FR2891018A1 - Internal combustion engine piston has fuel jets directed towards walls of piston face cavity from orifices in injector inside central projection - Google Patents
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Abstract
Description
Piston destiné à un moteur à combustion internePiston for an internal combustion engine
La présente invention se rapporte à un piston notamment destiné à un moteur notamment à un moteur à injection directe Diesel, et à un moteur à combustion interne incorporant un tel piston. The present invention relates to a piston in particular for a motor including a diesel direct injection engine, and an internal combustion engine incorporating such a piston.
Classiquement, les moteurs Diesel comprennent plusieurs cylindres fermés par une culasse, cylindres à l'intérieur desquels des pistons coulissent entre deux positions extrêmes, dites point mort haut et point mort bas D. En fonction du régime moteur par exemple, la position du piston durant l'injection peut donc varier. Ainsi, la diffusion du carburant n'est pas toujours optimale et l'effet de la forme de la base supérieure du piston peut alors être diminué. Il est donc nécessaire de faire un compromis entre l'angle d'injection optimal à bas régime et l'angle d'injection optimal à haut régime pour choisir l'angle d'injection du carburant dans le cylindre entre les bas régimes et les régimes élevés. Il en résulte une diffusion imparfaite du carburant dans le cylindre et donc une inflammation non homogène du mélange air/carburant. Conventionally, the diesel engines comprise several cylinders closed by a cylinder head, cylinders inside which pistons slide between two extreme positions, called top dead center and bottom dead center D. Depending on the engine speed for example, the position of the piston during the injection can therefore vary. Thus, the diffusion of the fuel is not always optimal and the effect of the shape of the upper base of the piston can then be decreased. It is therefore necessary to make a compromise between the optimum injection angle at low engine speeds and the optimum injection angle at high engine speeds to choose the fuel injection angle in the cylinder between low engine speeds and engine speeds. high. This results in an imperfect diffusion of the fuel in the cylinder and therefore an inhomogeneous ignition of the air / fuel mixture.
Le but de l'invention est de proposer un dispositif d'injection permettant de réaliser un mélange sensiblement identique dans le cylindre d'un moteur Diesel, indépendamment du régime moteur. The object of the invention is to provide an injection device for producing a substantially identical mixture in the cylinder of a diesel engine, regardless of the engine speed.
On atteint ce but de l'invention au moyen d'un piston destiné à un moteur à combustion interne comportant une tête de piston terminée par une base supérieure destinée à fermer une chambre de combustion dudit moteur, remarquable en ce qu'un orifice d'injection débouche sur ladite base supérieure de ladite tête de piston. This object of the invention is achieved by means of a piston intended for an internal combustion engine comprising a piston head terminated by an upper base intended to close a combustion chamber of said engine, remarkable in that an orifice of injection opens onto said upper base of said piston head.
Ainsi, comme on le verra plus en détails par la suite dans la description, le carburant injecté via l'orifice d'injection présente une trajectoire constante par rapport au piston, indépendamment de la vitesse de rotation du moteur. Thus, as will be seen in more detail later in the description, the fuel injected via the injection port has a constant trajectory relative to the piston, regardless of the rotational speed of the engine.
De préférence, ledit orifice d'injection est disposé dans un bol creusé dans ladite base supérieure et délimité par une paroi latérale et un fond. Preferably, said injection port is disposed in a bowl dug in said upper base and defined by a side wall and a bottom.
De manière préférée, un bossage est formé à l'intérieur dudit bol. Preferably, a boss is formed inside said bowl.
De préférence, ledit orifice d'injection débouche à la surface dudit bossage. De manière préférée, ledit orifice d'injection débouche radialement à la surface dudit bossage. Preferably, said injection port opens to the surface of said boss. Preferably, said injection orifice opens radially to the surface of said boss.
De préférence, ledit orifice d'injection débouche en regard de ladite paroi latérale dudit bol. Preferably, said injection port opens opposite said side wall of said bowl.
Ainsi, de manière avantageuse, le carburant injecté se mélange de manière homogène à l'air présent dans le cylindre. Thus, advantageously, the injected fuel mixes homogeneously with the air present in the cylinder.
De manière préférée, le piston comporte des moyens pour mettre sélectivement en communication ledit orifice d'injection et un orifice d'alimentation apte à être mis en communication de fluide avec une alimentation en carburant. Preferably, the piston comprises means for selectively communicating said injection port and a supply port adapted to be placed in fluid communication with a fuel supply.
De préférence, lesdits rnoyens de mise en communication sélective dudit orifice d'injection avec ledit orifice d'alimentation en carburant comportent un organe obturateur monté coulissant dans une cavité apte à être en communication de fluide avec ledit orifice d'injection et ledit orifice d'alimentation en carburant, entre une position de passage dudit carburant et une position de blocage dudit carburant dans ladite cavité. Preferably, said means of selectively communicating said injection port with said fuel supply port comprise a shutter member slidably mounted in a cavity adapted to be in fluid communication with said injection port and said orifice of said injection port. fuel supply, between a position of passage of said fuel and a blocking position of said fuel in said cavity.
De manière préférée, le coulissement dudit organe obturateur est commandé par l'injection dudit carburant sous pression qui pousse ledit organe obturateur dans sa position de passage contre l'effet d'un ressort de compression par pression sur une surface dudit organe obturateur. Preferably, the sliding of said shutter member is controlled by the injection of said pressurized fuel which pushes said shutter member into its passage position against the effect of a compression spring by pressure on a surface of said shutter member.
L'invention se rapporte également à un moteur à combustion interne comprenant des moyens de dosage du carburant à injecter, des moyens de mise sous pression dudit carburant à injecter et des moyens pour injecter ledit carburant à injecter, remarquable en ce que ledit moteur comporte au moins un piston tel que décrit ci-avant dans toutes ses combinaisons et en ce que lesdits moyens pour injecter ledit carburant à injecter sont aptes à être mis en communication de fluide avec ledit orifice d'injection. The invention also relates to an internal combustion engine comprising means for dosing the fuel to be injected, means for pressurizing said fuel to be injected and means for injecting said fuel to be injected, which is remarkable in that said engine comprises less a piston as described above in all its combinations and in that said means for injecting said fuel to be injected are adapted to be placed in fluid communication with said injection port.
D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à l'examen de la description du mode de réalisation préféré qui va suivre, présenté uniquement à titre d'exemple non limitatif, en référence aux figures ci-annexées dans lesquelles: - la figure 1 représente en coupe un piston selon l'invention; - la figure 2 représente un agrandissement d'un détail de la figure 1; et - la figure 3 représente schématiquement un système d'injection pour moteur Diesel selon l'invention. Other advantages and characteristics of the invention will appear on examining the description of the preferred embodiment which follows, presented solely by way of non-limiting example, with reference to the appended figures in which: FIG. 1 shows in section a piston according to the invention; - Figure 2 shows an enlargement of a detail of Figure 1; and FIG. 3 schematically represents an injection system for a diesel engine according to the invention.
Le piston 10 représenté sur la figure 1, est apte à coulisser selon l'axe géométrique Al dans un cylindre 12 fermé par une culasse 14. Le cylindre 12 est partiellement entouré d'un circuit de refroidissement 15 du cylindre 12 par circulation d'eau. The piston 10 shown in Figure 1, is slidable along the geometric axis A1 in a cylinder 12 closed by a cylinder head 14. The cylinder 12 is partially surrounded by a cooling circuit 15 of the cylinder 12 by circulating water .
Ce piston 10 comporte notamment une tige de piston 16 montée, à une première extrémité, à rotation sur l'arbre à came du moteur (non représenté) et, à l'autre extrémité, à rotation par rapport à une tête de piston 18. De préférence, cette tête de piston 18 est de forme générale cylindrique, et, de préférence encore, à symétrie de révolution par rapport à l'axe Al. Le tête de piston 18 délimite avec la culasse 14 et le cylindre 12 une chambre de combustion 19. La tête de piston 18 est délimitée par une paroi latérale externe 20 et terminée d'une part par une base inférieure 22 orientée vers la tige de piston 16, et, d'autre part, par une base supérieure 24 opposée à la base inférieure 22. Dans cette base supérieure 24 est creusé un bol 26 qui est de préférence à symétrie de révolution autour de l'axe géométrique Al et délimité par une paroi latérale 28 et un fond 30. Le fond 30 du bol 26 présente un bossage 32, ou téton, de préférence central et, en l'espèce, à symétrie de révolution par rapport à l'axe Al. This piston 10 comprises in particular a piston rod 16 mounted at a first end, rotatable on the camshaft of the engine (not shown) and, at the other end, rotated relative to a piston head 18. Preferably, this piston head 18 is generally cylindrical in shape, and more preferably symmetrical with respect to the axis Al. The piston head 18 defines with the cylinder head 14 and the cylinder 12 a combustion chamber. 19. The piston head 18 is delimited by an outer side wall 20 and terminated on the one hand by a lower base 22 facing the piston rod 16, and on the other hand by an upper base 24 opposite the base. lower 22. In this upper base 24 is hollowed a bowl 26 which is preferably symmetrical of revolution about the geometric axis A1 and defined by a side wall 28 and a bottom 30. The bottom 30 of the bowl 26 has a boss 32 , or nipple, of preference this central and, in this case, symmetrical of revolution with respect to the axis Al.
Cette forme particulière de la tête de piston 18 permet d'améliorer la diffusion du carburant injecté dans la chambre de combustion 19. Cette meilleure diffusion du carburant dans la chambre de combustion 19 améliore l'homogénéisation et donc l'inflammation du mélange qui est plus régulière. This particular shape of the piston head 18 makes it possible to improve the diffusion of the fuel injected into the combustion chamber 19. This better diffusion of the fuel into the combustion chamber 19 improves the homogenization and therefore the ignition of the mixture, which is more regular.
Un autre avantage de ce système d'injection est remarquable dans le cas des procédés d'injections tardives et/ou retardées, réalisées alors que le piston est dans sa phase descendante après que le mélange air/carburant se soit enflammé. En effet, dans ce cas, cette forme de la tête de piston 18 évite qu'une partie du carburant injecté au cours de ces injections tardives et/ou retardées se propage directement sur la chemise du cylindre où elle se diluerait dans l'huile en la souillant. Another advantage of this injection system is remarkable in the case of late and / or delayed injection processes performed while the piston is in its down phase after the air / fuel mixture has ignited. Indeed, in this case, this form of the piston head 18 prevents a part of the fuel injected during these late and / or delayed injections is propagated directly on the cylinder liner where it would be diluted in the oil. the stain.
La base supérieure 24 est donc constituée de la paroi latérale 28 et du fond 30 du bol 26, ainsi que de la surface 34 à l'extérieur du bol 26, délimitée par le bord 36 de la paroi latérale externe 20 de la tête de piston 18 d'une part et par le bord supérieur 38 de la paroi latérale 28 du bol 26 d'autre part. The upper base 24 thus consists of the side wall 28 and the bottom 30 of the bowl 26, as well as the surface 34 outside the bowl 26, delimited by the edge 36 of the outer lateral wall 20 of the piston head. 18 on the one hand and by the upper edge 38 of the side wall 28 of the bowl 26 on the other hand.
A l'intérieur de la tête de piston 18 est formé un conduit interne 39, formé d'une branche principale 40 débouchant sous la forme d'un orifice d'alimentation 41 au niveau de la base inférieure 22 de ladite tête de piston 18, d'une pluralité de branches secondaires 44 qui débouchent, de préférence radialement, au niveau du téton 32 sous la forme d'orifices d'injection 45, en regard de la paroi latérale 28 du bol 26 et d'une cavité 42 ménagée dans le piston 10 et en communication de fluide avec la branche principale 40 et les branches secondaires 44. Le diamètre et le nombre des branches secondaires 44 et donc des orifices d'injection 45 sont, de préférence, sensiblement égaux au diamètre et au nombre de trous d'un nez d'injecteur d'un dispositif d'injection directe classique, implanté dans la culasse selon l'art antérieur. Inside the piston head 18 is formed an internal pipe 39, formed by a main branch 40 opening in the form of a feed orifice 41 at the lower base 22 of said piston head 18, a plurality of secondary branches 44 which open, preferably radially, at the pin 32 in the form of injection orifices 45, facing the side wall 28 of the bowl 26 and a cavity 42 formed in the piston 10 and in fluid communication with the main branch 40 and the secondary branches 44. The diameter and the number of the secondary branches 44 and thus the injection ports 45 are preferably substantially equal to the diameter and the number of holes. an injector nose of a conventional direct injection device, implanted in the cylinder head according to the prior art.
La cavité 42, de forme sensiblement cylindrique d'axe Al, présente une gorge annulaire 46 au niveau de laquelle la branche principale 40 débouche dans la cavité 42, la gorge annulaire 46 séparant une chambre cylindrique inférieure 42a, c'est-à-dire orientée vers la base inférieure 22 de la tête de piston 18, et une chambre cylindrique supérieure 42b, c'est-à-dire orientée vers la base supérieure 24 de la tête de piston 18, les diamètres intérieurs des chambres cylindriques inférieure 42a et supérieure 42b étant sensiblement identiques. A l'intérieur de la cavité 42, une aiguille 48 est disposée, cette aiguille 48 étant apte à coulisser dans la cavité 42. L'aiguille 48 présente une partie inférieure 48a de plus grande section apte à coulisser de manière étanche dans la chambre inférieure cylindrique 42a, et une partie supérieure 48b de plus faible section apte à coulisser dans la chambre cylindrique supérieure 42b de la cavité 42 en laissant libre un volume annulaire 50 dans la cavité 42 autour de la partie supérieure 48b de l'aiguille. Les deux parties inférieure 48a et supérieure 48b de l'aiguille sont reliées par une partie tronconique de jonction 48c. L'aiguille 48 est apte à coulisser selon l'axe Al entre deux positions extrêmes: dans sa position basse ou position de passage du carburant dans la cavité 42 , représentée à figure 2, l'aiguille 48 permet la communication de fluide entre le conduit principal 40 et les conduits secondaires 44; et dans sa position haute ou position de blocage du carburant dans la cavité 42 , représentée à la figure 1, l'aiguille 48 coupe la communication de fluide entre le conduit principal 40 et les conduits secondaires 44. The cavity 42, of substantially cylindrical shape Al axis, has an annular groove 46 at which the main branch 40 opens into the cavity 42, the annular groove 46 separating a lower cylindrical chamber 42a, that is to say oriented towards the lower base 22 of the piston head 18, and an upper cylindrical chamber 42b, that is, oriented towards the upper base 24 of the piston head 18, the inner diameters of the lower cylindrical chambers 42a and higher 42b being substantially identical. Inside the cavity 42, a needle 48 is disposed, this needle 48 being able to slide in the cavity 42. The needle 48 has a lower portion 48a of larger section able to slide in a sealed manner in the lower chamber cylindrical 42a, and an upper portion 48b of smaller section slidable in the upper cylindrical chamber 42b of the cavity 42 leaving free an annular volume 50 in the cavity 42 around the upper portion 48b of the needle. The two lower 48a and upper 48b parts of the needle are connected by a frustoconical joining portion 48c. The needle 48 is slidable along the axis Al between two extreme positions: in its low position or fuel passage position in the cavity 42, shown in FIG. 2, the needle 48 allows the communication of fluid between the conduit main 40 and secondary conduits 44; and in its raised position or fuel lock position in the cavity 42, shown in FIG. 1, the needle 48 intersects the fluid communication between the main conduit 40 and the secondary conduits 44.
L'aiguille 48 est montée sur un ressort de compression 52 fixe par rapport à la tête de piston 18. The needle 48 is mounted on a compression spring 52 fixed with respect to the piston head 18.
Une première soupape 54 ou soupape d'admission empêche ou au contraire permet la communication entre le conduit d'admission d'air (non représenté) et la chambre de combustion 19 du cylindre 12. De manière analogue, une deuxième soupape 56 ou soupape d'échappement permet ou empêche la communication entre le conduit d'échappement d'air (non représenté) et la chambre de combustion 19 du cylindre 12. A first valve 54 or intake valve prevents or on the contrary allows the communication between the air intake duct (not shown) and the combustion chamber 19 of the cylinder 12. Similarly, a second valve 56 or valve d exhaust allows or prevents communication between the air exhaust duct (not shown) and the combustion chamber 19 of the cylinder 12.
Un tuyau d'alimentation 58 souple est monté en communication de fluide avec le conduit principal 40. Cette conduite d'alimentation 58 est apte à mettre en communication de fluide un dispositif d'alimentation 60 et le conduit principal 40 ménagé dans la tête de piston 18. A flexible supply pipe 58 is mounted in fluid communication with the main pipe 40. This supply pipe 58 is capable of placing a supply device 60 in fluid communication with the main pipe 40 formed in the piston head. 18.
Le dispositif d'alimentation 60 doit être apte à réaliser au moins les trois fonctions suivantes: a) le dosage du carburant à injecter dans le cylindre 12; b) la mise sous pression instantanée du carburant à injecter; et c) l'injection de carburant sous pression dans le cylindre 12, à partir d'un instant donné et durant un temps prédéfini, via les orifices d'injection 45 du piston 10. On connaît plusieurs exemples de dispositifs remplissant ces trois fonctions, notamment les pompes distributrices. The feed device 60 must be capable of performing at least the following three functions: a) the metering of the fuel to be injected into the cylinder 12; b) the instantaneous pressurization of the fuel to be injected; and c) injecting fuel under pressure into the cylinder 12, from a given instant and for a predetermined time, via the injection orifices 45 of the piston 10. Several examples of devices fulfilling these three functions are known, especially the dispensing pumps.
Le piston 10, le cylindre 12, la culasse 14 et le dispositif d'alimentation sont des éléments constitutifs d'un moteur à combustion interne 62, de préférence un moteur Diesel. The piston 10, the cylinder 12, the yoke 14 and the feed device are constituent elements of an internal combustion engine 62, preferably a diesel engine.
Le fonctionnement et les avantages du piston 10 selon l'invention découlent directement de la description qui vient d'en être réalisée. The operation and advantages of the piston 10 according to the invention derive directly from the description which has just been realized.
Une injection de carburant est commandée par le dispositif d'alimentation 60. Celui-ci envoie du carburant sous pression dans le conduit principal 40 via la conduite souple 58. A fuel injection is controlled by the feed device 60. This feeds fuel under pressure into the main conduit 40 via the flexible pipe 58.
Ce carburant parvient dans la cavité 42 alors que le ressort de compression 52 maintient l'aiguille 48 dans sa position haute de blocage du carburant dans la cavité 42, c'est-à-dire dans sa position de coupure de la communication entre le conduit principal 40 et les conduits secondaires 44. Le carburant étant injecté sous pression exerce un effort sur l'aiguille 48 au niveau de sa partie tronconique 48c qui s'oppose à la force du ressort de compression 52. Le ressort de compression est, de préférence, dimensionné de telle sorte que l'effort exercé par la pression du carburant sur la partie tronconique 48c de l'aiguille est supérieure à l'effort du ressort 52. Ainsi, avantageusement, lorsque le dispositif d'alimentation injecte du carburant dans la cavité 42, l'aiguille 48 coulisse, sous l'effet du carburant injecté, vers sa position basse de passage du fluide dans la cavité 42, entre le conduit principal 40 et les conduits secondaires 44. This fuel reaches the cavity 42 while the compression spring 52 keeps the needle 48 in its upper position of blocking the fuel in the cavity 42, that is to say in its position of breaking the communication between the conduit. 40 and the secondary conduits 44. The fuel being injected under pressure exerts a force on the needle 48 at its frustoconical portion 48c which opposes the force of the compression spring 52. The compression spring is preferably , dimensioned such that the force exerted by the fuel pressure on the frustoconical portion 48c of the needle is greater than the force of the spring 52. Thus, advantageously, when the feed device injects fuel into the cavity 42, the needle 48 slides, under the effect of the injected fuel, to its low position of passage of the fluid in the cavity 42, between the main duct 40 and the secondary ducts 44.
Le carburant s'écoule alors jusqu'aux l'orifices d'injections 45. Ainsi, quelle que soit la vitesse du piston 10, le mouvement du carburant injecté par rapport à la tête de piston 18 est sensiblement identique, le carburant étant toujours injecté en direction de la paroi latérale 28 du bol 26, et cela quelque soit le régime moteur. La trajectoire du carburant injecté dans le bol 26 est schématiquement représentée figure 1 par les flèches F1 et F2. The fuel then flows to the injection ports 45. Thus, whatever the speed of the piston 10, the movement of the fuel injected relative to the piston head 18 is substantially identical, the fuel always being injected. in the direction of the side wall 28 of the bowl 26, and this whatever the engine speed. The trajectory of the fuel injected into the bowl 26 is schematically represented in FIG. 1 by the arrows F1 and F2.
Une fois l'injection de carburant effectuée par le dispositif d'alimentation 60, il ne s'écoule plus de carburant sous pression dans le conduit principal 40 ni dans la cavité 42. Dans ce cas, l'effort exercé par le ressort de compression 52 fait coulisser l'aiguille 48 dans sa position de blocage du carburant dans la cavité 42, autrement dit dans sa position de coupure de la communication entre le conduit principal 40 et les conduits secondaires 44. De préférence, l'aiguille 48 atteint sa position haute de blocage avant l'auto inflammation du mélange air/carburant dans la chambre de combustion 19. Once the fuel injection has been carried out by the feed device 60, no more pressurized fuel flows in the main duct 40 or in the cavity 42. In this case, the force exerted by the compression spring 52 slides the needle 48 into its position of blocking the fuel in the cavity 42, that is to say in its position of breaking the communication between the main duct 40 and the secondary ducts 44. Preferably, the needle 48 reaches its position high blocking before self ignition of the air / fuel mixture in the combustion chamber 19.
Bien entendu la présente invention ne se réduit pas au mode de réalisation présenté ci-avant à titre d'exemple illustratif et non limitatif et de nombreuses modifications sont possibles sans sortir du cadre de l'invention. Naturally, the present invention is not limited to the embodiment presented above by way of illustrative and non-limiting example and many modifications are possible without departing from the scope of the invention.
En particulier, le piston peut ne pas présenter de bol comme dans l'exemple décrit. In particular, the piston may not have a bowl as in the example described.
Enfin, bien que l'exemple présenté corresponde à une mise en oeuvre particulièrement avantageuse, la disposition des conduits secondaires peut être différente, sans sortir du cadre de l'invention. On peut ainsi imaginer n'avoir qu'un orifice d'injection unique et que celui-ci ne soit pas disposé en regard de la paroi latéral du bol mais au contraire en regard de la culasse par exemple. Finally, although the example presented corresponds to a particularly advantageous implementation, the arrangement of the secondary conduits may be different, without departing from the scope of the invention. One can thus imagine having only one single injection port and that it is not arranged facing the side wall of the bowl but opposite the breech for example.
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