FR3034137A1 - INTERNAL COMBUSTION ENGINE WITH DIRECT FUEL INJECTION OF LOW THERMAL TRANSFER, IN PARTICULAR FOR MOTOR VEHICLE. - Google Patents
INTERNAL COMBUSTION ENGINE WITH DIRECT FUEL INJECTION OF LOW THERMAL TRANSFER, IN PARTICULAR FOR MOTOR VEHICLE. Download PDFInfo
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Abstract
La présente invention concerne un moteur à combustion interne à injection directe comprenant au moins un cylindre (10) d'axe XX et de diamètre D, une culasse (12), un moyen d'injection de carburant (24) avec un angle (β) de nappe de jets, une chambre de combustion (31) comprenant un bol concave (32) avec une paroi latérale (42) formant une ouverture de bol (43) de diamètre D2. Selon l'invention, le rapport des diamètres de l'ouverture du bol et du cylindre (D2/D) est supérieur à 0.65 et inférieur à 0.85 et l'angle (β) de nappe est inférieur de 10° à 30° à l'angle (α) d'un cône dont le sommet est confondu avec un point d'intersection (O) entre l'axe du cylindre et la face (33) de la culasse et dont la base correspond au diamètre d'ouverture (D2) du bol, cet angle de cône étant sensiblement égal à 2ArctgR2/L où R2 correspond à D2/2 et L est la distance comprise entre le haut du piston et la face de la culasse en regard de ce piston, distance considérée pour une position du piston d'environ 10° d'angle de vilebrequin par rapport au point mort haut.The present invention relates to a direct injection internal combustion engine comprising at least one cylinder (10) of axis XX and of diameter D, a cylinder head (12), a fuel injection means (24) with an angle (β ) of a jet ply, a combustion chamber (31) comprising a concave bowl (32) with a side wall (42) forming a bowl opening (43) of diameter D2. According to the invention, the ratio of the diameters of the opening of the bowl and the cylinder (D2 / D) is greater than 0.65 and less than 0.85 and the angle (β) of the sheet is less than 10 ° to 30 ° C. angle (α) of a cone whose vertex coincides with a point of intersection (O) between the axis of the cylinder and the face (33) of the yoke and whose base corresponds to the opening diameter (D2 ) of the bowl, this cone angle being substantially equal to 2ArctgR2 / L where R2 corresponds to D2 / 2 and L is the distance between the top of the piston and the face of the cylinder head facing this piston, distance considered for a position piston approximately 10 ° crankshaft angle to the top dead center.
Description
3 4 1 3 7 1 La présente invention se rapporte à un moteur à combustion interne à injection directe de carburant à bas transfert thermique, notamment pour véhicule automobile.The present invention relates to an internal combustion engine with direct injection of fuel with low thermal transfer, in particular for a motor vehicle.
Les développements des systèmes de combustion des moteurs à combustion interne doivent répondre aux demandes de réduction des émissions de polluants, d'augmentation du couple et de la puissance spécifique ainsi que de la réduction du bruit de combustion, tout en restant compatible avec les critères de tenue en endurance.The combustion system developments of internal combustion engines must meet the demands of reducing pollutant emissions, increasing torque and specific power and reducing combustion noise, while remaining compatible with the criteria of endurance wear.
Pour pouvoir répondre à cette demande, il est déjà possible de modifier des paramètres de conception de tout ou partie de la chambre de combustion, tel que le bol, aménagée dans la partie supérieure du piston, dans le but de faciliter le mélange air/carburant.In order to meet this demand, it is already possible to modify design parameters of all or part of the combustion chamber, such as the bowl, arranged in the upper part of the piston, in order to facilitate the air / fuel mixture. .
Cependant, ces modifications ont des limites et elles peuvent entraîner des résultats inverses à ceux qui sont attendus. En effet, le piston comprend généralement un bol creux à l'intérieur duquel est placé une partie de forme conique ou tronconique, dénommée téton, pointant vers la culasse et de même axe que lui et au centre de ce bol.However, these changes have limitations and can lead to results that are the opposite of those expected. Indeed, the piston generally comprises a hollow bowl inside which is placed a conical or frustoconical portion, called nipple, pointing to the cylinder head and the same axis as him and in the center of this bowl.
Dans une configuration d'injection de carburant, ce carburant est injecté par un injecteur multi-trous placé dans l'axe du cylindre avec un angle de nappe tel que les jets de carburant soient émis sensiblement vers les parois extrêmes du bol puis sont dirigés vers le fond du bol et suivent ensuite les pentes du cône pour être déviées vers le haut du cylindre Dans une autre configuration et comme cela est illustré dans les demandes de brevet WO 2012/173688 et EP 2500543, l'angle de nappe est tel que les jets de carburant sont émis sensiblement suivant les pentes du cône du téton puis déviés par elles et l'arrondi du fond du bol vers le haut du cylindre en se vaporisant.In a fuel injection configuration, this fuel is injected by a multi-hole injector placed in the axis of the cylinder with a lap angle such that the fuel jets are emitted substantially towards the end walls of the bowl and are then directed to the bottom of the bowl and then follow the slopes of the cone to be deflected towards the top of the cylinder In another configuration and as illustrated in the patent applications WO 2012/173688 and EP 2500543, the angle of the sheet is such that the Fuel jets are emitted substantially along the slopes of the cone of the nipple and then deflected by them and the rounded bottom of the bowl to the top of the cylinder vaporizing.
Cependant, durant ce cheminement, le carburant sous forme gazeuse est au contact avec les différentes surfaces du bol et du téton. Il se produit donc un échange thermique, généré principalement durant la phase de combustion du mélange carburé et autour du Point Mort Haut du piston, entre les gaz chauds et les surfaces métalliques de la chambre de combustion, 3034137 2 comme les surfaces du bol, la face de la culasse en regard du piston et la chemise du cylindre. Notamment, dans chacune de ces deux configurations, les gaz chauds sont plus particulièrement au contact du fond du bol, ce qui entraîne un refroidissement 5 accru et une perte d'énergie conséquente. Cet échange thermique a pour inconvénient majeur de refroidir les gaz chauds résultant de la combustion, ce qui ne peut que perturber le déroulement de cette combustion tout au long de la phase de détente du moteur.However, during this journey, the gaseous fuel is in contact with the different surfaces of the bowl and the nipple. There is therefore a heat exchange, generated mainly during the combustion phase of the fuel mixture and around the top dead point of the piston, between the hot gases and the metal surfaces of the combustion chamber, such as the surfaces of the bowl, the face of the breech next to the piston and the cylinder liner. In particular, in each of these two configurations, the hot gases are more particularly in contact with the bottom of the bowl, which causes increased cooling and a consequent loss of energy. This thermal exchange has the major disadvantage of cooling the hot gases resulting from the combustion, which can only disrupt the course of this combustion throughout the engine expansion phase.
10 La présente invention se propose de remédier à ces inconvénients en limitant fortement le contact entre les gaz chauds de la combustion et les surfaces du bol. A cet effet, la présente invention concerne un moteur à combustion interne à injection directe comprenant au moins un cylindre d'axe XX et de diamètre D, une 15 culasse, un piston coulissant dans ce cylindre, des moyens d'admission d'un fluide et d'échappement de gaz brûlés, des moyens d'injection de carburant pour injecter du carburant avec des jets de carburant selon un angle de nappe de jets, une chambre de combustion délimitée sur un des côtés par la face de la culasse en regard du piston et sur un des autres cotés par la face supérieure du piston 20 comprenant un bol concave, ledit bol comprenant une paroi latérale formant une ouverture de bol de diamètre D2, caractérisé en ce que le rapport des diamètres de l'ouverture du bol et du cylindre (D2/D) est supérieur ou égal à 0.65 et inférieur ou égal à 0.85 et en ce que l'angle de nappe de jets de carburant est inférieur de 10° à 30° à l'angle d'un cône dont le sommet est cwifondu avec un point 25 d'intersection entre l'axe (XX) du cylindre et la face de la culasse et dont la base correspond au diamètre d'ouverture du bol, cet angle de cône étant sensiblement égal à 2Arctg(R2/L) où R2 correspond à D2/2 et L est la distance comprise entre le haut du piston et la face de la culasse en regard de ce piston, distance considérée pour une position du piston d'environ 10° d'angle de vilebrequin par 30 rapport au point mort haut. Le bol peut comporter une proéminence s'érigeant en direction de l'ouverture du bol.The present invention proposes to remedy these drawbacks by severely limiting the contact between the hot combustion gases and the surfaces of the bowl. For this purpose, the present invention relates to a direct injection internal combustion engine comprising at least one cylinder of axis XX and of diameter D, a cylinder head, a piston sliding in this cylinder, means for admitting a fluid and exhaust of burnt gases, fuel injection means for injecting fuel with jet of fuel at a jet stream angle, a combustion chamber bounded on one side by the face of the cylinder head opposite the piston and on one of the other sides by the upper face of the piston 20 comprising a concave bowl, said bowl comprising a side wall forming a bowl opening of diameter D2, characterized in that the ratio of the diameters of the opening of the bowl and the cylinder (D2 / D) is greater than or equal to 0.65 and less than or equal to 0.85 and that the fuel jet ply angle is 10 ° to 30 ° lower than the angle of a cone whose vertex is cwifondu with a point 25 of inte resection between the axis (XX) of the cylinder and the face of the cylinder head and whose base corresponds to the opening diameter of the bowl, this cone angle being substantially equal to 2Arctg (R2 / L) where R2 corresponds to D2 / 2 and L is the distance between the top of the piston and the face of the cylinder head facing this piston, considered distance for a piston position of about 10 ° crankshaft angle with respect to the top dead center. The bowl may have a prominence rising towards the opening of the bowl.
3 0 3 4 1 3 7 3 Le bol peut comporter une paroi latérale rectiligne sensiblement verticale. Le bol peut comporter une zone de combustion située entre la proéminence et la paroi latérale.3 0 3 4 1 3 7 3 The bowl may comprise a substantially vertical rectilinear side wall. The bowl may include a combustion zone located between the prominence and the side wall.
5 Le diamètre nominal des trous de l'injecteur peut être inférieur ou égal au treize millionième du diamètre du cylindre. Le diamètre nominal des trous de l'injecteur peut être inférieur ou égal à 10 95pm. Le nombre de trous de l'injecteur peut être supérieur ou égal à 10% du diamètre du cylindre pour un diamètre inférieur ou égal à 100mm et supérieur ou égal à 8% du diamètre du cylindre pour un diamètre supérieur à 100mm.The nominal diameter of the injector holes may be less than or equal to thirteen millionth of the diameter of the cylinder. The nominal diameter of the injector holes may be less than or equal to 10 95pm. The number of holes of the injector may be greater than or equal to 10% of the diameter of the cylinder for a diameter less than or equal to 100 mm and greater than or equal to 8% of the diameter of the cylinder for a diameter greater than 100 mm.
15 Le nombre de trous de l'injecteur peut être supérieur ou égal à 8. Le taux de rotation du fluide autour de l'axe XX (Taux de swirl) introduit dans la chambre de combustion du moteur peut être inférieur ou égal à 2.The number of holes of the injector may be greater than or equal to 8. The rate of rotation of the fluid around the axis XX (swirl rate) introduced into the combustion chamber of the engine may be less than or equal to 2.
20 Les autres caractéristiques et avantages de l'invention vont apparaître maintenant à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre uniquement illustratif et non limitatif, et à laquelle sont annexées : - la figure 1 qui montre schématiquement une coupe transversale d'un 25 moteur à combustion interne selon l'invention ; - la figure 2 qui est un graphique illustrant les échanges thermique (H) entre un moteur de l'art antérieur (AA) et un moteur selon l'invention (Inv) et - la figure 3 qui est un autre graphique montrant la consommation en carburant (C) entre un moteur de l'art antérieur (AA) et un moteur selon 30 l'invention (Inv). Sur la figure 1, le moteur à combustion interne à injection directe, notamment de type Diesel, comprend au moins un cylindre 10 d'axe XX et de diamètre intérieur D, une culasse 12, au moins un moyen d'admission avec une tubulure 3034137 4 d'admission 14 d'au moins un fluide gazeux, tel que de l'air (suralimenté ou non) ou un mélange d'air et de gaz recirculés (EGR), contrôlée par une soupape d'admission 16, au moins une tubulure d'échappement 18 des gaz brûlés contrôlée par une soupape d'échappement 20, un piston 22 coulissant dans le 5 cylindre 10 et un injecteur de carburant multi-trous 24. L'injecteur de carburant, qui est préférentiellement disposé dans l'axe XX' du cylindre, comporte au voisinage de son nez une multiplicité d'orifices ou trous 26 régulièrement répartis sur le pourtour du nez. Le carburant est pulvérisé, dans la 10 chambre de combustion, au travers de ces trous selon des jets 28 dont l'axe général est symbolisé par le trait 30 en formant un angle de nappe de jets 13. Par angle de nappe, il est entendu l'angle au sommet que forme le cône issu de l'injecteur et dont la paroi périphérique fictive passe par tous les axes 30 des jets de carburant.The other features and advantages of the invention will now appear on reading the following description, given solely by way of illustration and without limitation, and to which are appended: FIG. 1 which schematically shows a cross-section of FIG. an internal combustion engine according to the invention; FIG. 2 which is a graph illustrating the heat exchanges (H) between a motor of the prior art (AA) and an engine according to the invention (Inv) and - FIG. 3 which is another graph showing the consumption in fuel (C) between a motor of the prior art (AA) and an engine according to the invention (Inv). In FIG. 1, the direct-injection internal combustion engine, in particular of the Diesel type, comprises at least one cylinder 10 having an axis XX and an inside diameter D, a cylinder head 12, at least one intake means with a pipe 3034137 4 intake 14 of at least one gaseous fluid, such as air (supercharged or not) or a mixture of air and recirculated gas (EGR), controlled by an intake valve 16, at least one Exhaust manifold 18 burnt gas controlled by an exhaust valve 20, a piston 22 sliding in the cylinder 10 and a multi-hole fuel injector 24. The fuel injector, which is preferably arranged in the axis XX 'of the cylinder, has in the vicinity of its nose a plurality of orifices or holes 26 regularly distributed around the perimeter of the nose. The fuel is sprayed into the combustion chamber through these holes in jets 28, the general axis of which is symbolized by the line 30 forming a jet ply angle 13. By ply angle, it is understood the angle at the summit that forms the cone from the injector and whose imaginary peripheral wall passes through all the axes 30 of the fuel jets.
15 Bien entendu, il peut être prévu que l'injecteur ne soit pas disposé dans l'axe XX, mais, dans ce cas, l'axe général de la nappe de jets de carburant issus de cet injecteur de carburant est coaxial à cet axe XX.Of course, it can be provided that the injector is not arranged in the axis XX, but in this case, the general axis of the ply of fuel jets from this fuel injector is coaxial with this axis. XX.
20 La chambre de combustion 31 que comprend ce moteur est délimitée par la face interne 33 de la culasse 12, la paroi circulaire du cylindre 10 et la face supérieure du piston 22. Cette face supérieure du piston comporte un bol concave 32 et à l'intérieur duquel est disposé une proéminence en forme de dôme 34 d'axe coaxial avec 25 l'axe de la nappe de carburant et qui s'élève vers la culasse 12 en se situant au centre de ce bol. La section diamétrale du bol 32 est curviligne et comprend, depuis le haut du dôme 34 en s'écartant symétriquement vers l'extérieur du piston, de part et d'autre de son axe (ici confondu avec l'axe XX'), le sommet 36 de ce dôme qui se poursuit 30 par une partie curviligne convexe 38 de grand rayon de courbure, une deuxième partie curviligne concave 40 de rayon de courbure moindre et qui se termine par une paroi latérale rectiligne 42 sensiblement verticale rejoignant la partie sensiblement horizontale 44 de la face supérieure du piston.The combustion chamber 31 which this engine comprises is delimited by the inner face 33 of the yoke 12, the circular wall of the cylinder 10 and the upper face of the piston 22. This upper face of the piston comprises a concave bowl 32 and to the inside which is disposed a dome-shaped projection 34 of axis coaxial with the axis of the fuel layer and which rises towards the cylinder head 12 in the center of this bowl. The diametral section of the bowl 32 is curvilinear and comprises, from the top of the dome 34 away symmetrically towards the outside of the piston, on either side of its axis (here coincides with the axis XX '), the apex 36 of this dome which continues 30 by a convex curvilinear portion 38 of large radius of curvature, a second curvilinear concave portion 40 of smaller radius of curvature and which terminates in a substantially vertical rectilinear lateral wall 42 joining the substantially horizontal portion 44 of the upper face of the piston.
3034137 5 Bien entendu, il peut être prévu que l'axe du bol ne soit pas coaxial avec celui du cylindre mais l'essentiel réside dans la disposition selon laquelle l'axe de la nappe de jets de carburant, l'axe du dôme et l'axe du bol soient coaxiaux. Selon cette configuration, le bol présente une ouverture 43 avec un diamètre 5 de bol D2 qui est considéré au raccordement entre la partie latérale 42 de ce bol et la partie horizontale 44 du piston. Avantageusement, le rapport des diamètres D2/D est supérieur ou égal à 0.65 et inférieur ou égal à 0.85. De plus, comme illustré à la figure 1, l'angle de nappe 13 de l'injecteur de 10 carburant est choisi pour que la combustion se concentre dans la zone B située dans la partie curviligne concave 40 entre la partie convexe 38 et la paroi latérale 42. Par cela, les surfaces de partie centrale du bol avec le dôme 34 se caractérisent alors par des échanges thermiques fortement diminués par rapport à 15 une configuration d'un moteur conventionnel. A partir de la figure 1, qui montre une position du piston avant le point mort haut (PMH) à environ 10° d'angle de vilebrequin pots la phase d'injection choisie par rapport au PMH et pour obtenir une combustion à haut rendement, l'angle 13 de la nappe de jets de carburant est inférieur de 10° à 30° à l'anglea d'un cône 20 dont le sommet est confondu avec le point d'intersection O entre l'axe XX et la face interne 33 de la culasse et dont la base correspond au diamètre d'ouverture de bol D2. Ainsi cet angle a est sensiblement égal 2Arctg(R2/L) où L est la distance comprise entre le haut 44 du piston et la face 33 de la culasse en regard de ce 25 piston et R2 correspond à D2/2. Grâce à cela, les échanges thermiques avec les différentes surfaces du bol sont limités de par l'augmentation de la distance qui sépare les gaz chauds au cours de la combustion des parois de ce bol et plus particulièrement au niveau de 30 sa partie centrale. En outre, le carburant est distribué vers le haut et vers le bas du bol, ce qui ne peut qu'optimiser l'utilisation de l'air disponible dans la chambre de combustion.Of course, it can be expected that the axis of the bowl is not coaxial with that of the cylinder but the essential lies in the arrangement according to which the axis of the ply of fuel jets, the axis of the dome and the axis of the bowl are coaxial. According to this configuration, the bowl has an opening 43 with a bowl diameter D2 which is considered at the connection between the side portion 42 of this bowl and the horizontal portion 44 of the piston. Advantageously, the ratio of diameters D2 / D is greater than or equal to 0.65 and less than or equal to 0.85. In addition, as illustrated in FIG. 1, the ply angle 13 of the fuel injector is chosen so that combustion concentrates in zone B located in the concave curvilinear portion 40 between the convex portion 38 and the wall Thus, the central portion surfaces of the bowl with the dome 34 are characterized by greatly reduced heat exchange compared to a conventional motor configuration. From Figure 1, which shows a position of the piston before the top dead center (TDC) at about 10 ° crankshaft angle pots the selected injection phase relative to the TDC and to obtain a high efficiency combustion, the angle 13 of the ply of fuel jets is 10 ° to 30 ° lower than the angle of a cone 20 whose vertex coincides with the point of intersection O between the axis XX and the inner face 33 of the cylinder head and whose base corresponds to the bowl opening diameter D2. Thus, this angle a is substantially equal to 2Arctg (R2 / L) where L is the distance between the top 44 of the piston and the face 33 of the cylinder head opposite this piston and R2 corresponds to D2 / 2. Because of this, the heat exchange with the different surfaces of the bowl is limited by the increase in the distance that separates the hot gases during the combustion of the walls of this bowl and more particularly at its central portion. In addition, the fuel is dispensed up and down the bowl, which can only optimize the use of available air in the combustion chamber.
303 4 1 3 7 6 De manière à diminuer encore plus les échanges thermiques et à limiter l'impact des jets de carburant avec les surfaces du bol, l'injecteur est caractérisé par la définition d'un couple optimal nombre de trous nt - diamètre de trous dt.303 4 1 3 7 6 In order to further reduce heat exchange and to limit the impact of fuel jets with the bowl surfaces, the injector is characterized by the definition of an optimum torque number of holes nt - diameter of holes dt.
5 Dans un premier temps, le diamètre nominal dt d'un trou 26 de l'injecteur 24 est défini en fonction du rapport entre la pénétration vapeur (en mm) et le diamètre du bol D2 (en mm). En effet, ce rapport doit être optimal afin de garantir que la zone de combustion et les échanges thermiques associés restent localisés dans la zone B et ne se propagent pas à la zone centrale du bol.Initially, the nominal diameter dt of a hole 26 of the injector 24 is defined as a function of the ratio between the vapor penetration (in mm) and the diameter of the bowl D2 (in mm). Indeed, this ratio must be optimal to ensure that the combustion zone and associated heat exchange remain localized in zone B and do not propagate to the central zone of the bowl.
10 Pour cela, le diamètre dt est inférieur ou égal au treize millionième de D, préférentiellement ce diamètre est inférieur ou égal à 95pm (microns). Le nombre de trous doit également être optimisé afin de garantir les performances requises et la distribution du carburant de manière homogène dans la chambre de combustion.For this, the diameter dt is less than or equal to thirteen millionth of D, preferably this diameter is less than or equal to 95 μm (microns). The number of holes must also be optimized to ensure the required performance and even fuel distribution in the combustion chamber.
15 Pour un diamètre D du cylindre qui est inférieur ou égal à 100mm, le nombre de trous nt sera choisi à une valeur supérieure ou égale à 10% du diamètre D alors que pour un diamètre D du cylindre qui est supérieur à 100mm, le nombre de trous nt sera choisi à une valeur supérieure ou égale à 8% du diamètre D.For a diameter D of the cylinder which is less than or equal to 100 mm, the number of holes nt will be chosen at a value greater than or equal to 10% of the diameter D whereas for a diameter D of the cylinder which is greater than 100 mm, the number of holes nt will be chosen at a value greater than or equal to 8% of the diameter D.
20 Préférentiellement, le nombre de trous nt sera choisi à une valeur supérieure ou égale à 9. Enfin, afin de garantir une utilisation optimale du fluide introduit dans le bol, tout en limitant le recouvrement entre deux jets de carburant attenants, le niveau 25 global du taux de rotation du fluide autour de l'axe XX (dénommé swirl) du moteur est inférieur ou égal à 2, préférentiellement inférieur ou égal à 1,5. Bien entendu et cela sans sortir du cadre de l'invention, il peut être prévu que le bol ne comporte pas de dôme 34 et que son fond soit sensiblement plat.Preferably, the number of holes nt will be chosen at a value greater than or equal to 9. Finally, in order to guarantee optimal use of the fluid introduced into the bowl, while limiting the overlap between two adjoining fuel jets, the overall level 25 the rate of rotation of the fluid around the axis XX (called swirl) of the engine is less than or equal to 2, preferably less than or equal to 1.5. Of course and without departing from the scope of the invention, it may be provided that the bowl does not have a dome 34 and that its bottom is substantially flat.
30 A titre d'exemple, les graphiques des figures 2 et 3 illustrent les résultats d'un tel moteur.By way of example, the graphs of FIGS. 2 and 3 illustrate the results of such an engine.
3034137 7 Ainsi pour les transferts thermiques (figure 2) entre les gaz chauds et les surfaces du bol, le moteur selon l'invention permet de réduire d'environ 35% (colonne Inv) ces transferts par rapport à un moteur conventionnel (colonne AA). Pour ce qui est de la consommation, le moteur selon l'invention réduit la 5 consommation en carburant d'environ 7% (colonne Inv) par rapport à un moteur conventionnel (colonne AA).Thus, for heat transfers (FIG. 2) between the hot gases and the surfaces of the bowl, the motor according to the invention makes it possible to reduce these transfers by about 35% (column Inv) compared to a conventional motor (column AA). ). In terms of consumption, the engine according to the invention reduces fuel consumption by about 7% (Inv column) compared to a conventional engine (AA column).
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