FR2952127A1 - Piston pour moteur a combustion interne et moteur comprenant un tel piston - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un piston pour moteur à combustion interne à injection directe, notamment de type Diesel, ledit piston comprenant une face supérieure (6) appelée chasse, un bol (8) formant à sa périphérie un tore (10), la liaison entre le tore (10) et la face supérieure (6) formant une lèvre (12), ladite lèvre (12) comprenant une partie terminale (13) circonférentielle inclinée vers le fond du bol, caractérisé en ce que le piston (2) présente un diamètre de tore D et un diamètre d'ouverture D de la lèvre (12) tels que le ratio (D-D )/D est compris entre 0,18 et 0,3 et en ce qu'il présente une profondeur maximale T de bol (8) et une hauteur T de tore (10) tels que le ratio T /T est supérieur à 0,8. L'invention concerne aussi un moteur à combustion interne à injection directe comprenant au moins un tel piston.

Description

Piston pour moteur à combustion interne et moteur comprenant un tel piston.

Domaine technique de l'invention La présente invention se rapporte à un piston pour une chambre à combustion de moteur à combustion interne à injection directe et plus particulièrement pour un moteur à combustion à allumage par compression, selon le cycle Diesel.

Arrière-plan technologique La conception du système de combustion selon le cycle Diesel et en particulier celle de la géométrie du piston consiste à assurer les prestations moteur spécifiques à savoir des performances sur les points de fonctionnement de pleine charge et des émissions polluantes et une consommation réduites sur les points de fonctionnement de cycle d'homologation dits de charge partielle.

Pour assurer ces prestations une fois la base du moteur (la cylindrée ou la ligne d'air figée), un des éléments du système de combustion les plus influents sur le rendement de combustion et sur les émissions polluantes reste la géométrie du piston.

La problématique de conception de la géométrie du piston pour moteur Diesel réside dans le fait que l'on ne dispose que d'une seule géométrie pour assurer les prestations de performances à pleine charge d'une part et les prestations de consommation et/ou d'émissions polluantes à charge partielle d'autre part. Or ces prestations sont antagonistes d'un point de vue de la combustion sauf pour la performance et la consommation.

Ainsi la plupart des pistons Diesel comprennent une cavité formant un bol. Le bol contient l'air pour faire brûler le carburant lorsque le piston est à sa position la plus haute, autrement dit au point mort haut. Le bord du bol comprend une lèvre qui relie le bol à la zone de chasse du piston c'est-à-dire la zone située entre la culasse et le haut du piston.

Ainsi des concepteurs vont d'abord optimiser la géométrie du piston à pleine charge pour garantir la performance moteur demandée et réduire la consommation à charge partielle, d'autres vont optimiser la géométrie du piston à charge partielle pour garantir le niveau le plus bas d'émissions polluantes.

Il est connu, en fonction du type de motorisation Diesel, plusieurs familles de géométries de pistons Diesel. Pour les poids lourds notamment, les géométries de piston sont 35 optimisées d'un point de vue performance et consommation ce qui a conduit à des bols ouverts à savoir des bols avec de grands diamètres. Pour les moteurs d'automobiles, de nombreux types de géométries de piston existent et dépendent des exigences des constructeurs qui aboutissent à des compromis pleine charge / charge partielle plus ou moins différents.

La forme du piston Diesel a ainsi été beaucoup travaillée afin d'augmenter le rendement de combustion c'est-à-dire réduire la consommation spécifique à charge partielle et augmenter les performances à pleine charge. Pour augmenter ce rendement de combustion, la forme du piston Diesel va être optimisée pour favoriser le plus possible le mélange entre l'air et le carburant liquide injecté.

Il est bien connu, à l'exemple du document EP0945602, que le carburant liquide impacte directement la lèvre et elle assure la séparation de l'injection de carburant liquide entre le bol et la zone de chasse. Ainsi on utilise l'air dans le bol en bénéficiant de mouvement d'air généré par l'injection liquide et on envoie une faible quantité de carburant dans la zone de chasse qui brûlera en fin de combustion lorsque le piston descend. Cependant, avec un tel concept de combustion Diesel, à pleine charge, la fin de combustion est lente car elle dépend directement de la vitesse de descente du piston qui libère de l'espace et donc 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 aura lieue tardivement dans la détente. Ceci va entraîner une température d'échappement plus grande ce qui constitue une contrainte majeure, par exemple pour une turbine de turbocompresseur. A charge partielle, l'injection impactant la lèvre dans une zone très petite vu que la vitesse de déplacement du piston est faible, les richesses locales sont élevées ce qui favorisent la formation des suies.

Il est connu par ailleurs du document JP4330328 un piston pour moteur à combustion interne fonctionnant sur un cycle à quatre temps comprenant une face supérieure appelée chasse, qui concoure à délimiter avec la culasse du moteur, une zone de chasse. Le piston comprend par ailleurs une cavité sensiblement torique encore nommé bol, ledit bol étant doté d'une lèvre comprenant une partie terminale en forme de crochet dont la forme est adaptée pour générer un effet Coanda. Cet effet favorise des mouvements aérodynamiques de type « squish » c'est-à-dire des mouvements aérodynamiques de la zone de chasse vers le bol prenant naissance en particulier pendant la phase de compression, lorsque le piston se rapproche de la culasse. Cependant une telle forme de piston ne permet pas créer un mouvement aérodynamique intense de « squish » dans le sens inverse, c'est-à-dire du bol vers la zone de chasse en particulier pendant la phase de détente. Un objet de la présente invention est de proposer un nouveau piston pour moteur à combustion interne à injection directe Diesel qui permet de résoudre les inconvénients de l'art antérieur.

10 Ce but est atteint par un piston pour moteur à combustion interne à injection directe, notamment de type Diesel, ledit piston comprenant une face supérieure appelée chasse, un bol formant à sa périphérie un tore, la liaison entre le tore et la face supérieure formant une lèvre, ladite lèvre comprenant une partie terminale circonférentielle inclinée vers le fond du bol, caractérisé en ce que le piston présente un diamètre de tore D et un diamètre 15 d'ouverture Di de la lèvre tels que le ratio (D-Di)/D est compris entre 0,18 et 0,3 et en ce qu'il présente une profondeur maximale T de bol et une hauteur Ti de tore tels que le ratio Ti/T est supérieur à 0,8.

Avec une telle forme de piston, l'air disponible dans le bol est suffisant pour créer des 20 mouvements aérodynamiques intenses de type « squish » du bol vers la zone de chasse, en particulier lors de la phase de détente. De plus, le volume d'air dans le bol favorise la combustion sans suies à faible charge partielle. Ainsi une telle forme de piston est autant adaptée pour les charges partielles que pour les charges élevées : d'une part il génère beaucoup de « squish » à charge élevée pour aller chercher l'air dans la chasse et dans 25 le bol et d'autre part il dispose d'un important volume d'air dans le bol pour les plus faibles charges là où la combustion a lieu à ces régimes.

Par ailleurs, l'invention peut comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes :

30 - la partie terminale de la lèvre comprend une face externe comportant une longueur externe Lu comprise entre 0,25 mm et D-Di mm et une hauteur externe hu comprise entre 0,25 mm et 3(T-T;) mm.

- la partie terminale de la lèvre comprend une face d'entrée comportant une largeur H 35 inférieure à 3(T-T;) mm et de préférence inférieure à 2 mm.5 - la partie terminale de la lèvre comprend une face interne comportant une longueur interne Ld comprise entre 0,25 mm et D-Di mm et une hauteur interne hd égale à H+hu+T;-T. - la lèvre comprend un épaulement de forme concave raccordant la partie terminale à la face supérieure.

- le piston a un alésage compris entre 75 et 88 mm. - le diamètre D de tore est compris entre 48 et 60 mm.

- la profondeur maximale T de bol est comprise entre 10 et 20 mm.

Par ailleurs, l'invention a aussi pour objet un moteur à combustion interne à injection directe caractérisé en ce qu'il comprend au moins un piston selon l'invention.

Brève description des dessins D'autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description ci-après d'un mode particulier de réalisation, non limitatif de l'invention, faite en référence aux figures dans lesquelles :

- La figure 1 est une représentation schématique d'une coupe partielle d'un moteur à combustion interne comprenant un piston selon l'invention. - La figure 2 présente un premier mode de réalisation d'une lèvre pour un piston selon l'invention. - La figure 3 présente un second mode de réalisation de la lèvre pour un piston selon l'invention. - La figure 4 présente un troisième mode de réalisation de la lèvre pour un piston selon l'invention.

Description détaillée La figure 1 présente une coupe partielle d'un moteur à combustion interne 1 à injection directe, en particulier de type Diesel. Le moteur 1 comprend un piston 2, une culasse 3, et un cylindre 4. Le piston 2 et le cylindre 4 ont un axe de révolution Z. De préférence, le cylindre 4 a un diamètre, encore nommé alésage A compris entre 75 mm et 88 mm. Par ailleurs, le moteur 1 comprend un injecteur 5 implanté dans la culasse 3 pour injecter directement du carburant dans la chambre de combustion délimitée par le piston 2, le cylindre 4 et la culasse 3.

Le piston 2 comprend une face supérieure 6 encore appelée chasse qui concoure à délimiter avec la culasse une zone de chasse 7 annulaire. Le piston comprend de plus une cavité ou bol 8 comportant à sa périphérie un tore 10. Les dimensions principales de la cavité torique formant la périphérie du bol 8 sont définies principalement par un diamètre D de tore, dans le sens perpendiculaire à l'axe de révolution Z, et une hauteur Ti maximum du tore 10, dans le sens sensiblement parallèle à l'axe de révolution Z. Dans ce mode de réalisation, de préférence, le diamètre D de tore est compris entre 48 et 60 mm.

Par ailleurs, le bol 8 est centré par rapport à l'axe de révolution Z et est ouvert du coté de la culasse 3 par une entrée 9 de bol 8 délimitée par une lèvre 12 qui raccorde la face supérieure 6 du piston 2 au tore 10.

Le bol 8 peut comprendre un bossage central 11 formant une élévation dans le bol 8, vers l'entrée 9 de bol. L'entrée 9 du bol 8 délimitée par la lèvre 12 a un diamètre d'ouverture D; inférieur ou égal au diamètre majeur D du bol 8.

La région supérieure du piston 2 s'étendant vers l'axe de révolution Z et comprise entre le diamètre d'ouverture Di et le diamètre D forme un réentrant R. Le réentrant R peut être quantifié par le ratio (D-Di)ID. le réentrant R peut avoir un ratio (D-Di)/D compris entre 0 et 0,3. Cependant, conformément à l'invention, de préférence, le ratio (D-Di)/D est compris entre 0,18 et 0,3.

De préférence, la profondeur maximale T du bol est comprise entre 10 mm et 20 mm. De préférence, le ratio Ti/T entre la hauteur de tore Ti et la profondeur maximale T est supérieur à 0,8. La lèvre 12 comprend une partie terminale 13 qui s'avance vers le centre du bol 8, et est inclinée vers le fond du bol 8. De par son orientation vers le fond du bol 8, cette partie terminale 13 referme en partie le tore 10.

35 Nous désignerons dans la suite du mémoire une telle lèvre 12 par l'expression lèvre crochetée car, vue en section, la forme d'une telle lèvre 12 évoque un crochet. La lèvre30 crochetée 12 est courbée dans le même sens que le bol 8 et elle délimite un volume de bol 8 plus important que sur un bol conventionnel.

La forme crochetée de la lèvre 12 a deux effets bénéfiques principaux : D'une part, elle permet d'accentuer les mouvements aérodynamiques dit de « squish » c'est-à-dire des mouvements d'air entre le bol 8 et la zone de chasse 7 prenant naissance en particulier pendant la phase de compression, lorsque le piston 2 se rapproche de la culasse 3. Ce mouvement aérodynamique de « squish » s'intensifie avec l'augmentation du régime moteur, ce qui permet :

-Lorsque le piston 2 remonte, notamment en phase de compression, le mouvement de l'air est orienté de la zone de chasse 7 vers le bol 8. Ce mouvement dévie l'injection de carburant liquide vers le bol 8, ce qui permet de mieux répartir le carburant dans le bol 8 et ainsi de mieux utiliser l'air qui y est présent.

-Lorsque le piston 2 descend, le mouvement d'air est orienté du bol 8 vers la zone de chasse 7. Ceci permet de ramener plus rapidement de l'air provenant du bol 8 dans la zone de chasse 7 pour y être mélangé avec du carburant, ce qui se traduit par une accélération très significative de la fin de combustion.

D'autre part la présence de la lèvre 12 crochetée permet de mieux répartir l'impact de l'injection de carburant liquide au niveau de ladite lèvre 12, ce qui permet à charge partielle de limiter les fortes richesses locales et donc les émissions polluantes de suies.

La vitesse du piston 2 étant faible à charge partielle, la combustion a lieu totalement dans le bol 8. La lèvre 12 crochetée permet d'augmenter le volume d'air contenu dans le bol et d'augmenter la zone dans laquelle l'injection de carburant liquide va s'évaporer et se mélanger avec l'air. Avec la faible hauteur de la lèvre, une partie importante de l'injection de carburant ne va pas être déviée vers la zone de chasse 7 et va se propager vers le bol 8 de manière à éviter les fortes concentrations de carburant. Cet effet est particulièrement bénéfique à charge partielle pour réduire la formation d'imbrûlés et de suies du fait des richesses locales plus faibles et accélérer leur oxydation du fait d'une plus grande disponibilité d'air. A charge partielle le mouvement de squish dont l'intensité est liée à la vitesse de déplacement du piston est faible comparativement à la vitesse d'injection du carburant liquide. La lèvre 12 crochetée est donc bénéfique car elle permet de contrôler l'aérodynamique du spray à charge partielle.

La figure 2 présente un premier mode de réalisation de lèvre 12 crochetée de piston 2, avec des éléments dimensionnels. Dans ce premier mode de réalisation, la partie terminale 13 de la lèvre crochetée 12 présente des arêtes M, N, O, P vives telles qu'elles pourraient être obtenues par usinage. La figure 3 présente un second mode de réalisation, pour lequel la partie terminale 13 de la lèvre crochetée 12 présente des arêtes arrondies M', N', O', P'. De telles arêtes arrondies peuvent être obtenues par moulage.

Comme l'illustre la figure 2, d'une part, la partie terminale 13 de la lèvre crochetée 12 comprend une face externe 14 comprise entre les arêtes M et N dont les dimensions sont déterminées dans le sens perpendiculaire à l'axe de révolution Z par une longueur externe Lu entre l'arête M et l'arête N et dans le sens parallèle à l'axe de révolution Z par une hauteur externe hu entre l'arête M et l'arête N.

D'autre part, la partie terminale 13 de la lèvre crochetée 12 comprend une face interne 15 comprise entre les arêtes O et P dont les dimensions sont déterminées dans le sens perpendiculaire à l'axe de révolution Z par une longueur interne Ld entre l'arête P et l'arête O et dans le sens parallèle à l'axe de révolution Z par une hauteur interne hd entre l'arête P et l'arête O.

Enfin, la lèvre crochetée 12 a une face d'entrée 16 comprise entre les arêtes N et O dont la dimension est déterminée dans le sens parallèle à l'axe de révolution Z par une largeur H.

De préférence, la longueur externe Lu est comprise entre 0,25 mm et la différence entre le diamètre D de tore et le diamètre d'ouverture Di, c'est-à-dire (D-Di).

De préférence, la hauteur externe hu est comprise entre 0,25 mm et 3(T-Ti) mm,

Avantageusement, la largeur H est inférieure à 3.(T-Ti) mm et de préférence la largeur H de la lèvre crochetée 12 est inférieure à 2 mm.

De préférence, la longueur interne Ld est comprise entre 0,25 mm et la différence entre le diamètre D de tore et le diamètre d'ouverture Di, (D-Di) mm.

De préférence, la hauteur interne hd est comprise entre 0,25 mm et la différence entre la somme de la hauteur de tore Ti, de la largeur de lèvre, H et de la hauteur interne, hu et la profondeur de bol T, soit H+hu+T;-T.

La figure 4 présente un troisième mode de réalisation de lèvre 12 crochetée de piston 2. Dans ce mode de réalisation particulier, la lèvre 12 comprend de préférence un épaulement 17 de forme concave raccordant la partie terminale 13 à la face supérieure 6.

L'épaulement 17 se prolonge en direction du centre du bol 8 par une zone externe sensiblement plate 18. Dans ce mode de réalisation, la partie terminale 13 de la lèvre crochetée 12 présente des arêtes M", N", O", P", avec M", l'arête raccordant la partie plate 18 à la surface externe 14. La longueur externe Lu ainsi que la hauteur externe hu détermine la surface externe 14 comprise entre les arêtes M" et N". Dans une variante, le tore 10 peut se prolonger par une zone interne 19 sensiblement plate et parallèle à la face supérieure 6.

Les modes de réalisation décrits en figure 2 à 4 ne sont aucunement limitatifs. Une variante admissible comprend toute forme de lèvre 12 prolongeant le bol dans le centre du piston, permettant de séparer un volume d'air important dans le bol 8 du reste de la chambre et renforçant les mouvements aérodynamiques de type « squish » entre le bol et la zone de chasse non seulement selon le sens de la zone de chasse 7 vers le bol 8 mais aussi selon le sens du bol 8 vers la zone de chasse 7.

Des modélisations de combustion on montré qu'un piston selon l'invention permet un gain en consommation de quelques pourcent à charge partielle ainsi qu'une réduction importante en émissions de suies par rapport à un bol conventionnel.

Claims (9)

1. Revendications1. Piston pour moteur à combustion interne à injection directe, notamment de type Diesel, ledit piston comprenant une face supérieure (6) appelée chasse, un bol (8) formant à sa périphérie un tore (10), la liaison entre le tore (10) et la face supérieure (6) formant une lèvre (12), ladite lèvre (12) comprenant une partie terminale (13) circonférentielle inclinée vers le fond du bol, caractérisé en ce que le piston (2) présente un diamètre de tore D et un diamètre d'ouverture D; de la lèvre (12) tels que le ratio (DD;)/D est compris entre 0,18 et 0,3 et en ce qu'il présente une profondeur maximale T de bol (8) et une hauteur Ti de tore (10) tels que le ratio T,/T est supérieur à 0,8.
2. 2. Piston selon la revendication 1, caractérisé en ce que la partie terminale (13) de la lèvre (12) comprend une face d'entrée (16) comportant une largeur (H) inférieure à 3(T-T;) mm et de préférence inférieure à 2 mm.
3. 3. Piston selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que la partie terminale (13) de la lèvre (12) comprend une face externe (14) comportant une longueur externe (Lu) comprise entre 0,25 mm et D-D; mm et une hauteur externe (ha) comprise entre 0,25 mm et 3(T-T;) mm.
4. 4. Piston selon la revendication 3, caractérisé en ce que la partie terminale (13) de la lèvre (12) comprend une face interne (15) comportant une longueur interne (Ld) comprise entre 0,25 mm et D-D; mm et une hauteur interne (hd) égale à H+h,+T;-T.
5. 5. Piston selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la lèvre (12) comprend un épaulement (17) de forme concave raccordant la partie terminale (13) à la face supérieure (6).
6. 6. Piston selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit piston a un alésage (A) compris entre 75 et 88 mm.
7. 7. Piston selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le diamètre D de tore (10) est compris entre 48 et 60 mm.
8. 8. Piston selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la profondeur maximale T de bol (8) est comprise entre 10 et 20 mm.
9. 9. Moteur à combustion interne à injection directe caractérisé en ce qu'il comprend 30 au moins un piston selon l'une quelconque des revendications précédentes.