FR2886683A1 - Direct fuel injection engine`s e.g. four-stroke diesel engine, piston, has ring moving between retracted position and active position in which ring forms wall partially surrounding cavity, where ring`s upper edge projects from face of crown - Google Patents
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Abstract
Description
PISTON POUR MOTEUR A INJECTION DIRECTEPISTON FOR DIRECT INJECTION ENGINE
L'invention concerne un piston pour un moteur à injection directe de carburant, et en particulier pour un moteur à injection directe de type diesel à quatre temps, tel qu'utilisé dans l'industrie automobile, et un moteur correspondant équipé d'un tel piston. The invention relates to a piston for a direct injection engine of fuel, and in particular for a four-stroke diesel direct injection engine, as used in the automotive industry, and a corresponding engine equipped with such a piston.
Ces moteurs à injection directe comprennent classiquement, en référence à la figure 1, au moins un cylindre 1 avec une culasse 2 formant couvercle au-dessus du cylindre, et un piston 3 monté coulissant dans le cylindre entre un point mort haut et un point mort bas. Au moins une soupape d'admission d'air frais, au moins une soupape d'échappement, et un injecteur central de carburant 4 sont montés sur la culasse, sensiblement parallèlement à l'axe du cylindre. La couronne 31 du piston présente sur sa face supérieure 31a opposée à la culasse une cavité en forme de bol 5. Le bol du piston comporte classiquement un téton en forme de cône ou de tronc de cône, se raccordant à une paroi latérale 52. La paroi latérale 52 peut comprendre une partie inférieure concave 53 se prolongeant par une partie supérieure verticale 54 formant lèvre ou col rentrant. L'injecteur pulvérise le carburant sous haute pression en plusieurs jets disposés selon un cône, dans la chambre de combustion 6 définie entre la culasse et la couronne du piston. These direct injection engines conventionally comprise, with reference to FIG. 1, at least one cylinder 1 with a cylinder head 2 forming a cover above the cylinder, and a piston 3 slidably mounted in the cylinder between a top dead center and a neutral position low. At least one fresh air intake valve, at least one exhaust valve, and a central fuel injector 4 are mounted on the cylinder head, substantially parallel to the cylinder axis. The ring 31 of the piston has on its upper face 31a opposite the cylinder head a bowl-shaped cavity 5. The piston bowl conventionally comprises a cone-shaped nipple or truncated cone, connected to a side wall 52. lateral wall 52 may comprise a concave lower portion 53 extending through a vertical upper portion 54 forming a lip or retreating collar. The injector sprays the fuel under high pressure in several jets arranged in a cone, in the combustion chamber 6 defined between the cylinder head and the piston crown.
Pour réduire les émissions de polluants, tels que fumées, NOx, HC et CO, tout en maintenant ou améliorant les performances du moteur, une solution simple et facile à mettre en oeuvre consiste à réduire le diamètre de trou de la buse de l'injecteur pour favoriser la fragmentation des gouttelettes de carburants. Cette réduction de la perméabilité de la buse nécessite sur les points fortement chargés du cycle de fonctionnement du moteur une augmentation de la durée d'injection, pour assurer de bonnes quantités de carburant injectées. Les risques d'injection de jets de carburant en dehors du bol sur ces points chargés, lors de la phase de détente, tel qu'illustré sous la référence 7, sont alors importants. Le carburant injecté en dehors du bol produit des suies 8 dans la zone de chasse annulaire, à proximité de la paroi du cylindre, qui se mélangeront facilement à l'huile et produiront des matières charbonneuses. To reduce pollutant emissions, such as fumes, NOx, HC and CO, while maintaining or improving engine performance, a simple and easy-to-implement solution is to reduce the nozzle hole diameter of the injector to promote the fragmentation of fuel droplets. This reduction in the permeability of the nozzle requires on the heavily loaded points of the engine operating cycle an increase in the injection time, to ensure good quantities of fuel injected. The risks of injecting fuel jets outside the bowl on these loaded points, during the relaxation phase, as illustrated under the reference 7, are then important. The fuel injected out of the bowl produces soot 8 in the annular flush zone, near the cylinder wall, which will mix easily with the oil and produce carbonaceous materials.
Le but de la présente invention est de pallier les inconvénients précités, notamment de proposer une solution visant à obtenir un bon compromis entre des performances spécifiques élevées et une émission de gaz polluants réduite. The object of the present invention is to overcome the aforementioned drawbacks, in particular to propose a solution to obtain a good compromise between high specific performance and reduced emission of pollutant gases.
A cet effet, la présente invention a pour objet un piston pour moteur à injection directe de carburant, destiné à être monté coulissant dans un cylindre entre un point mort haut et un point mort bas, du type comprenant une couronne dont la face supérieure est munie d'une cavité en forme de bol, caractérisé en ce que ledit piston comprend une pièce montée mobile sur la couronne, ladite pièce étant apte à se déplacer entre une position rétractée et une position active dans laquelle ladite pièce forme une paroi entourant au moins partiellement ladite cavité, dont le bord supérieur fait saillie de la face supérieure de la couronne, de manière à guider les jets de carburant lors de la phase de détente. La pièce mobile permet donc de conduire sensiblement tout le carburant dans le bol même si la durée d'injection est très longue. For this purpose, the subject of the present invention is a piston for a direct injection engine for fuel, intended to be slidably mounted in a cylinder between a top dead center and a bottom dead center, of the type comprising a ring whose upper face is provided with a bowl-shaped cavity, characterized in that said piston comprises a movably mounted part on the ring, said piece being able to move between a retracted position and an active position in which said piece forms a wall surrounding at least partially said cavity, whose upper edge protrudes from the upper face of the ring, so as to guide the fuel jets during the expansion phase. The moving part therefore allows to drive substantially all the fuel in the bowl even if the injection time is very long.
Selon une particularité, ladite pièce mobile est apte à se déplacer entre ses deux positions par effet d'inertie lors du déplacement du piston entre le point mort haut et le point mort bas. According to a feature, said movable part is able to move between its two positions by inertia effect when moving the piston between the top dead center and the bottom dead center.
Avantageusement, le bord supérieur de la pièce affleure sensiblement la face supérieure de la couronne dans sa position rétractée. Advantageously, the upper edge of the piece is substantially flush with the upper face of the ring in its retracted position.
Selon un mode de réalisation, ladite pièce est montée coulissante en translation sur la partie supérieure de la paroi latérale du bol, ladite pièce constitue une lèvre mobile du bol. Ladite pièce mobile est par exemple formée d'une bague annulaire munie d'une nervure radiale s'étendant radialement vers l'extérieur, disposée dans une gorge annulaire ménagée sur la partie supérieure cylindrique de la paroi latérale du bol, la course de la bague entre ses deux positions étant délimitée par la venue en butée de la nervure contre les parois parallèles opposées de ladite gorge. According to one embodiment, said piece is slidably mounted in translation on the upper part of the side wall of the bowl, said piece constitutes a movable lip of the bowl. Said movable part is for example formed of an annular ring provided with a radial rib extending radially outwards, arranged in an annular groove formed on the cylindrical upper part of the side wall of the bowl, the race of the ring. between its two positions being delimited by the abutment of the rib against the opposite parallel walls of said groove.
Avantageusement, la paroi latérale du bol présente une partie inférieure concave, le bord inférieur du bol étant disposé sensiblement dans le prolongement de ladite partie concave dans la position rétractée de la bague. Advantageously, the side wall of the bowl has a concave lower portion, the lower edge of the bowl being disposed substantially in the extension of said concave portion in the retracted position of the ring.
L'invention a également pour objet un moteur à injection directe de carburant comprenant au moins un cylindre avec une culasse formant couvercle au-dessus du cylindre, sur laquelle sont montés, sensiblement parallèlement à l'axe du cylindre, au moins une soupape d'admission, au moins une soupape d'échappement, et un injecteur central de carburant apte à injecter des jets de carburant, et un piston monté coulissant dans le cylindre entre un point mort haut et un point mort bas, caractérisé en ce qu'il comprend un piston tel que défini précédemment, ladite pièce mobile étant apte à se déplacer vers sa position active lors du déplacement du piston de son point mort haut vers son point mort bas, et à revenir vers sa position rétractée lors du déplacement du piston de son point mort bas vers son point mort haut. The invention also relates to a direct fuel injection engine comprising at least one cylinder with a cylinder head forming a lid above the cylinder, on which are mounted, substantially parallel to the axis of the cylinder, at least one valve of intake, at least one exhaust valve, and a central fuel injector adapted to inject fuel jets, and a piston slidably mounted in the cylinder between a top dead center and a bottom dead center, characterized in that it comprises a piston as defined above, said movable part being able to move towards its active position when moving the piston from its top dead center to its bottom dead point, and to return to its retracted position when the piston moves from its point dead down to his top dead center.
L'invention sera mieux comprise, et d'autres buts, détails, caractéristiques et avantages apparaîtront plus clairement au cours de la description explicative détaillée qui va suivre d'un mode de réalisation particulier actuellement préféré de l'invention, en référence aux dessins schématiques annexés sur lesquels: - la figure 1 représente une vue schématique en coupe du cylindre d'un moteur de l'art antérieur; - la figure 2 représente une vue schématique en coupe du cylindre d'un moteur selon l'invention, illustrant le piston en phase de compression, au voisinage de son point mort haut, sa lèvre mobile en position retractée; et, - la figure 3 est une vue schématique analogue à la 20 figure 2, illustrant le piston en phase de détente, sa lèvre mobile en position active. The invention will be better understood, and other objects, details, features and advantages will become more clearly apparent from the following detailed explanatory description of a particular presently preferred embodiment of the invention, with reference to the schematic drawings. appended in which: - Figure 1 shows a schematic sectional view of the cylinder of a motor of the prior art; - Figure 2 shows a schematic sectional view of the cylinder of an engine according to the invention, illustrating the piston in the compression phase, in the vicinity of its top dead center, its movable lip in the retracted position; and FIG. 3 is a schematic view similar to FIG. 2, illustrating the piston in the expansion phase, its lip moving in the active position.
Les figures 1 et 2 illustrent un cylindre 101 de moteur à injection directe selon l'invention, en particulier d'un moteur de type diesel. Le cylindre est fermé à son extrémité supérieure par une culasse 102, et un piston 103 est monté coulissant, de manière étanche, dans l'alésage 111 du cylindre. La chambre de combustion 106 est délimitée par la culasse et la face supérieure 131a de la tête ou couronne 131 du piston qui coulisse entre son point mort bas et son point mort haut. La face supérieure 13la du piston comporte une cavité circulaire ou bol profilé 105, sensiblement centré par rapport à l'axe A du cylindre. Le fond du bol comprend une élévation centrale ou téton 151 relié par une paroi latérale 152 à la face supérieure 131a, cette dernière formant une zone de chasse frontale annulaire entourant le bol. Le téton 151 présente une forme conique avec un sommet arrondi se poursuivant par une paroi conique. Cette paroi conique se poursuit par la paroi latérale 152 comprenant une première partie concave ou torique 153, et une partie supérieure cylindrique 154, raccordée à la face supérieure 131a. La culasse 102 comprend un injecteur central de carburant 104, disposé sensiblement selon l'axe A du cylindre. L'injecteur comporte une tête ou nez d'injection 141 disposé en saillie dans la chambre de combustion et muni de trous ou passages pour injecter le carburant sous forme de jets. La culasse comprend également une bougie de réchauffage et des soupapes d'admission et d'échappement (non représentées), par exemple deux soupapes d'admission et deux soupapes d'échappement, disposées autour de l'injecteur. Le moteur regroupe plusieurs cylindres avec des chambres de combustion analogues. Figures 1 and 2 illustrate a cylinder 101 direct injection engine according to the invention, in particular a diesel type engine. The cylinder is closed at its upper end by a cylinder head 102, and a piston 103 is slidably mounted, sealingly in the bore 111 of the cylinder. The combustion chamber 106 is delimited by the cylinder head and the upper face 131a of the head or crown 131 of the piston which slides between its bottom dead center and its top dead center. The upper face 13la of the piston comprises a circular cavity or shaped bowl 105, substantially centered with respect to the axis A of the cylinder. The bottom of the bowl comprises a central elevation or pin 151 connected by a side wall 152 to the upper face 131a, the latter forming an annular front flush area surrounding the bowl. The pin 151 has a conical shape with a rounded apex continuing with a conical wall. This conical wall is continued by the side wall 152 comprising a first concave or toric portion 153, and a cylindrical upper portion 154, connected to the upper face 131a. The cylinder head 102 comprises a central fuel injector 104 disposed substantially along the axis A of the cylinder. The injector has an injection head or nose 141 projecting into the combustion chamber and provided with holes or passages for injecting the fuel in the form of jets. The cylinder head also includes a glow plug and intake and exhaust valves (not shown), for example two intake valves and two exhaust valves, disposed around the injector. The engine groups together several cylinders with similar combustion chambers.
Selon l'invention, une bague annulaire 109 est montée coulissante en translation, selon l'axe A, sur la partie supérieure 154 de la paroi latérale du bol, et constitue une lèvre mobile de bol. La bague présente sur sa face cylindrique extérieure un collet ou nervure annulaire 191, de section transversale sensiblement rectangulaire, orienté radialement vers l'extérieur. La paroi cylindrique de la partie supérieure 154 présente une gorge annulaire 155, de section transversale sensiblement rectangulaire, définie par une paroi de fond 155a et deux parois parallèles opposées 155b,155c, dans laquelle vient se positionner ladite nervure annulaire de la bague. Le bord extérieur de la nervure est en contact glissant avec la paroi de fond 155a de la gorge, et la hauteur de la gorge, correspondant à la distance entre les deux parois parallèles opposées 155b, 155c, est supérieure à la largeur de la nervure pour permettre le coulissement vertical de la bague, selon l'axe A, entre une position dite rétractée et une position active. According to the invention, an annular ring 109 is slidably mounted in translation, along the axis A, on the upper part 154 of the side wall of the bowl, and constitutes a mobile bowl lip. The ring has on its outer cylindrical face a collar or annular rib 191, of substantially rectangular cross section, oriented radially outwardly. The cylindrical wall of the upper portion 154 has an annular groove 155, of substantially rectangular cross section, defined by a bottom wall 155a and two opposite parallel walls 155b, 155c, in which is positioned said annular rib of the ring. The outer edge of the rib is in sliding contact with the bottom wall 155a of the groove, and the height of the groove, corresponding to the distance between the two opposite parallel walls 155b, 155c, is greater than the width of the rib for allow the vertical sliding of the ring, along the axis A, between a so-called retracted position and an active position.
Dans la position rétractée illustrée à la figure 2, la bague est en butée par sa nervure contre la paroi dite inférieure 155c de la gorge. La hauteur de la bague correspond sensiblement à celle de la partie supérieure de la paroi latérale. Le bord supérieur 109a de la bague est sensiblement au même niveau que la face supérieure 131a de la couronne, tandis que son bord inférieur 109b vient se positionner dans le prolongement de la partie concave pour garantir une continuité de surface. La bague est en contact glissant par sa face extérieure avec les portions restantes de paroi supérieure disposées de part et d'autre de la gorge. In the retracted position illustrated in Figure 2, the ring is abutted by its rib against the so-called lower wall 155c of the groove. The height of the ring corresponds substantially to that of the upper part of the side wall. The upper edge 109a of the ring is substantially at the same level as the upper face 131a of the ring, while its lower edge 109b is positioned in the extension of the concave portion to ensure surface continuity. The ring is in sliding contact by its outer face with the remaining portions of upper wall disposed on either side of the groove.
Dans la position active illustrée à la figure 3, la nervure est en butée contre la paroi supérieure 155b de la gorge. La bague dépasse de la face supérieure 131a, son bord supérieur étant disposé au-delà de la face supérieure de la couronne. In the active position illustrated in Figure 3, the rib is abutted against the upper wall 155b of the groove. The ring protrudes from the upper face 131a, its upper edge being disposed beyond the upper face of the ring.
Une description du fonctionnement du piston selon l'invention va à présent être effectuée. A description of the operation of the piston according to the invention will now be performed.
Dans la phase de compression du point mort bas vers le point mort haut, la bague est maintenue en position rétractée en butée contre la paroi inférieure de la gorge par effet d'inertie. La figure 2 illustre le piston à proximité de son point mort haut en phase de compression. Dans cette position rétractée, la bague ne perturbe pas la combustion dans la chambre. Pour améliorer le mélange du carburant et de gaz d'admission, et donc augmenter le rendement de la combustion dans la chambre, il est connu de générer un flux tourbillonnaire des gaz d'admission, appelé communément "swirl", autour d'un axe sensiblement identique à celui du cylindre, en adoptant par exemple une géométrie et une disposition particulière des conduits d'admission d'air. La bague en position rétractée n'altère pas cet effet de squish . In the compression phase of the bottom dead center towards the top dead center, the ring is held in retracted position abutting against the lower wall of the groove by inertia effect. Figure 2 illustrates the piston near its top dead center in the compression phase. In this retracted position, the ring does not disturb combustion in the chamber. To improve the mixing of fuel and intake gas, and therefore increase the efficiency of combustion in the chamber, it is known to generate a swirling flow of the intake gas, commonly called "swirl", about an axis substantially identical to that of the cylinder, for example by adopting a geometry and a particular arrangement of the air intake ducts. The ring in the retracted position does not alter this squish effect.
Lors de la phase de détente, du point mort haut vers le point mort bas, la bague monte par rapport à la couronne, de manière progressive, par l'effet d'inertie, jusqu'à sa position active illustrée à la figure 3. La bague sépare la zone périphérique de chasse de la zone centrale de la chambre de combustion. Les jets de carburant 107 sont ainsi guidés dans le passage interne de la bague vers le fond du bol, tel qu'illustré par la flèche F1. Même si la durée d'injection est longue, pour compenser notamment une fragmentation importante du carburant, la bague permet de guider sensiblement tout le carburant vers le bol ce qui permet de limiter ou supprimer la production de suies près de la paroi de l'alésage de cylindre et donc d'éviter la production de matières charbonneuses dans l'huile. During the relaxation phase, from the top dead center to the bottom dead center, the ring rises progressively with respect to the ring, by the inertia effect, to its active position illustrated in FIG. The ring separates the peripheral hunting zone from the central zone of the combustion chamber. The fuel jets 107 are thus guided in the internal passage of the ring towards the bottom of the bowl, as illustrated by the arrow F1. Even if the injection time is long, in particular to compensate for significant fragmentation of the fuel, the ring can guide substantially all the fuel to the bowl which limits or suppress the production of soot near the wall of the bore cylinder and therefore avoid the production of carbonaceous materials in the oil.
Par ailleurs, lors de la détente, comme la distance entre la culasse et la partie lèvre reste faible, la vitesse d'écoulement des gaz d'admission vers la zone de chasse, appelé communément reverse squish et représenté par la flèche référencée F2, est élevée et génère une forte turbulence, ce qui assure un bon mélange des gaz d'admission. Moreover, during the relaxation, as the distance between the yoke and the lip portion remains low, the flow velocity of the intake gas to the hunting zone, commonly called reverse squish and represented by the arrow referenced F2, is high and generates a strong turbulence, which ensures a good mixture of the gases of admission.
La bague reste en position active jusqu'au point mort bas, puis revient progressivement vers sa position rétractée au début de la phase de détente. The ring remains in the active position until the bottom dead point, then gradually returns to its retracted position at the beginning of the relaxation phase.
Au point mort haut, la bague demeure dans sa position rétractée, au même niveau que la face supérieure de la couronne, sans toucher la culasse. Par ailleurs, la bague est en position rétractée lorsque les soupapes d'échappement sont ouvertes, et le piston est suffisamment éloigné de son point mort haut lors de l'ouverture des soupapes d'admission d'air frais de manière à éviter un contact de la bague avec ces dernières. Le piston selon l'invention, équipé de sa bague mobile ne nécessite aucune adaptation particulière de la culasse. At top dead center, the ring remains in its retracted position, at the same level as the upper face of the crown, without touching the breech. Furthermore, the ring is in the retracted position when the exhaust valves are open, and the piston is sufficiently far from its top dead center when opening the fresh air intake valves to avoid a contact of the ring with these. The piston according to the invention, equipped with its movable ring does not require any particular adaptation of the cylinder head.
En variante, le montage de la bague sur la couronne est obtenu également par un système de nervure et de gorge, la gorge étant cette fois-ci ménagée sur la face extérieure de bague, la partie supérieure de la paroi latérale étant munie d'une nervure annulaire apte à coopérer avec ladite gorge pour assurer le coulissement de la bague entre ses deux positions. Alternatively, the mounting of the ring on the ring is also obtained by a system of rib and groove, the groove being this time formed on the outer face of the ring, the upper part of the side wall being provided with a annular rib capable of cooperating with said groove to ensure the sliding of the ring between its two positions.
Bien que l'invention ait été décrite en liaison avec un mode de réalisation particulier, il est bien évident qu'elle n'y est nullement limitée et qu'elle comprend tous les équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons si celles-ci entrent dans le cadre de l'invention. Although the invention has been described in connection with a particular embodiment, it is obvious that it is not limited thereto and that it comprises all the technical equivalents of the means described and their combinations if they are within the scope of the invention.
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| PATENT ABSTRACTS OF JAPAN vol. 1997, no. 04 30 April 1997 (1997-04-30) * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| FR2886683B1 (en) | 2007-09-14 |
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| ST | Notification of lapse |
Effective date: 20090228 |