FR2953888A3

FR2953888A3 - Chambre de combustion pour moteur thermique suralimente a injection directe

Info

Publication number: FR2953888A3
Application number: FR0958905A
Authority: FR
Inventors: Stephane Ruby; Sylvain Savy; Noel Joubert
Original assignee: Renault SAS
Current assignee: Renault SAS
Priority date: 2009-12-14
Filing date: 2009-12-14
Publication date: 2011-06-17

Abstract

L'invention concerne un piston (3) pour moteur à combustion interne, notamment pour moteur diesel, comprenant un corps délimité latéralement par une jupe apte à coopérer avec les parois d'un cylindre d'axe de révolution C dans lequel le piston (3) d'alésage (AL) est apte à coulisser selon cet axe C, le dit piston (3) comportant une face frontale qui comprend un téton central (321), une couronne périphérique (322) et un bol (323) d'axe de révolution B qui s'étend du téton central (321) vers la couronne périphérique (322) selon un diamètre de bol Db à laquelle elle se raccorde au niveau d'une lèvre (3220) d'épaisseur Ep, ledit bol (323) comprenant sensiblement à l'aplomb de la lèvre (3220), un tore (3230) de profil, de préférence en cul-de-four, de rayon maximal Rt apte à guider un carburant injecté sous la lèvre (3220) au niveau d'une zone de réentrant vers le téton central (321), caractérisé en ce que le rapport de la profondeur maximale P du bol (323) avec le diamètre du bol Db est compris entre 0,207 et 0,283 et de préférence sensiblement égal à 0,2521.

Description

CHAMBRE DE COMBUSTION POUR MOTEUR THERMIQUE SURALIMENTE A INJECTION DIRECTE

L'invention concerne, de façon générale, la conception des moteurs thermiques, en particulier des moteurs à combustion interne et à allumage par compression. Les normes de dépollution imposées aux constructeurs automobiles sont de plus en plus sévères, chaque changement de norme ayant pour conséquence des développements techniques importants et l'utilisation de dispositifs de dépollution supplémentaires et/ou plus complexes qui se révèlent coûteux.

Les futures normes incitent les constructeurs à surtout réduire le niveau d'émission à l'échappement d'oxydes d'azote et de particules, notamment afin de ne pas obstruer trop rapidement les filtres à particules, les constructeurs souhaitant dans le même temps augmenter, sinon au moins maintenir le niveau de performances et d'agrément du moteur. Des solutions généralement utilisées pour améliorer la dépollution des moteurs consistent par exemple à recourir à des dispositifs de post-traitement avancés, tels que des filtres à particules ou bien modifier les spécifications de la recirculation de gaz d'échappement connue sous son acronyme anglais EGR, qui grèvent la rentabilité des moteurs. La présente invention a pour but de proposer une chambre de combustion améliorée, et qui permet notamment de réduire le niveau d'émission à l'échappement d'oxydes d'azote et de particules.

L'invention a pour objet un piston 3 pour moteur à combustion interne, notamment pour moteur diesel, comprenant un corps délimité latéralement par une jupe 31 apte à coopérer avec les parois d'un cylindre 1 d'axe de révolution C dans lequel le piston 3 d'alésage AL est apte à coulisser selon cet axe C, le dit piston 3 comportant une face frontale 32 qui comprend un téton central 321, une couronne périphérique 322 et un bol 323 d'axe de révolution B qui s'étend du téton central 321 vers la couronne périphérique 322 selon un diamètre de bol Db à laquelle elle se raccorde au niveau d'une lèvre 3220 d'épaisseur Ep, ledit bol 323 comprenant sensiblement à l'aplomb de la lèvre 3220, un tore 3230 de profil, de préférence en cul-de-four, de rayon maximal Rt apte à guider un carburant injecté sous la lèvre 3220 au niveau d'une zone de réentrant R vers le téton central 321, caractérisé en ce que le rapport de la profondeur maximale P du bol 323 avec le diamètre du bol Db est compris entre 0,207 et 0,283 et de préférence sensiblement égal à 0,2521. La mise en oeuvre d'un piston selon l'invention permet notamment d'atteindre les avantages suivants : - on évite de rendre les systèmes de post- traitement plus complexes et plus coûteux; - on réduit les émissions d'oxydes d'azote pour le passage de normes de dépollution. Suivant des modes particuliers de réalisation, le piston comporte l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes.

On peut faire en sorte que le sommet du téton situé sur l'axe de révolution B du bol s'élève à une hauteur inférieure d'une distance Dt sous le niveau de la couronne périphérique, et dont le rapport de cette distance Dt avec le diamètre de bol Db est compris entre 0,060 et 0,011 et de préférence sensiblement égal à 0,0863.

On peut aussi faire en sorte que le téton central présente une pente A vers le tore prise à partir de l'axe de révolution B du bol dans le sens géométrique comprise entre 55° et 70° et soit de préférence sensiblement égale à 63,6°.

Le bol peut être centré dans le cylindre, l'axe de révolution B du bol étant confondu avec l'axe de révolution C du cylindre. On peut faire en sorte que l'épaisseur Ep de la lèvre présente un rapport avec le diamètre du bol Db compris entre 0,047 et 0,111 et soit de préférence sensiblement égal à 0,0784. On peut faire en sorte que le rapport du rayon de courbure maximal Rt du tore avec le diamètre du bol Db soit compris entre 0,075 et 0,131 et de préférence sensiblement égal à 0,0941. On peut faire en sorte que la lèvre soit située à une distance De/2 de l'axe de révolution B du bol. Le tore peut également être situé à une distance Db/2 de l'axe de révolution B du bol, le rapport du diamètre de bol Db avec l'alésage étant compris entre 0,618 et 0,663 et de préférence égal à 0,6375. Selon un autre aspect de l'invention, le rapport de la différence des distances, par rapport à l'axe de révolution B du bol, de l'extrémité de la couronne De/2 et de l'extrémité du tore Db/2 avec un alésage peut être compris entre 0,021 et 0,042 et de préférence sensiblement égal à 0,028.

On peut aussi faire en sorte que le sommet du téton central présente une zone aplatie centrée sur l'axe de révolution B du bol de largeur Lt dont le rapport avec le diamètre de bol Db soit inférieur à 0,071 et de préférence sensiblement égal à 0,0255. L'invention a également pour objet un moteur à combustion interne adapté à des normes de dépollution strictes quant aux émissions d'oxydes d'azote et de particules et plus particulièrement un moteur à combustion interne du type diesel comprenant au moins un piston selon l'invention. Ce moteur à combustion interne du type diesel présente un cylindre d'axe de révolution C et d'alésage AL dont l'extrémité supérieure est fermée par une culasse pourvue d'une face inférieure qui concourre à définir une chambre de combustion avec la face frontale du piston dont le bol de piston centré autour d'un axe de révolution B confondu avec l'axe C, ledit moteur comprenant, débouchant de la face inférieure de la culasse, au moins un conduit d'admission pouvant être obturé par une soupape d'admission et au moins un conduit d'échappement apte à être obturé par une soupape d'échappement, une bougie de préchauffage et un injecteur de carburant dont le nez débouche dans la chambre de combustion sensiblement au niveau de l'axe de révolution du cylindre C. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront clairement de la description du mode de réalisation qui en est faite ci-après, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux figures suivantes . - la figure 1 est une coupe schématique partielle d'un moteur à combustion interne selon l'invention ; - la figure 2 est une coupe partielle selon un plan contenant l'axe de révolution du bol de piston détaillant la tête d'un piston selon l'invention, côté admission.

On a illustré, figure 1, un moteur à combustion interne 100, notamment pour moteur diesel, comprenant au moins un cylindre 1 d'axe de révolution C, une culasse 2 et un piston 3. Ce moteur 100 qui est décrit à titre d'exemple non limitatif présente un alésage AL de 80 mm et une course de 79,5 mm.

Dans la suite de la description, on considérera que cet axe de révolution C est orienté vers le haut, vers la culasse 2. Par ailleurs, une distance dite « latérale », désignera une distance s'étendant selon un plan normal à cet axe de révolution C du cylindre 1.

Le piston 3 est monté coulissant dans le cylindre 1 suivant l'axe de révolution du cylindre C, et présente un corps de piston apte à accueillir un axe pour lier le piston à une tête de bielle d'entraînement, ledit corps étant délimité latéralement par une jupe de piston 31 s'étendant parallèlement à l'axe de révolution du cylindre C et coopérant avec une paroi interne du cylindre 1. Le piston comprend en outre une face frontale 32 qui concourre avec la face inférieure 20 de la culasse 2 à délimiter une chambre de combustion du cylindre 1.

L'air frais ou un mélange d'air frais et de gaz d'échappement recirculés est admis dans la chambre de combustion par au moins un conduit d'admission 5 formé dans la culasse 2 et qui peut être obturé par au moins une soupape d'admission 50. Les résidus de combustion du mélange air carburant introduit sont évacués par au moins un conduit d'échappement 6 formé dans la culasse 2, et qui peut être obturé par au moins une soupape d'échappement 60. Une bougie de préchauffage 4 est implantée dans la culasse 2, son extrémité débouchant dans la chambre de combustion de manière à pouvoir chauffer le mélange air carburant lors de démarrages à froid. Un injecteur 7 est implanté dans la culasse 2 et débouche dans la chambre de combustion sensiblement selon l'axe de révolution C du cylindre 1. Comme représenté à la figure 2 qui détaille, en coupe partielle selon un plan axial, la partie supérieure d'un piston 3 selon l'invention, la face frontale 32 comprend un téton central 321, une couronne périphérique 322 et une cavité annulaire ou bol 323 d'axe de révolution B confondu avec l'axe de révolution du cylindre C, ledit bol 323 s'étendant du téton central 321 vers la couronne périphérique 322 à laquelle elle se raccorde. En variante, le bol 323 peut être décentré dans le cylindre 1, les axes de révolution C du cylindre 1 et B du bol 323 pouvant alors être décentrés d'un rapport de distance par rapport à l'alésage AL de préférence inférieur à 0,0375, soit 3mm pour un alésage AL de 80mm. La couronne périphérique 322 s'étend latéralement de la jupe 31 du piston 3 vers l'axe de révolution B du bol 323 jusqu'à une extrémité formant une lèvre 3220 en dessous de laquelle le bol 323 présente un tore 3230 de profil en cul-de-four, situé à une distance Db/2 égale à un demi diamètre de bol Db de l'axe de révolution B du bol 323. Le rapport du diamètre de bol Db avec l'alésage AL est compris entre 0,618 et 0,663 et de préférence égal à 0,6375. Ainsi pour une valeur d'alésage AL de 80mm, le diamètre de bol Db est compris entre 49,5mm et 53mm et de préférence égal à 51mm. Le tore 3230 présente un rapport du rayon de courbure maximal Rt avec le diamètre de bol Db compris entre 0,075 et 0,131 et de préférence sensiblement égal à 0,0941. Ainsi pour un diamètre de bol préférentiel de 51mm, le rayon de courbure maximal Rt préférentiel est sensiblement égal à 4,8mm. La lèvre 3220 est située à une distance De/2 de 15 l'axe de révolution B du bol 323 équivalente à un demi diamètre De d'ouverture de bol 323. L'injecteur 7 est conçu pour injecter sélectivement du carburant sous forme de jets dirigés dans une région supérieure du tore 3230 adjacente à une arête inférieure 20 de la lèvre 3220, également dénommée réentrant de manière à améliorer le guidage du jet de carburant et de la combustion à partir de ce réentrant par enroulement sur les parois du tore 3230 vers le fond du bol, où se trouve l'oxygène lors de la remontée du piston 3, afin de 25 réduire les fumées et afin de préparer la circulation des gaz vers le téton central 321. De préférence, on conservera un réentrant en maintenant la différence des distances, par rapport à l'axe de révolution B du bol 323, de l'extrémité de la 30 couronne De/2 et de l'extrémité du tore Db/2 comprise entre 1,7mm et 3,4mm et de préférence sensiblement égale à 2,25mm, pour un alésage AL de 80mm. Ainsi plus généralement, le rapport de cette différence de distances De/2 et Db/2 et de l'alésage AL est compris entre 0,021 et 0,042 et de préférence sensiblement égal à 0,028. De préférence, l'épaisseur Ep de la lèvre 3220 correspondant à la distance du réentrant de la couronne périphérique 322 est comprise entre 2,5mm et 5,5mm et de préférence sensiblement égale à 4mm. Plus généralement, on choisit cette épaisseur Ep de la lèvre 3220 dans un rapport avec le diamètre du bol Db, compris entre 0,047 et 0,111 et de préférence sensiblement égal à 0,0784. Le rapport de la profondeur maximale P du bol 323 avec le diamètre de bol Db est compris entre 0,207 et 0,283 et de préférence sensiblement égal à 0,2521. Ainsi pour les intervalles de valeur pour le diamètre de bol Db, décrit précédemment, on obtient une profondeur maximale P du bol 323 comprise entre llmm et 14mm et de préférence sensiblement égale à 12,8mm. Le rapport P/Db confère au bol 323 une largeur importante qui permet une exploitation efficace de l'air à pleine charge, permettant d'atteindre des performances spécifiques élevées. La combinaison de cette définition du réentrant, du tore 3230 et d'une profondeur maximale P du bol 323 permet un guidage du jet de carburant amélioré vers un volume d'air emprisonné au fond du bol 323. Le sommet du téton central 321 présente une zone aplatie centrée sur l'axe de révolution B du bol dont le rapport de largeur Lt avec le diamètre du bol Db est inférieur à 0,071 et de préférence sensiblement égal à 0, 0255. Ainsi pour les intervalles de valeur pour le diamètre de bol Db décrits précédemment, la largeur Lt de la zone aplatie est inférieure à 3,5mm et de préférence sensiblement égale à 1,3mm. Le sommet du téton central 321 s'élève à une hauteur inférieure d'une distance Dt sous le niveau de la couronne périphérique. Le rapport de cette distance Dt avec le diamètre du bol Db est compris entre 0,060 et 0,105 et de préférence sensiblement égal à 0,0863. Ainsi pour les intervalles de valeur pour le diamètre de bol Db décrits précédemment, cette distance Dt étant comprise entre 3,2mm et 5,2mm et de préférence sensiblement égale à 4,4mm. L'écrêtage du téton central 321 et la distance Dt du sommet de la couronne périphérique permet de limiter les interactions des jets de carburants projetés vers le fond du bol avec le téton central 321 et notamment son sommet, permettant de réduire les émissions de fumées et de carburant imbrûlé. Un tel écrêtage au sommet du téton central 321 permet également au téton central 321 de présenter une pente plus prononcée vers le tore 323, ou autrement dit un angle A réduit. Cet angle A pris à partir de l'axe de révolution B du bol dans le sens géométrique est compris entre 55° et 70° et est de préférence sensiblement égal à 63,6°. On favorise ainsi la composante verticale du mouvement de combustion qui avec la largeur du bol 323 aurait tendance à être majoritairement orientée selon une tendance horizontale. L'utilisation d'une telle pente de téton central 321 d'angle A permet d'extraire les suies formées par la combustion au fond du bol 323 vers le téton central 321 pour une post-oxydation améliorée conduisant à une réduction des fumées.

25 30 Un moteur à combustion interne 100 pourvu d'un piston 3 combinant ces caractéristiques se révèle particulièrement avantageux à l'usage par rapport à un moteur a combustion interne pourvu d'un piston « classique » adapté à des normes de dépollution actuelles. En effet, un moteur 100 mettant en oeuvre un piston selon l'invention, fonctionnant en cycle de dépollution normalisé NEDC, pour un niveau semblable de bruit et de consommation, et sous des charges partielles permet une réduction de l'ordre de 5% des émissions d'oxydes d'azote et une réduction de près de 50% des émissions de particules. Un tel moteur 100 fournit de plus des performances 15 en pleine charge équivalentes ou supérieures à celles d'un moteur équipé dudit piston « classique ». Pour améliorer les différents avantages procurés par ce moteur, on pourra faire en sorte de combiner une ou plusieurs des plages de valeurs et plages de valeurs 20 préférées des paramètres suivants : le rapport de la profondeur maximale P du bol ; le rapport de la distance du sommet du téton par rapport au niveau de la couronne périphérique Dt avec le diamètre de bol Db ; la pente A du téton central vers le tore ; le rapport de l'épaisseur Ep de la lèvre avec le diamètre du bol le rapport du rayon de courbure maximal Rt du tore avec le diamètre du bol Db ; la distance de la lèvre par rapport à l'axe de révolution B du bol ; 5 le rapport du diamètre de bol Db avec l'alésage (AL) ; le rapport de la différence des distances, par rapport à l'axe de révolution B du bol, de l'extrémité de la couronne De/2 et de l'extrémité du tore Db/2 avec un alésage AL ; le rapport de la largeur Lt de la zone aplatie centrée sur l'axe de révolution B du bol avec le diamètre de bol Db

Claims

Revendications1. Piston (3) pour moteur à combustion interne, notamment pour moteur diesel, comprenant un corps délimité latéralement par une jupe (31) apte à coopérer avec les parois d'un cylindre (1) d'axe de révolution C dans lequel le piston (3) d'alésage (AL) est apte à coulisser selon cet axe C, le dit piston (3) comportant une face frontale (32) qui comprend un téton central (321), une couronne périphérique (322) et un bol (323) d'axe de révolution B qui s'étend du téton central (321) vers la couronne périphérique (322) selon un diamètre de bol Db à laquelle elle se raccorde au niveau d'une lèvre (3220) d'épaisseur Ep, ledit bol (323) comprenant sensiblement à l'aplomb de la lèvre (3220), un tore (3230) de profil, de préférence en cul-de-four, de rayon maximal Rt apte à guider un carburant injecté sous la lèvre (3220) au niveau d'une zone de réentrant R vers le téton central (321), caractérisé en ce que le rapport de la profondeur maximale P du bol (323) avec le diamètre du bol Db est compris entre 0,207 et 0,283 et de préférence sensiblement égal à 0,2521.
2. Piston (3) selon la revendication précédente caractérisé en ce que le sommet du téton situé sur l'axe de révolution B du bol (323) s'élève à une hauteur inférieure d'une distance Dt sous le niveau de la couronne périphérique, et dont le rapport de cette distance Dt avec le diamètre de bol Db est compris entre 0,060 et 0,105 et de préférence sensiblement égal à 0, 0863.
3. Piston (3) pour moteur à combustion interne selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le téton central présente une pente A vers le tore (323) prise à partir de l'axe de révolution B du bol dans le sens géométrique comprise entre 55° et 70° et est de préférence sensiblement égale à 63,6°.
4. Piston (3) selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que le bol (323) est centré dans le cylindre, l'axe de révolution B du bol (323) étant confondu avec l'axe de révolution C du cylindre (1).
5. Piston (3) selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que l'épaisseur Ep de la lèvre (3220) présente un rapport avec le diamètre du bol Db compris entre 0,047 et 0,111 et de préférence sensiblement égal à 0,0784.
6. Piston (3) selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que le rapport du rayon de courbure maximal Rt du tore (3230) avec le diamètre du bol Db est compris entre 0,075 et 0,131 et de préférence sensiblement égal à 0,0941.
7. Piston (3) selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que la lèvre (3220) est située à une distance De/2 de l'axe de révolution B du bol (323).
8. Piston (3) selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que le tore (3230) est situé à une distance Db/2 de l'axe de révolution B du bol (323), le rapport du diamètre de bol Db avec l'alésage (AL) étant compris entre 0,618 et 0,663 et de préférence égal à 0, 6375.
9. Piston (3) selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que le rapport de la différence des distances, par rapport à l'axe de révolution B du bol (323), de l'extrémité de la couronne De/2 et de l'extrémité du tore Db/2 avec un alésage (AL) est compris entre 0,021 et 0,042 et de préférence sensiblement égal à 0,028.
10. Piston (3) selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que le sommet du téton central (321) présente une zone aplatie centrée sur l'axe de révolution B du bol de largeur Lt dont le rapport avec le diamètre de bol Db est inférieur à 0,071 et de préférence sensiblement égal à 0,0255.
11. Moteur (100) à combustion interne du type diesel caractérisé en ce qu'il comprend au moins un piston (3) selon l'une quelconque des revendications précédentes.