WO2007066027A1 - Moteur a combustion interne comportant un piston comportant un bossage de geometrie complexe - Google Patents

Moteur a combustion interne comportant un piston comportant un bossage de geometrie complexe Download PDF

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injection
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Franck Levy
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Renault S.A.S
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    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the invention relates to an internal combustion engine with direct injection, comprising a piston, the combustion bowl of which has a boss of complex geometry.
  • Such improvements can in particular be obtained by acting on the quality of the mixture between the intake gases and the fuel, that is to say by producing a substantially homogeneous mixture in the combustion chamber of the engine cylinder, more particularly in the piston combustion bowl.
  • the main phenomena which combine and which make it possible to obtain a substantially homogeneous mixture are essentially the atomization of the fuel and the air movements of the "swirl" type of the gas charge d admission around an axis substantially coincident or parallel to the axis of the cylinder, and also the air movement caused by the injection of fuel.
  • FIG. 1 shows a cylinder of an internal combustion engine with direct injection of the type described in document FR-A-2,844,012 illustrating an example of the state of the art.
  • the internal combustion engine 10 comprises at least one cylinder 12 of vertical axis XX in which axially slides a piston 14 which comprises, in its upper face 16, a combustion bowl 18 delimiting the lower part of a combustion chamber 20 of which the upper part is delimited by a portion opposite the lower face 22 of a cylinder head 24, a injector 26 which is eccentric relative to the axis XX of the cylinder 12 and which sprays the fuel in the form of an injection ply 28, substantially conical with apex S, which is formed of several asymmetrical jets 30 which travel lengths before coming into contact with the internal wall 32 of the combustion bowl 18 which is constituted by a lateral annular groove 34 centered on a main axis of symmetry AA which is connected with a substantially horizontal bottom 36 from which a boss 38 s 'extends vertically over a determined total height H.
  • a piston 14 which comprises, in its upper face 16, a combustion bowl 18 delimiting the lower part of a combustion chamber 20 of which the upper part is delimited
  • the invention relates more particularly to engines in which the fuel injector is arranged in an eccentric position relative to the vertical axis XX of the cylinder, such as generally internal combustion engines comprising two valves per cylinder in order to allow the implantation in each cylinder of an intake valve and an exhaust valve of large diameter.
  • the various fuel jets are injected asymmetrically, which in particular affects the quality of the mixture which is not as homogeneous as desired throughout the combustion bowl 18.
  • the different fuel jets 30 are asymmetrical in that they travel through different lengths, also called “free lengths", before coming into contact with the internal wall 32 of the bowl. combustion 18. More precisely, a first part of the jets, called long jets 30a, travel a path or a length "L”, while a second part of the jets 30b, called short jets 30b, travel a length "I" and finally a third part of the jets 30c, called intermediate jets 30c, travel an average length of between L and I, before all the fuel jets 30a, 30b and 30c respectively come into contact with the internal wall 32 of the groove 34.
  • the combustion bowl 18 comprises on the one hand a first zone A predominantly rich in fuel attributable to the fact that the short jets 30b of length I are confined and roll up on themselves after coming into contact with the wall 32 thereby causing an overlap of the jets and, on the other hand, a second zone B close to the bottom 36 into which the long jets 30a of length L penetrate little and which is thus mainly rich in air and poor in fuel.
  • a non-homogeneous air-fuel mixture in particular causes the appearance of fumes.
  • the boss 38 generally has a form of revolution centered on the main axis of symmetry AA of the combustion bowl 18 so that there is then a significant risk of interference between the asymmetrical jets 30, particularly between the long jets. 30a and means 30c, and the top part of the boss 38.
  • the object of the invention is to remedy these drawbacks and to propose an internal combustion engine comprising a piston whose combustion bowl has a boss of complex geometry making it possible in particular to obtain a homogeneous air-fuel mixture throughout bowl and without interference between the fuel jets and the top of the boss.
  • the invention provides an internal combustion engine for a motor vehicle of the type described above, characterized in that the boss consists:
  • the exchange between the injected fuel and the intake gases of the internal combustion engine is improved and the performance of the engine is increased while reducing the formation of pollutants, such as nitrogen oxides (NOx ), soot and other unburnt hydrocarbons constituting black smoke at the exhaust outlet.
  • pollutants such as nitrogen oxides (NOx ), soot and other unburnt hydrocarbons constituting black smoke at the exhaust outlet.
  • the lower truncated cone of the boss has a lower external wall of continuously variable convexity comprising at least:
  • the first portion of the lower wall has a rectilinear inclined profile whose slope, called the first slope, is in line with the horizontal bottom and is determined so to prevent the jets of shorter lengths from rolling up on themselves towards the internal wall of the groove;
  • the second portion of the lower wall has a rectilinear inclined profile whose slope, known as the second slope, is greater than the first slope so that the volume of the groove lateral is at least in the second angular sector less than the volume of the lateral groove in the first angular sector;
  • the upper truncated cone of the boss has an upper external wall having a continuously variable convexity determined so as to avoid interference between the jets of the injection ply and the upper external wall of the boss;
  • the height (h) of the upper horizontal face of the lower truncated cone is equal to half the total height of the boss from the bottom of the bowl to the top of the boss; - The total height of the boss is determined so that, during the injection, there is no interference between the jets and the top of the boss;
  • the boss is produced by at least one operation of milling the piston
  • the main axis of symmetry of the combustion bowl is coincident with the vertical axis X-X of the cylinder;
  • the piston includes angular indexing means to allow the mounting of the piston in the engine in a determined operating position which is indexed according to the parameters of the associated injection ply of the injector.
  • FIG. 1 is a schematic view in axial section of an internal combustion engine cylinder comprising a piston provided with a combustion bowl according to the prior art;
  • FIG. 2 is a schematic view in axial section of an internal combustion engine cylinder similar to that of Figure 1 comprising a piston provided with a combustion bowl comprising a boss of complex geometry according to the invention;
  • FIG. 3 is a schematic view in axial section of the combustion bowl of the piston according to FIG. 2 which illustrates the theoretical construction cones corresponding respectively to the lower truncated cone and to the upper lower truncated cone, the superposition of which makes it possible to obtain the boss according to the invention;
  • FIG. 4 is a schematic perspective view which shows in detail the conical sheet of complementary injection of the boss of complex geometry according to the invention.
  • Figure 2 which represents a part of the internal combustion engine 10 of the direct injection type and more particularly one 12 of the engine cylinders 10 .
  • the cylinder 12 extends axially along a vertical axis of symmetry X-X and delimits an internal bore in which the piston 14 slides axially in a reciprocating movement.
  • the piston 14 comprises axially an upper head 40 and a lower skirt 42, the external cylindrical wall 44 of the head 40 comprising peripheral annular grooves 46 which receive segments 48.
  • the piston 14 has in its upper horizontal face 16 the combustion bowl 18, also called cavity, which axially delimits the lower part of the combustion chamber 20, the upper part of which is delimited by a portion of the lower face 22 of the cylinder head 24 of the motor.
  • the cylinder head 24 comprises at least one air intake duct which opens out through an inlet orifice closed by an intake valve (not shown) in the combustion chamber 20, and at least one gas exhaust duct burned out which opens through an outlet orifice intended to be closed by an exhaust valve (not shown) in the combustion chamber 20.
  • the cylinder head 24 carries at least one fuel injector 26 which is eccentric relative to the vertical axis XX of the cylinder 12 so as to allow in particular the installation of large diameter valves.
  • the injector 26 is provided with an injection nozzle 50 which opens directly into the combustion chamber 20 of the engine and has injection holes 52 for spraying the fuel towards the combustion bowl 18.
  • the holes 52 are for example arranged axially on a single row and distributed annularly with respect to the main axis C-C of the injector around the injection nozzle 50.
  • the number of holes 52 is greater than or equal to 6 and the holes 52 are preferably distributed angularly in a regular manner around the main axis C-C of the injector 26.
  • the nozzle 50 of the injector 26 is here brought closer to the axis XX of the cylinder, in tilting the main axis CC of the injector 26 relative to the vertical axis XX of the cylinder 12.
  • the fuel is sprayed through the holes 52 in the form of a substantially conical injection ply 28.
  • the conical injection ply 28 is defined by an apex S which is in particular determined as a function of the injection holes 52 and which here corresponds to a fictitious point of origin approximately situated at the end of the nozzle 50 of the injector 26.
  • the set of asymmetrical fuel jets 30 extends from the apex S at a solid ply angle ( ⁇ ) determining the opening of the injection ply 28.
  • the combustion bowl 18 has a lateral annular groove 34 which is centered on a main axis of symmetry A-A.
  • the main axis of symmetry A-A here extends vertically, that is to say coaxially with the axis X-X of the cylinder 12.
  • the main axis of symmetry AA of the combustion bowl 18 is coincident with the vertical axis XX of the cylinder 12 so that the combustion bowl 18 is centered relative to the cylinder 12 and to the piston 14 of the engine 10.
  • the combustion bowl 18 has a substantially horizontal bottom 36, of constant depth, from which the boss 38 extends vertically, or even axially, over a determined total height H.
  • depth is understood here to mean the axial coast between the bottom 36 and the upper horizontal surface 16 of the piston 14 comprising the upper circular edge 54 which delimits the inlet opening of the bowl 18.
  • the upper circular edge 54 also sometimes called the "lip" of the combustion bowl 18, here has a circular profile which is centered on the main axis of symmetry A-A.
  • the upper circular edge 54 has an asymmetrical profile of the type described in French patent application No. 0550156 filed by the applicant on January 19, 2005 and not yet published to date.
  • the solid ply angle ( ⁇ ) of the injection ply 28 with apex S is in particular determined as a function of the geometric parameters of the associated combustion bowl 18, such as the diameter or the depth, and vice versa.
  • the asymmetrical jets 30 travel for example a path or a length I for the short jets 30b and a longer length L for the long jets 30a, that is to say different lengths before coming into contact with the internal wall 32 of the annular groove 34 of the combustion bowl 18.
  • the asymmetrical jets 30 of an eccentric injector 26 are generally called long jets 30a when the length L which they travel is greater than the radius of the bowl 18, so-called short jets 30b when the length I they travel is less than the radius of the combustion bowl 18 and said medium jets 30c when they travel an intermediate length between L and I substantially equal to the radius R of the combustion bowl 18.
  • the boss 38 consists on the one hand of a lower truncated cone 38A whose base is included in the horizontal plane of the bottom 36 and is centered on the main axis of symmetry AA and whose apex S 'is the symmetrical point of the vertex S of the injection ply 28 with respect to the main axis of symmetry AA and, on the other hand, of an upper truncated cone 38B whose base 56 is formed by the face upper horizontal of the lower truncated cone 38A and the apex of which corresponds to the apex S of the injection ply 28 through which a vertical reference axis BB passes.
  • boss 38 of complex geometry according to the invention and illustrated the theoretical cones of construction of vertex S 'and S corresponding to each of the truncated cones 38A and 38B forming the boss 38.
  • the lower truncated cone 38A of the boss 38 has a lower external wall 58 of continuously variable convexity comprising at least:
  • a second portion 62 of the lower wall extending over a second angular sector ( ⁇ ) determined corresponding substantially to the angular sector of the injection ply 28 formed of jets 30a of greater lengths.
  • the angular sectors ( ⁇ ) and ( ⁇ ) are centered on the vertical reference axis B-B passing through the apex S of the conical injection ply 28.
  • the first portion 60 of the lower wall 58 has, in section through a vertical section plane passing through the main axis AA, an inclined profile whose slope, called the first slope, is in line with the horizontal bottom 36 and which is determined so as to prevent the jets 30b from being over short lengths do not wind on themselves towards the internal wall 32 of the lateral annular groove 34.
  • the second portion 62 of the lower wall has, in section through a vertical section plane passing through the main axis AA, an inclined profile whose slope, known as the second slope, is greater than the first slope so that the volume of the lateral groove 34 or, at least in the second angular sector ( ⁇ ), less than the volume of the lateral groove 34 in the first angular sector ( ⁇ ).
  • the respective inclined profiles of the first portion 60 and of the second portion 62 of the bottom wall 58 are, in section, advantageously rectilinear and obtained by milling.
  • the upper truncated cone 38B of the boss 38 has an upper external wall 64 having a continuously variable convexity, that is to say in section by successive vertical cutting planes following a rotation about the axis A- A , the wall has an inclined profile whose slope varies continuously, in particular according to the angular sector in which one is.
  • the convexity of the upper external wall 64 is determined so as to avoid interference between the jets 30 of the injection ply 28 and said upper external wall 64 of the boss 38.
  • the upper external wall 64 of the upper truncated cone 38B is advantageously entirely included inside the volume of the cone formed by the asymmetrical jets 30 of the injection ply 28 in order to avoid any interference between any of the asymmetrical jets 30a, 30b and 30c and the upper external wall 64 of the boss 38.
  • the upper external wall 64 of the upper truncated cone 38B of continuously variable convexity comprises at least:
  • a first portion 66 of upper wall 64 extending over a determined primary angular sector ( ⁇ ) which corresponds substantially at the angular sector of the injection ply 28 formed of jets 30b of shorter lengths, and
  • a second portion 68 of upper wall 64 extending over a determined secondary angular sector ( ⁇ ) which corresponds substantially to the angular sector of the injection ply 28 formed of jets 30a of greater lengths.
  • the first portion 66 of the upper wall 64 has an inclined profile whose slope, called the third slope, is determined so as to be generally in line with the continuity of the first slope of the first portion 60 of the lower wall 58 in order to allow the short jets 30b to develop from the internal wall 32 of the groove 34 towards the top of the boss 38.
  • the second portion 68 of the upper wall 64 has an inclined profile whose slope, called the fourth slope, is determined so as to avoid interference with the jets 30, in particular with the long jets 30a and with the medium jets 30c of intermediate length.
  • the respective inclined profiles of the first portion 66 and of the second portion 68 of the upper external wall 64 are advantageously rectilinear and obtained by milling.
  • the distribution of the volume throughout the bowl 18 is optimized as a function in particular of the parameters of the injection ply 28 so as to obtain an optimal compression ratio for a total volume of the bowl of combustion 18 given.
  • the boss 38 of complex geometry allows for the same volume, that is to say isovolume, to obtain an optimal mixture. air and fuel.
  • the boss 38 has centrally around the axis XX a greater volume of material so that the volume the bowl is advantageously distributed radially and mainly consisting of the volume of the lateral annular groove 34 in which the air and the fuel are mixed.
  • the complex geometry of the boss 38 makes it possible to reduce, in the second zone B, the volume of air present relative to the fuel and thus rebalance the air-fuel ratio in order to obtain a more homogeneous air-fuel mixture .
  • the volume of the lateral annular groove 34 is greater in the first angular sector ( ⁇ ) of the first portion 60 of the lower external wall 58 which corresponds to the first zone A of FIG. 1 which is radially generally opposite the second zone B.
  • the complex geometry of the boss 38 conversely makes it possible to increase the volume of air present in this first zone A which is generally predominantly rich in fuel so as to obtain a more homogeneous mixture by rebalancing the ratio between the air and fuel.
  • the height h of the upper horizontal face 56 of the lower truncated cone 38A forming the base of the upper truncated cone 38B is substantially equal to half the total height H of the boss 38, that is to say half of the axial rib in the vertical direction of the boss 38 from the bottom 36 of the bowl 18 to the top part 70 of the boss 38.
  • the top part of the boss 38 is machined by milling so as to form an upper face 70 preferably generally horizontal, as a variant of convex shape.
  • the upper horizontal face 70 thus determines the total height H of the boss 38 so that, during injection, there is no interference between the fuel jets 30 and the top part of the boss 38, which is vertically at a determined minimum distance from the top S of the injection ply 28.
  • combustion bowl 18 and the boss 38 are produced by milling the piston 14, in particular by means of a numerically controlled milling machine.
  • the main axis of symmetry A-A of the combustion bowl 18 being coincident with the vertical axis of symmetry X-X of the cylinder 12, the combustion bowl 18 and the lower truncated cone 38A are advantageously centered relative to the cylinder 12 and to the piston
  • AA of the combustion bowl 18 is eccentric relative to the axis XX of the cylinder 12 so as to reduce the distance between the axis AA of the bowl 18 and the vertical reference axis BB passing through the apex S of the sheet of injection 28.
  • the piston 14 includes angular indexing means (not shown) to allow the mounting of the piston 14 in the engine 10 in a determined operating position which is capable of being indexed as a function of the parameters of the injection ply. 28 of the associated injector 26.
  • the engine 10 comprises means for producing on admission an ordered swirl movement of the "swirl" type in the cylinder 12 so as to promote the formation of a homogeneous air-fuel mixture.

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Abstract

L'invention propose un moteur (10) comportant un cylindre (12) dans lequel coulisse un piston (14) qui comporte un bol de combustion (18) associé à un injecteur excentré (26) qui pulvérise le carburant en une nappe conique d'injection (28) de sommet (S) formée de jets dissymétriques (30) qui parcourent des longueurs différentes avant d'entrer en contact avec la paroi interne (32) du bol (18) qui est constituée par une gorge (34) centrée sur un axe principal (A-A) et qui se raccorde avec un fond (36) à partir duquel s'étend un bossage (38), caractérisé en ce que le bossage (38) est constitué : d'un tronc de cône inférieur (38A) dont la base est comprise dans le plan horizontal du fond (36) et est centrée sur l'axe principal de symétrie (A-A) et dont le sommet (S') est le point symétrique du sommet (S) de la nappe d'injection (28) par rapport à l'axe principal de symétrie (A-A) ; et d'un tronc de cône supérieur (38B) dont la base est formée par la face horizontale supérieure (56) du tronc de cône inférieur (38A) et dont le sommet correspond au sommet (S) de la nappe d'injection (28).

Description

"Moteur à combustion interne comportant un piston comportant un bossage de géométrie complexe"
L'invention concerne un moteur à combustion interne à injection directe, comportant un piston dont le bol de combustion comporte un bossage de géométrie complexe.
On connaît de nombreux exemples de moteurs à combustion interne de ce type pour véhicule automobile, notamment à allumage par compression de type Diesel, dont on cherche toujours à améliorer les performances, tout en réduisant d'une part leur consommation et, d'autre part, leurs émissions de polluants, tels que les oxydes d'azote (NOx) ou les particules de suies contenues dans les fumées en sortie d'échappement.
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 essentiellement 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.
On a représenté à la figure 1 , un cylindre de moteur à combustion interne à injection directe du type de celui décrit dans le document FR-A-2.844.012 illustrant un exemple de l'état de la technique.
Le moteur à combustion interne 10 comporte au moins un cylindre 12 d'axe vertical X-X dans lequel coulisse axialement un piston 14 qui comporte, dans sa face supérieure 16, un bol de combustion 18 délimitant la partie inférieure d'une chambre de combustion 20 dont la partie supérieure est délimitée par une portion en vis-à-vis de la face inférieure 22 d'une culasse 24, un injecteur 26 qui est excentré par rapport à l'axe X-X du cylindre 12 et qui pulvérise le carburant sous la forme d'une nappe d'injection 28, sensiblement conique de sommet S, qui est formée de plusieurs jets dissymétriques 30 qui parcourent des longueurs différentes avant d'entrer en contact avec la paroi interne 32 du bol de combustion 18 qui est constituée par une gorge annulaire latérale 34 centrée sur un axe principal de symétrie A-A qui se raccorde avec un fond 36 sensiblement horizontal à partir duquel un bossage 38 s'étend verticalement sur une hauteur totale H déterminée.
Il est connu, dans un tel moteur 10, que les caractéristiques du mélange air/carburant obtenues dans la chambre de combustion 20 dépendent directement de l'ouverture de la nappe, appelée angle de nappe (ε), sous lequel le carburant est injecté dans la chambre de combustion 20 par l'injecteur 26 et de la géométrie complémentaire du bol de combustion 18 qui lui est associé.
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 sont injectés de manière dissymétrique ce qui affecte notamment la qualité du mélange qui n'est pas aussi homogène que souhaité dans l'ensemble du bol de combustion 18.
Comme on peut mieux le voir sur la figure 1 , les différents jets de carburant 30 sont dissymétriques en ce qu'ils parcourent des longueurs différentes, encore appelées "longueurs libres", avant d'entrer en contact avec la paroi interne 32 du bol de combustion 18. Plus précisément une première partie des jets, dits jets longs 30a, parcourent un trajet ou une longueur "L", tandis qu'une seconde partie des jets 30b, dits jets courts 30b, parcourent une longueur "I" et qu'enfin une troisième partie des jets 30c, dit jets intermédiaires 30c, parcourent une longueur moyenne comprise entre L et I, avant que tous les jets de carburants 30a, 30b et 30c n'entrent respectivement en contact avec la paroi interne 32 de la gorge 34.
Ainsi, le bol de combustion 18 comporte d'une part une première zone A majoritairement riche en carburant imputable au fait que les jets courts 30b de longueur I sont confinés et s'enroulent sur eux-mêmes après être entrés en contact avec la paroi 32 en provoquant ainsi un recouvrement des jets et, d'autre part, une deuxième zone B proche du fond 36 dans laquelle les jets longs 30a de longueur L pénètrent peu et qui est ainsi majoritairement riche en air et pauvre en carburant.
Par conséquent, la dissymétrie des jets de carburant 30 provoquent un déséquilibre entre la répartition du carburant et des gaz d'admission de sorte qu'une telle géométrie de bol de combustion n'est pas satisfaisante.
En effet, un mélange air-carburant non homogène provoque notamment l'apparition de fumées.
De plus, le bossage 38 présente généralement une forme de révolution centrée sur l'axe principal de symétrie A-A du bol de combustion 18 de sorte qu'il existe alors un risque important d'interférences entre les jets dissymétriques 30, particulièrement entre les jets longs 30a et moyens 30c, et la partie sommitale du bossage 38.
Pour limiter de tels risques d'interférences, on a notamment proposé de modifier l'ouverture de la nappe d'injection en augmentant l'angle de nappe (ε). Ce n'est cependant pas une solution satisfaisante car cela affecte grandement la qualité du mélange air-carburant, en particulier dans la deuxième zone B majoritairement riche en air et pauvre en carburant. Selon une autre solution connue, on a proposé de réduire le volume du bossage pour limiter les risques d'interférences, mais le volume du bol de combustion augmente alors proportionnellement et cela au détriment du taux de compression désiré qu'il n'est plus possible d'obtenir.
De telles solutions ne sont donc pas satisfaisantes.
C'est la raison pour laquelle, on a cherché à optimiser d'une part la géométrie et l'implantation des bols de combustion et des bossages et, d'autre part, la répartition des jets de carburant pulvérisés par l'injecteur associé.
L'invention a pour but de remédier à ces inconvénients et de proposer un moteur à combustion interne comportant un piston dont le bol de combustion présente un bossage de géométrie complexe permettant en particulier d'obtenir un mélange air- carburant homogène dans l'ensemble du bol et sans interférences entre les jets de carburant et la partie sommitale du bossage.
Dans ce but, l'invention propose un moteur à combustion interne pour véhicule automobile du type décrit précédemment, caractérisé en ce que le bossage est constitué :
- d'un tronc de cône inférieur dont la base est comprise dans le plan horizontal du fond et est centrée sur l'axe principal de symétrie et dont le sommet est le point symétrique du sommet de la nappe d'injection par rapport à l'axe principal de symétrie; et
- d'un tronc de cône supérieur dont la base est formée par la face horizontale supérieure du tronc de cône inférieur et dont le sommet correspond au sommet de la nappe d'injection par lequel passe un axe vertical de référence.
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.
Selon d'autres caractéristiques de l'invention : - le tronc de cône inférieur du bossage comporte une paroi externe inférieure de convexité continûment variable comportant au moins :
• une première portion de paroi inférieure s'étendant sur un premier secteur angulaire déterminé, centré sur l'axe vertical de référence, correspondant sensiblement au secteur angulaire de la nappe d'injection formé des jets de plus courtes longueurs; et
• une deuxième portion de paroi inférieure s'étendant sur un deuxième secteur angulaire déterminé, centré sur l'axe vertical de référence, correspondant sensiblement au secteur angulaire de la nappe d'injection formé des jets de plus grandes longueurs ;
- en section par un plan de coupe vertical passant par l'axe principal, la première portion de la paroi inférieure présente un profil incliné rectiligne dont la pente, dite première pente, s'inscrit dans la continuité du fond horizontal et est déterminée de manière à éviter que les jets de plus courtes longueurs ne s'enroulent sur eux-mêmes en direction de la paroi interne de la gorge ;
- en section par un plan de coupe vertical passant par l'axe principal, la deuxième portion de la paroi inférieure présente un profil incliné rectiligne dont la pente, dite deuxième pente, est supérieure à la première pente de manière que le volume de la gorge latérale est au moins dans le deuxième secteur angulaire inférieur au volume de la gorge latérale dans le premier secteur angulaire ;
- le tronc de cône supérieur du bossage comporte une paroi externe supérieure présentant une convexité continûment variable déterminée de manière à éviter les interférences entre les jets de la nappe d'injection et la paroi externe supérieure du bossage ;
- la hauteur (h) de la face horizontale supérieure du tronc de cône inférieur est égale à la moitié de la hauteur totale du bossage depuis le fond du bol jusqu'au sommet du bossage ; - la hauteur totale du bossage est déterminée de manière que, lors de l'injection, il n'y ait pas d'interférences entre les jets et le sommet du bossage ;
- le bossage est réalisé par au moins une opération de fraisage du piston ;
- l'axe principal de symétrie du bol de combustion est confondu avec l'axe vertical X-X du cylindre ;
- le piston comporte des moyens d'indexation angulaire pour permettre le montage du piston dans le moteur dans une position de fonctionnement déterminée qui est indexée en fonction des paramètres de la nappe d'injection associée de l'injecteur.
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 aux figures annexées parmi lesquelles :
- la figure 1 est une vue schématique en coupe axiale d'un cylindre de moteur à combustion interne comportant un piston muni d'un bol de combustion selon l'état de la technique ;
- la figure 2 est une vue schématique en coupe axiale d'un cylindre de moteur à combustion interne analogue à celui de la figure 1 comportant un piston muni d'un bol de combustion comportant un bossage de géométrie complexe selon l'invention ;
- la figure 3 est une vue schématique en coupe axiale du bol de combustion du piston selon la figure 2 qui illustre les cônes théoriques de construction correspondant respectivement au tronc de cône inférieur et au tronc de cône inférieur supérieur dont la superposition permet d'obtenir le bossage selon l'invention ;
- la figure 4 est une vue schématique en perspective qui représente en détail la nappe conique d'injection complémentaire du bossage de géométrie complexe selon l'invention.
Dans la description et les revendications, on utilisera à titre non limitatif les expressions telles que "supérieur" et "inférieur" et les orientations "axialement", "verticale" et "latérale" en référence aux figures et définitions données dans la description.
De plus, les éléments identiques, similaires ou analogues seront désignés par les mêmes chiffres de référence.
On décrira ci-après, par comparaison avec la figure 1 illustrant l'état de la technique, la figure 2 qui représente une partie du moteur à combustion interne 10 du type à injection directe et plus particulièrement l'un 12 des cylindres du moteur 10.
Le cylindre 12 s'étend axialement suivant un axe vertical de symétrie X-X et délimite un alésage interne dans lequel coulisse axialement le piston 14 selon un mouvement de va-et- vient.
Le piston 14 comporte axialement une tête supérieure 40 et une jupe inférieure 42, la paroi cylindrique externe 44 de la tête 40 comportant des gorges annulaires périphériques 46 qui reçoivent des segments 48.
Le piston 14 comporte dans sa face horizontale supérieure 16 le bol de combustion 18, encore appelée cavité, qui délimite axialement la partie inférieure de la chambre de combustion 20 dont la partie supérieure est délimitée par une portion de la face inférieure 22 de la culasse 24 du moteur.
La culasse 24 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 20, et au moins un conduit d'échappement des gaz brûlés qui débouche par un orifice de sortie destiné à être obturé par une soupape d'échappement (non représentée) dans la chambre de combustion 20.
La culasse 24 porte au moins un injecteur 26 de carburant qui est excentré par rapport à l'axe vertical X-X du cylindre 12 de manière à permettre notamment l'implantation de soupapes de grand diamètre. L'injecteur 26 est muni d'une buse d'injection 50 qui débouche directement dans la chambre de combustion 20 du moteur et comporte des trous d'injection 52 pour pulvériser le carburant en direction du bol de combustion 18.
Les trous 52 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 50.
Avantageusement, le nombre de trous 52 est supérieur ou égal à 6 et les trous 52 sont de préférence répartis angulairement de manière régulière autour de l'axe principal C-C de l'injecteur 26.
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 50 de l'injecteur 26 est ici rapprochée de l'axe X-X du cylindre, en inclinant l'axe principal C-C de l'injecteur 26 par rapport à l'axe vertical X-X du cylindre 12.
Le carburant est pulvérisé par les trous 52 sous la forme d'une nappe d'injection 28 sensiblement conique. La nappe conique d'injection 28 est définie par un sommet S qui est notamment déterminé en fonction des trous d'injection 52 et qui correspond ici à un point d'origine fictif approximativement situé à l'extrémité de la buse 50 de l'injecteur 26.
L'ensemble des jets dissymétriques 30 de carburant s'étend à partir du sommet S selon un angle solide de nappe (ε) déterminant l'ouverture de la nappe d'injection 28.
Le bol de combustion 18 comporte une gorge annulaire latérale 34 qui est centrée sur un axe principal de symétrie A-A.
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 principal de symétrie A-A du bol de combustion 18 est confondu avec l'axe vertical X-X du cylindre 12 de manière que le bol de combustion 18 est centré par rapport au cylindre 12 et au piston 14 du moteur 10. Le bol de combustion 18 comporte un fond 36 sensiblement horizontal, de profondeur constante, à partir duquel le bossage 38 s'étend verticalement, ou encore axialement, sur une hauteur totale H déterminée.
Par "profondeur", on entend ici à la côte axiale comprise entre le fond 36 et la surface horizontale supérieure 16 du piston 14 comportant le bord circulaire supérieur 54 qui délimite l'ouverture d'entrée du bol 18.
Le bord circulaire supérieur 54, encore parfois appelé la "lèvre" du bol de combustion 18, comporte ici un profil circulaire qui est centré sur l'axe principal de symétrie A-A.
En variante (non représentée), le bord circulaire supérieur 54 présente un profil dissymétrique du type de celui décrit dans la demande de brevet français No. 0550156 déposée par le demandeur le 19 janvier 2005 et non encore publiée à ce jour.
L'angle solide de nappe (ε) de la nappe d'injection 28 de sommet S est en particulier déterminé en fonction des paramètres géométriques du bol de combustion 18 associé, tels que le diamètre ou la profondeur, et réciproquement.
Les jets 30 dissymétriques parcourent par exemple un trajet ou une longueur I pour les jets courts 30b et une longueur L supérieure pour les jets longs 30a, c'est-à-dire des longueurs différentes avant d'entrer en contact avec la paroi interne 32 de la gorge annulaire 34 du bol de combustion 18.
Par comparaison avec un injecteur 26 du type centré sur l'axe A-A du bol de combustion 18, les jets dissymétriques 30 d'un injecteur 26 excentré sont généralement dits jets longs 30a lorsque la longueur L qu'ils parcourent est supérieure au rayon du bol de combustion 18, dits jets courts 30b lorsque la longueur I qu'ils parcourent est inférieure au rayon du bol de combustion 18 et dits jets moyens 30c lorsqu'ils parcourent une longueur intermédiaire entre L et I sensiblement égale au rayon R du bol de combustion 18. Conformément à l'invention, le bossage 38 est constitué d'une part d'un tronc de cône inférieur 38A dont la base est comprise dans le plan horizontal du fond 36 et est centrée sur l'axe principal de symétrie A-A et dont le sommet S' est le point symétrique du sommet S de la nappe d'injection 28 par rapport à l'axe principal de symétrie A-A et, d'autre part, d'un tronc de cône supérieur 38B dont la base 56 est formée par la face horizontale supérieure du tronc de cône inférieur 38A et dont le sommet correspond au sommet S de la nappe d'injection 28 par lequel passe un axe vertical de référence B-B.
On a représenté en détail à la figure 3, le bossage 38 de géométrie complexe selon l'invention et illustré les cônes théoriques de construction de sommet S' et S correspondant à chacun des troncs de cône 38A et 38B formant le bossage 38.
Comme on peut mieux le voir sur les figures 3 et 4, le tronc de cône inférieur 38A du bossage 38 comporte une paroi externe inférieure 58 de convexité continûment variable comportant au moins :
- une première portion 60 de paroi inférieure s'étendant sur un premier secteur angulaire (α) déterminé correspondant sensiblement au secteur angulaire de la nappe d'injection 28 formé des jets 30b de plus courtes longueurs, et
- une deuxième portion 62 de paroi inférieure s'étendant sur un deuxième secteur angulaire (β) déterminé correspondant sensiblement au secteur angulaire de la nappe d'injection 28 formé des jets 30a de plus grandes longueurs.
De préférence, les secteurs angulaires (α) et (β) sont centrés sur l'axe vertical de référence B-B passant par le sommet S de la nappe conique d'injection 28.
Avantageusement, la première portion 60 de la paroi inférieure 58 présente, en section par un plan de coupe vertical passant par l'axe principal A-A, un profil incliné dont la pente, dite première pente, s'inscrit dans la continuité du fond horizontal 36 et qui est déterminée de manière à éviter que les jets 30b de plus courtes longueurs ne s'enroulent sur eux-mêmes en direction de la paroi interne 32 de la gorge annulaire latérale 34.
De manière analogue, la deuxième portion 62 de paroi inférieure présente, en section par un plan de coupe vertical passant par l'axe principal A-A, un profil incliné dont la pente, dite deuxième pente, est supérieure à la première pente de manière que le volume de la gorge latérale 34 soit, au moins dans le deuxième secteur angulaire (β), inférieur au volume de la gorge latérale 34 dans le premier secteur angulaire (α).
Les profils inclinés respectifs de la première portion 60 et de la deuxième portion 62 de la paroi inférieure 58 sont, en section, avantageusement rectilignes et obtenus par fraisage.
Le tronc de cône supérieur 38B du bossage 38 comporte une paroi externe supérieure 64 présentant une convexité continûment variable, c'est-à-dire qu'en section par des plans de coupe verticaux successifs suivant une rotation autour de l'axe A- A, la paroi présente un profil incliné dont la pente varie continuellement, notamment selon le secteur angulaire dans lequel l'on se trouve.
La convexité de la paroi externe supérieure 64 est déterminée de manière à éviter les interférences entre les jets 30 de la nappe d'injection 28 et ladite paroi externe supérieure 64 du bossage 38.
Ainsi, la paroi externe supérieure 64 du tronc de cône supérieur 38B est avantageusement intégralement comprise à l'intérieur du volume du cône formé par les jets dissymétriques 30 de la nappe d'injection 28 afin d'éviter toutes interférences entre l'un quelconque des jets dissymétriques 30a, 30b et 30c et la paroi externe supérieure 64 du bossage 38.
Avantageusement, la paroi externe supérieure 64 du tronc de cône supérieur 38B de convexité continûment variable comporte au moins :
- une première portion 66 de paroi supérieure 64 s'étendant sur un secteur angulaire primaire (θ) déterminé qui correspond sensiblement au secteur angulaire de la nappe d'injection 28 formé des jets 30b de plus courtes longueurs, et
- une deuxième portion 68 de paroi supérieure 64 s'étendant sur un secteur angulaire secondaire (Ω) déterminé qui correspond sensiblement au secteur angulaire de la nappe d'injection 28 formé des jets 30a de plus grandes longueurs.
En section par un plan de coupe vertical passant par l'axe principal A-A, la première portion 66 de la paroi supérieure 64 présente un profil incliné dont la pente, dite troisième pente, est déterminée de manière à s'inscrire globalement dans la continuité de la première pente de la première portion 60 de la paroi inférieure 58 afin de permettre aux jets courts 30b de se développer de la paroi interne 32 de la gorge 34 vers le sommet du bossage 38.
En section par un plan de coupe vertical passant par l'axe principal A-A, la deuxième portion 68 de la paroi supérieure 64 présente un profil incliné dont la pente, dite quatrième pente, est déterminée de manière à éviter les interférences avec les jets 30, en particulier avec les jets longs 30a et avec les jets moyens 30c de longueur intermédiaire.
Les profils inclinés respectifs de la première portion 66 et de la deuxième portion 68 de la paroi externe supérieure 64 sont avantageusement rectilignes et obtenus par fraisage.
Grâce au bossage 38 selon l'invention, on optimise la répartition du volume dans l'ensemble du bol 18 en fonction notamment des paramètres de la nappe d'injection 28 de manière à obtenir un taux de compression optimal pour un volume total du bol de combustion 18 donné.
Par comparaison avec un bol de combustion 18 de l'état de la technique tel qu'illustré à la figure 1 , le bossage 38 de géométrie complexe permet pour un même volume, c'est à dire à isovolume, d'obtenir un mélange optimal de l'air et du carburant.
En effet, le bossage 38 présente centralement autour de l'axe X-X un volume de matière supérieur de sorte que le volume du bol est avantageusement reparti radialement et majoritairement constitué par le volume de la gorge annulaire latérale 34 dans laquelle sont mélangés l'air et le carburant.
Grâce à l'invention, on peut ainsi à isovolume réaliser un bol de combustion 18 de diamètre supérieur.
Avantageusement, le volume de la gorge annulaire latérale
34 est par exemple inférieur dans le deuxième secteur angulaire
(β) de la deuxième portion 62 de la paroi externe inférieure 58 qui correspond à la deuxième zone B de la figure 1 , généralement majoritairement riche en air et pauvre en carburant.
Par conséquent, la géométrie complexe du bossage 38 permet de réduire, dans la deuxième zone B, le volume d'air présent par rapport au carburant et ainsi rééquilibrer le rapport air-carburant dans le but d'obtenir un mélange air-carburant plus homogène.
De plus, le volume de la gorge annulaire latérale 34 est supérieur dans le premier secteur angulaire (α) de la première portion 60 de la paroi externe inférieure 58 qui correspond à la première zone A de la figure 1 qui est radialement globalement opposée à la deuxième zone B.
Par conséquent, la géométrie complexe du bossage 38 permet inversement d'augmenter le volume d'air présent dans cette zone première A qui est généralement majoritairement riche en carburant de manière à obtenir un mélange plus homogène en y rééquilibrant le rapport entre l'air et le carburant.
De préférence, la hauteur h de la face horizontale supérieure 56 du tronc de cône inférieur 38A formant la base du tronc de cône supérieur 38B est sensiblement égale à la moitié de la hauteur totale H du bossage 38, c'est-à-dire à la moitié de la côte axiale suivant la direction verticale du bossage 38 depuis le fond 36 du bol 18 jusqu'à la partie sommitale 70 du bossage 38.
Avantageusement, la partie sommitale du bossage 38 est usinée par fraisage de manière à former une face supérieure 70 de préférence globalement horizontale, en variante de forme convexe.
La face horizontale supérieure 70 détermine ainsi la hauteur totale H du bossage 38 de manière que, lors de l'injection, il n'y ait pas d'interférences entre les jets 30 de carburant et la partie sommitale du bossage 38, laquelle se trouve verticalement à une distance minimale déterminée du sommet S de la nappe d'injection 28.
Avantageusement, le bol de combustion 18 et le bossage 38 sont réalisés par fraisage du piston 14, notamment au moyen d'une fraiseuse à commande numérique.
L'axe principal de symétrie A-A du bol de combustion 18 étant confondu avec l'axe vertical de symétrie X-X du cylindre 12, le bol de combustion 18 et le tronc de cône inférieur 38A sont avantageusement centrés par rapport au cylindre 12 et au piston
14.
En variante (non représentée), l'axe principal de symétrie
A-A du bol de combustion 18 est excentré par rapport à l'axe X-X du cylindre 12 de manière à réduire la distance entre l'axe A-A du bol 18 et l'axe vertical de référence B-B passant par le sommet S de la nappe d'injection 28.
Avantageusement, le piston 14 comporte des moyens d'indexation angulaire (non représentés) pour permettre le montage du piston 14 dans le moteur 10 dans une position de fonctionnement déterminée qui est susceptible d'être indexée en fonction des paramètres de la nappe d'injection 28 de l'injecteur associé 26.
Avantageusement, le moteur 10 comporte des moyens pour produire à l'admission un mouvement tourbillonnaire ordonné du type "swirl" dans le cylindre 12 de manière à favoriser la formation d'un mélange air-carburant homogène.

Claims

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 (16), un bol de combustion (18) délimitant la partie inférieure d'une chambre de combustion (20), un injecteur
(26) qui est excentré par rapport à l'axe (X-X) et qui pulvérise le carburant sous la forme d'une nappe d'injection (28), sensiblement conique de sommet (S), qui est formée de plusieurs jets dissymétriques (30) qui parcourent des longueurs différentes avant d'entrer en contact avec la paroi interne (32) du bol de combustion (18) qui est constituée par une gorge annulaire latérale (34) centrée sur un axe principal de symétrie (A-A) qui se raccorde avec un fond (36) sensiblement horizontal à partir duquel un bossage (38) s'étend verticalement sur une hauteur totale (H) déterminée,
caractérisé en ce que le bossage (38) est constitué :
- d'un tronc de cône inférieur (38A) dont la base est comprise dans le plan horizontal du fond (36) et est centrée sur l'axe principal de symétrie (A-A) et dont le sommet (S') est le point symétrique du sommet (S) de la nappe d'injection (28) par rapport à l'axe principal de symétrie (A-A); et
- d'un tronc de cône supérieur (38B) dont la base est formée par la face horizontale supérieure (56) du tronc de cône inférieur (38A) et dont le sommet correspond au sommet (S) de la nappe d'injection (28) par lequel passe un axe vertical de référence (B-
B).
2. Moteur (10) selon la revendication 1 , caractérisé en ce que le tronc de cône inférieur (38A) du bossage comporte une paroi externe inférieure (58) de convexité continûment variable comportant au moins :
- une première portion (60) de paroi inférieure (58) s'étendant sur un premier secteur angulaire (α) déterminé, centré sur l'axe vertical de référence (B-B), correspondant sensiblement au secteur angulaire de la nappe d'injection (28) formé des jets (30b) de plus courtes longueurs; et
- une deuxième portion (62) de paroi inférieure (58) s'étendant sur un deuxième secteur angulaire (β) déterminé, centré sur l'axe vertical de référence (B-B), correspondant sensiblement au secteur angulaire de la nappe d'injection (28) formé des jets (30a) de plus grandes longueurs.
3. Moteur (10) selon la revendication 2, caractérisé en ce que, en section par un plan de coupe vertical passant par l'axe principal (A-A), la première portion (60) de la paroi inférieure (58) présente un profil incliné rectiligne dont la pente, dite première pente, s'inscrit dans la continuité du fond horizontal (36) et est déterminée de manière à éviter que les jets (30b) de plus courtes longueurs ne s'enroulent sur eux-mêmes en direction de la paroi interne (32) de la gorge (34).
4. Moteur (10) selon la revendication 3, caractérisé en ce que, en section par un plan de coupe vertical passant par l'axe principal (A-A), la deuxième portion (62) de la paroi inférieure (58) présente un profil incliné rectiligne dont la pente, dite deuxième pente, est supérieure à la première pente de manière que le volume de la gorge latérale (34) est au moins dans le deuxième secteur angulaire (β) inférieur au volume de la gorge latérale (34) dans le premier secteur angulaire (α).
5. Moteur (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le tronc de cône supérieur
(38B) du bossage (38) comporte une paroi externe supérieure (64) présentant une convexité continûment variable déterminée de manière à éviter les interférences entre les jets (30a, 30b, 30c) de la nappe d'injection (28) et la paroi externe supérieure (64) du bossage (28).
6. Moteur (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la hauteur (h) de la face horizontale supérieure (56) du tronc de cône inférieur (38B) est égale à la moitié de la hauteur totale (H) du bossage (38) depuis le fond (36) du bol (18) jusqu'au sommet (70) du bossage.
7. Moteur (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la hauteur totale (H) du bossage (38) est déterminée de manière que, lors de l'injection, il n'y ait pas d'interférences entre les jets (30a, 30b, 30c) et le sommet (70) du bossage (38).
8. Moteur (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le bossage (38) est réalisé par au moins une opération de fraisage du piston (14).
9. Moteur (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'axe principal de symétrie (A-A) du bol de combustion (18) est confondu avec l'axe vertical (X-X) du cylindre (12).
10. Moteur (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le piston (14) comporte des moyens d'indexation angulaire pour permettre le montage du piston (14) dans le moteur dans une position de fonctionnement déterminée qui est indexée en fonction des paramètres de la nappe d'injection (28) associée de l'injecteur (26).
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