesel, il faut augmenter le plus possible la vitesse de combustion de façon à permettre l'injection d'une quantité maximale de carburant tout en respectant les contraintes d'architecture du moteur, à savoir la pression maximale admissible dans la chambre de combustion et la température d'échappement. La combustion étant fonction de la vitesse de mélange du carburant avec l'air, on a cherché à favoriser ce mélange en jouant sur la pression d'injection, la définition de la buse de l'injecteur ou encore la forme du piston, par exemple. [0003] Un piston de moteur Diesel comprend, de manière classique, une cavité en forme de bol, qui contient l'air pour faire brûler le carburant en position haute du piston, et une lèvre, qui relie le bol à la zone de chasse du piston, c'est-à-dire l'espace situé entre la surface inférieure de la culasse et la surface supérieure du piston. [0004] Dans un mode de combustion classique, le carburant liquide vient heurter directement la lèvre, et cette dernière assure la séparation du carburant injecté en deux courants : un premier courant vers le bol et un autre courant vers la zone de chasse. Cette interaction entre l'injection de carburant liquide et la lèvre constitue la problématique majeure de la recherche de la meilleure performance du moteur à combustion Diesel. Le principe sous-jacent de cette recherche est d'utiliser au maximum l'air qui se trouve dans le bol en bénéficiant du mouvement d'air généré par l'injection liquide et, de plus, d'envoyer une faible quantité de carburant dans la zone de chasse afin qu'elle brûle en fin de combustion lorsque le piston descend. Dans ce mode de combustion, la fin de combustion est lente car elle dépend directement de la vitesse de descente du piston qui libère de l'espace, et par conséquent de l'air, pour faire brûler le carburant injecté dans la zone de chasse. De ce fait, la quantité de carburant maximale à injecter, qui

détermine la puissance maximale du moteur, est directement limitée par la rapidité de la fin de combustion. En effet, plus la combustion est lente et plus la fin de combustion a lieu tardivement dans la détente. Ceci a pour conséquence d'augmenter la température d'échappement, ce qui constitue une des contraintes majeures dans cette recherche de meilleure efficacité du moteur. [0005] On a déjà cherché à améliorer le mélange air et carburant, et par conséquent la vitesse de combustion qui en découle. [0006] A titre d'exemple, le document FR 2 861 809 décrit un piston pour une chambre de combustion de moteur à injection directe et à allumage par compression, lequel piston présente une cavité en forme de bol. La surface formant le bol présente un téton central en saillie et une partie périphérique entourée par une zone de chasse annulaire. L'entrée du bol comprend une lèvre dont la face dirigée vers l'intérieur du bol forme un angle voisin de 90° avec un jet de carburant d'un injecteur placé sensiblement dans l'axe du piston. [0007] A titre d'exemple également, le document WO 2004/003368 A2 décrit un piston de moteur à combustion interne, qui présente également une cuvette de combustion en forme de bol avec une structure de commande de carburant pour rediriger au moins une partie du carburant en sortie du bol. Le piston comporte un bord saillant à sa surface extérieure et à proximité de l'entrée du bol, et une lèvre arrondie de réception du carburant située à l'intérieur du bol. [0008] Un autre exemple est constitué par le document JP 11-035237, qui décrit un moteur à injection directe. Ce moteur comprend une chambre de combustion formée entre la surface supérieure du piston et la surface inférieure de la tête de cylindre, une soupape d'injection de carburant située dans la tête de cylindre et réalisant l'injection directe du carburant dans la chambre de combustion, un organe en saillie de la surface inférieure de la tête de cylindre de telle sorte que la surface de la paroi avec laquelle le carburant injecté par la soupape d'injection entre en collision puisse être située sur un fil en extension de l'axe géométrique d'un orifice injecteur dans la soupape d'injection. [0009] Enfin, le document EP 1 983 168 Al décrit une structure de chambre de combustion pour un moteur Diesel à injection directe, laquelle structure présente une cavité sur la surface supérieure du piston. La cavité est de forme concave de façon à fournir une grande partie de la chambre de combustion. Le carburant est

injecté à partir du centre de la partie supérieure du cylindre dans la périphérie interne de la cavité pour une combustion instantanée. Une dépression est formée à la périphérie externe de la cavité et est décalée vers le bas par rapport à la surface supérieure du piston pour fournir une sorte de marche. La dépression a un fond, dont la périphérie externe remonte graduellement radialement vers l'extérieur selon une surface de profil curviligne jusqu'à la surface supérieure du piston. La lèvre d'admission est formée dans une zone légèrement inférieure au plan de la surface supérieure du piston par la périphérie interne du fond de la dépression et une paroi de la chambre de combustion interne s'élevant à partir du fond de la cavité. [0010] Le but de la présente invention est de fournir un piston pour chambre de combustion de moteur Diesel, qui permette d'améliorer l'efficacité de la combustion, et, par conséquent, la puissance maximale du moteur. [0011] Un autre but de la présente invention est de fournir un tel piston, qui, pour une puissance donnée, permette d'améliorer le mélange air/carburant et la vitesse de combustion, par conséquent de réduire la consommation de carburant. [0012] Enfin, c'est également un but de la présente invention, de fournir une nouvelle structure de piston, qui soit de conception et de fabrication simples, et qui soit économique. [0013] Pour parvenir à ces buts, la présente invention a pour objet un nouveau piston, qui comporte une cavité centrale en forme de bol pour la combustion du carburant, et une lèvre disposée à la périphérie supérieure du bol. La surface supérieure du piston comprise entre la lèvre et le bord externe du piston est désignée chasse et l'espace compris entre ladite chasse et la culasse est désigné zone de chasse . Selon le principe de la présente invention, la chasse est inclinée dans la direction du fond du bol en allant du bord externe du piston vers la lèvre, de façon à créer une zone de mélange air et carburant supplémentaire pour augmenter l'efficacité de la combustion. [0014] De manière préférentielle, cette chasse inclinée est sensiblement plane. [0015] En variante, cette chasse inclinée peut présenter un profil légèrement incurvé convexe. [0016] En variante également, cette chasse inclinée peut présenter un profil incliné dont la section est formée par deux segments rectilignes adjacents, le

premier segment, adjacent à la lèvre, pouvant être sensiblement horizontal ou voisin de l'horizontale. [0017] De préférence, la longueur radiale de la chasse est comprise entre 1% et 100% de la différence entre le rayon du piston et la distance radiale de la lèvre au centre du piston. [0018] De préférence également, la hauteur axiale de la section d'entrée de la zone de chasse est comprise entre 10/0 et 400% de la hauteur axiale de la section de sortie de la zone de chasse. [0019] La présente invention a également pour objet un moteur à combustion Diesel, dans lequel chaque piston du moteur est du type conforme à celui décrit ci-dessus dans ses grandes lignes. [0020] D'autres buts, avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront dans la description qui suit d'exemples de réalisation, non limitatifs de l'objet et de la portée de la présente demande de brevet, accompagnée de dessins dans lesquels : [0021] la figure 1 représente, de manière schématique, la structure d'un piston de moteur à combustion Diesel connu de l'art antérieur, [0022] la figure 2 représente, de manière schématique, la structure d'un piston de moteur à combustion Diesel selon la présente invention et les effets de mélange air/carburant que cette structure nouvelle favorise, [0023] la figure 3 illustre les principales cotes de la structure géométrique du piston selon l'invention, et [0024] la figure 4 représente une variante de réalisation de l'invention. [0025] En référence au dessin de la figure 1, on a représenté la partie supérieure d'un piston de moteur à combustion Diesel. Le piston, de référence générale 1, d'axe longitudinal X, comprend, de manière classique, une cavité ou bol, de référence 2, dont la section inférieure présente un profil curviligne 12, et une lèvre, de référence 3, qui est située à la périphérie supérieure du bol 2 et qui relie ce dernier à la surface supérieure annulaire 4 du piston, appelée aussi chasse . La zone comprise entre la chasse 4, et la surface inférieure de la culasse 6 est appelée zone de chasse , référencée Z.

[0026] L'injection de carburant liquide, illustrée par la référence C, vient impacter directement la lèvre 3, qui assure la séparation de l'injection de carburant liquide C vers le bol 2 (courant Cl) et vers la zone de chasse 5 (courant C2). [0027] Le principe de la présente invention est illustré par la figure 2, sur laquelle les parties sensiblement identiques à celles de la figure 1 sont désignées par les mêmes références numériques. Le piston 1 comprend également, de manière classique, un bol 2 et une lèvre 3. [0028] Le principe de l'invention consiste à concevoir une chasse inclinée, référencée 14. Ainsi, au lieu d'être horizontale, comme on peut le voir sur la figure 1, la partie radiale de la surface supérieure du piston, qui relie la lèvre 3 au bord périphérique externe du piston et délimite la nouvelle zone de chasse Z', est inclinée par rapport à l'horizontale, du bord externe du piston 1 en direction du fond du bol 2. [0029] La chasse inclinée 14 ne couvre pas toute la surface haute du piston.

Pour des raisons de tenue mécanique, la chasse inclinée 14 est terminée sur la périphérie externe du piston par une partie plane sensiblement horizontale de référence 15. [0030] L'inclinaison de la chasse 14 permet d'améliorer l'entraînement d'air par la vaporisation du carburant liquide à la fois dans le bol 2 et dans la zone de chasse Z'. Le carburant peut alors brûler, non seulement en se mélangeant de manière conventionnelle avec l'air contenu dans le bol (ce qui est illustré par la flèche FB), mais aussi, ce qui est nouveau par rapport aux solutions de l'art antérieur, en se mélangeant avec de l'air contenu dans la zone de chasse (ce qui est illustré par la flèche Fz). La chasse inclinée 14 de l'invention permet d'avoir deux zones de mélange air/carburant fonctionnant simultanément, ce qui a pour conséquence d'augmenter l'efficacité de la combustion. [0031] La chasse inclinée 14 permet soit d'augmenter la performance maximale du moteur, soit de réduire la consommation de carburant, par conséquent les émissions de CO2 du moteur. La Demanderesse a effectué des essais sur un moteur Diesel conforme à la présente invention, et ces essais ont montré un gain en performances de 5% par rapport aux moteurs Diesel à bol de forme classique connus de l'art antérieur.

[0032] En référence à la figure 3, la géométrie du piston selon l'invention est mieux définie grâce aux cotes A, D, H, L et T, dans lesquelles : • A est le rayon du piston 1, • D la distance radiale de la lèvre 3 au centre X du piston, • H est la hauteur axiale de la section d'entrée de la zone de chasse Z', • L est la longueur radiale de la chasse inclinée 14, et • T est la hauteur axiale de la section de sortie de la zone de chasse Z'. [0033] Selon la présente invention, la longueur radiale L de la chasse inclinée 14 peut être comprise entre 1% et 100% de la différence entre le rayon A du piston et la distance radiale D de la lèvre 3 au centre X du piston, soit 0,01 (AùD)L(AùD) [0034] Selon la présente invention également, la hauteur axiale de la section d'entrée H de la zone de chasse Z' peut être comprise entre 1% et 400% de la hauteur axiale de la section de sortie T de la zone de chasse Z', soit 0,01 TH4T [0035] En référence au dessin de la figure 4, on a représenté une variante de réalisation de la chasse inclinée. Selon cette variante, la chasse ne présente plus une section en forme d'un segment de droite, mais en forme de deux segments 23 et 24 adjacents, le segment 23 pouvant être sensiblement horizontal ou voisin de l'horizontale. Comme précédemment, pour des raisons de tenue mécanique, la chasse inclinée 23, 24 est terminée sur la périphérie externe du piston par une partie plane sensiblement horizontale de référence 25. [0036] L'espace compris entre la chasse inclinée en deux segments 23, 24 et la surface inférieure de la culasse 6 est la zone de chasse, référencée Z". [0037] L'invention décrite ci-dessus présente l'avantage de permettre une augmentation des performances d'un moteur Diesel, et sur un point de fonctionnement figé, de permettre une réduction de la consommation de carburant, par conséquent une réduction de l'émission de CO2 grâce à l'amélioration du mélange air/carburant et à l'augmentation de la vitesse de combustion qui en résulte. [0038] Bien entendu, la présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits et représentés ci-dessus à titre d'exemples ; d'autres modes de réalisation peuvent être conçus par l'homme de métier sans sortir du cadre et de la portée de la présente invention.

Claims

REVENDICATIONS1. Piston pour chambre de combustion de moteur Diesel formée par un cylindre dans lequel un piston est adapté à coulisser, ledit piston (1) comportant une cavité centrale en forme de bol (2) pour la combustion du carburant, une lèvre (3) disposée à la périphérie supérieure du bol (2), la surface supérieure du piston comprise entre la lèvre (3) et le bord externe du piston étant désignée chasse et l'espace compris entre ladite chasse et la culasse étant désigné zone de chasse (Z'), caractérisé en ce que ladite chasse (14) est inclinée dans la direction du fond du bol en allant du bord externe du piston vers la lèvre (3), de façon à créer une zone de mélange air et carburant supplémentaire pour augmenter l'efficacité de la combustion.
2. Piston selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite chasse inclinée (14) est sensiblement plane.
3. Piston selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite chasse inclinée (14) présente un profil légèrement incurvé convexe.
4. Piston selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite chasse présente un profil incliné dont la section est formée par deux segments rectilignes adjacents (23, 24).
5. Piston selon la revendication 4, caractérisé en ce que le premier segment (23), adjacent à la lèvre (3), est sensiblement horizontal.
6. Piston selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la longueur radiale (L) de la chasse (14) est comprise entre 1% et 100% de la différence entre le rayon (A) du piston et la distance radiale (D) de la lèvre (3) à l'axe longitudinal (X) du piston, soit 0,01 (AùD)L(AùD)
7. Piston selon l'une quelconque des revendications 1, 2, 3 et 6, caractérisé en ce que la hauteur axiale de la section d'entrée (H) de la zone de chasse (Z') est comprise entre 1% et 400% de la hauteur axiale de la section de sortie (T) de la zone de chasse (Z'), soit 0,01 TH4T
8. Moteur à combustion Diesel, caractérisé en ce que chaque piston du moteur est du type conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 7.
9. Véhicule, an particulier véhicule automobile, caractérisé ne ce qu'il comporte un moteur à combustion Diesel conforme à la revendication 8.