FR2958977A1 - Piston for combustion chamber of diesel combustion engine of motor vehicle, has peripheral part forming torus, and bowl whose plain part constitutes bottom of bowl, which surrounds central part and connects central part to peripheral part - Google Patents
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Abstract
Description
Piston pour chambre de combustion de moteur Diesel Piston for diesel engine combustion chamber
Domaine technique de l'invention La présente invention concerne un piston pour chambre de combustion de moteur Diesel. TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION The present invention relates to a piston for a diesel engine combustion chamber.
Elle concerne aussi un moteur à combustion Diesel de véhicule, en particulier de véhicule automobile, qui comporte un tel piston dont la structure permet d'améliorer l'efficacité de la combustion. It also relates to a diesel engine of a vehicle, in particular a motor vehicle, which comprises such a piston whose structure improves the efficiency of combustion.
Arrière-plan technologique A cylindrée donnée, pour améliorer la puissance maximale d'un moteur à combustion Diesel, il faut augmenter le plus possible la vitesse de combustion de façon à permettre l'injection d'une quantité maximale de carburant tout en respectant les contraintes d'architecture du moteur, à savoir la pression maximale admissible dans la chambre de combustion et la température d'échappement. La combustion étant fonction de la vitesse de mélange du carburant avec l'air, on a cherché à favoriser ce mélange en jouant sur la pression d'injection, la définition de la buse de l'injecteur ou encore la forme du piston, par exemple. TECHNOLOGICAL BACKGROUND With a given displacement, to improve the maximum power of a diesel engine, it is necessary to increase as much as possible the speed of combustion so as to allow the injection of a maximum amount of fuel while respecting the constraints. engine architecture, ie the maximum allowable pressure in the combustion chamber and the exhaust temperature. As the combustion is a function of the mixing speed of the fuel with the air, it has been sought to promote this mixture by varying the injection pressure, the definition of the nozzle of the injector or the shape of the piston, for example .
Un piston de moteur Diesel comprend, de manière classique, une cavité en forme de bol, qui contient l'air pour faire brûler le carburant en position haute du piston, et une lèvre, qui relie le bol à la zone de chasse du piston, c'est-à-dire l'espace situé entre la surface inférieure de la culasse et la surface supérieure du piston. A diesel engine piston conventionally comprises a bowl-shaped cavity, which contains air for burning fuel in the piston's up position, and a lip, which connects the bowl to the piston's flushing zone. that is to say the space between the lower surface of the cylinder head and the upper surface of the piston.
Dans un mode de combustion classique, le carburant liquide vient heurter directement la lèvre, et cette dernière assure la séparation du carburant injecté en deux courants : un premier courant vers le bol et un autre courant vers la zone de chasse. Cette interaction entre l'injection de carburant liquide et la lèvre constitue la problématique majeure de la recherche de la meilleure performance du moteur à combustion Diesel. Le principe sous-jacent de cette recherche est d'utiliser au maximum l'air qui se trouve dans le bol en bénéficiant du mouvement d'air généré par l'injection liquide et, de plus, d'envoyer une faible quantité de carburant dans la zone de chasse afin qu'elle brûle en fin de combustion lorsque le piston descend. Dans ce mode de combustion, la fin de combustion est lente car elle dépend directement de la vitesse de descente du piston qui libère de l'espace, et par conséquent de l'air, pour faire brûler le carburant injecté dans la zone de chasse. De ce fait, la quantité de carburant maximale à injecter, qui détermine la puissance maximale du moteur, est directement limitée par la rapidité de la fin de combustion. En effet, plus la combustion est lente et plus la fin de combustion a lieu tardivement dans la détente. Ceci a pour conséquence d'augmenter la température d'échappement, ce qui constitue une des contraintes majeures dans cette recherche de meilleure efficacité du moteur. In a conventional combustion mode, the liquid fuel directly hits the lip, and the lip separates the fuel injected into two streams: a first stream to the bowl and another stream to the hunting area. This interaction between the injection of liquid fuel and the lip is the major problem in the search for the best performance of the diesel engine. The underlying principle of this research is to make maximum use of the air in the bowl by benefiting from the air movement generated by the liquid injection and, moreover, to send a small amount of fuel into the bowl. the flushing zone so that it burns at the end of combustion when the piston goes down. In this mode of combustion, the end of combustion is slow because it depends directly on the rate of descent of the piston which releases space, and therefore air, to burn fuel injected into the hunting area. As a result, the maximum amount of fuel to be injected, which determines the maximum power of the engine, is directly limited by the speed of the end of combustion. Indeed, the more the combustion is slow and the more the end of combustion takes place late in the relaxation. This has the effect of increasing the exhaust temperature, which is one of the major constraints in this search for better engine efficiency.
La problématique de conception de la géométrie du piston pour moteur Diesel réside dans le fait que l'on ne dispose que d'une seule géométrie pour assurer les prestations de performances à pleine charge d'une part et les prestations de consommation et/ou d'émissions polluantes à charge partielle d'autre part. Or ces prestations sont antagonistes d'un point de vue de la combustion sauf pour la performance et la consommation. The design problem of piston geometry for diesel engines lies in the fact that only one geometry is available to ensure full performance performance on the one hand and consumption and / or maintenance services on the other. pollutant emissions at partial load on the other hand. However, these services are antagonistic from a combustion point of view except for performance and consumption.
Le document EP1983168A1 décrit une structure de chambre de combustion pour un moteur Diesel à injection directe, laquelle structure présente une cavité sur la surface supérieure du piston. La cavité est de forme concave de façon à fournir une grande partie de la chambre de combustion. Le carburant est injecté à partir du centre de la partie supérieure du cylindre dans la périphérie interne de la cavité pour une combustion instantanée. Une dépression est formée à la périphérie externe de la cavité et est décalée vers le bas par rapport à la surface supérieure du piston pour fournir une sorte de marche. La dépression a un fond, dont la périphérie externe remonte graduellement radialement vers l'extérieur selon une surface de profil curviligne jusqu'à la surface supérieure du piston. La lèvre d'admission est formée dans une zone légèrement inférieure au plan de la surface supérieure du piston par la périphérie interne du fond de la dépression et une paroi de la chambre de combustion interne s'élevant à partir du fond de la cavité. EP1983168A1 discloses a combustion chamber structure for a direct injection diesel engine, which structure has a cavity on the upper surface of the piston. The cavity is concave in shape so as to provide a large part of the combustion chamber. Fuel is injected from the center of the top of the cylinder into the inner periphery of the cavity for instantaneous combustion. A depression is formed at the outer periphery of the cavity and is offset downwardly relative to the upper surface of the piston to provide a kind of step. The depression has a bottom, whose outer periphery rises gradually radially outwards along a curvilinear profile surface to the upper surface of the piston. The intake lip is formed in a zone slightly smaller than the plane of the upper surface of the piston by the inner periphery of the bottom of the depression and a wall of the internal combustion chamber rising from the bottom of the cavity.
Le but de la présente invention est de fournir un piston pour chambre de combustion de moteur Diesel, qui permette d'améliorer l'efficacité de la combustion, et, par conséquent, la puissance maximale du moteur. The object of the present invention is to provide a piston for diesel engine combustion chamber, which allows to improve the efficiency of combustion, and therefore the maximum power of the engine.
Un autre but de la présente invention est de fournir un tel piston, qui, pour une puissance donnée, permette d'améliorer le mélange air/carburant et la vitesse de combustion, par conséquent de réduire la consommation de carburant. Another object of the present invention is to provide such a piston, which, for a given power, improves the air / fuel mixture and the combustion rate, thus reducing fuel consumption.
Enfin, c'est également un but de la présente invention, de fournir une nouvelle structure de piston, qui soit de conception et de fabrication simples, et qui soit économique. Pour parvenir à ces buts, la présente invention a pour objet un piston pour chambre de combustion de moteur Diesel, ledit piston présentant un axe central, un bol formant cavité35 et présentant une partie centrale en élévation, une partie périphérique formant un tore, caractérisé en ce que ledit bol présente une partie plane constituant le fond du bol qui entoure la partie centrale et relie ladite partie centrale à la partie périphérique. Finally, it is also an object of the present invention to provide a new piston structure, which is simple in design and manufacture, and economical. To achieve these aims, the present invention relates to a piston for a diesel engine combustion chamber, said piston having a central axis, a cavity-forming bowl and having a central portion in elevation, a peripheral portion forming a torus, characterized in that said bowl has a flat portion constituting the bottom of the bowl which surrounds the central portion and connects said central portion to the peripheral portion.
Dans une variante, l'axe central est un axe de révolution. Ainsi le piston à une surface frontale globalement invariante par toute rotation autour dudit axe de révolution. In a variant, the central axis is an axis of revolution. Thus the piston has a frontal surface globally invariant by any rotation about said axis of revolution.
Dans une autre variante, la partie plane est en forme de forme de couronne. In another variant, the flat portion is in the form of a crown.
De préférence, la partie plane présente une longueur radiale L, comptée partir de la transition avec la partie périphérique, comprise entre 5 mm et la moitié de la distance radiale D de la lèvre à l'axe du piston, soit : 5 mm < L < D/2. Preferably, the planar portion has a radial length L, counted from the transition with the peripheral portion, between 5 mm and half the radial distance D from the lip to the axis of the piston, namely: 5 mm <L <D / 2.
De préférence encore, la partie plane présente une longueur radiale constante. Dans une variante, la longueur radiale est sensiblement égal au rayon du tore de la partie périphérique. More preferably, the planar portion has a constant radial length. In a variant, the radial length is substantially equal to the radius of the torus of the peripheral portion.
Dans une variante, ledit piston comprenant une lèvre disposée à la périphérie supérieure 20 du bol, il présente une chasse inclinée dans la direction du fond du bol en allant du bord externe du piston vers la lèvre. In a variant, said piston comprising a lip disposed at the upper periphery 20 of the bowl, it has a flush inclined in the direction of the bottom of the bowl from the outer edge of the piston to the lip.
De préférence, la chasse inclinée est sensiblement plane ou présente un profil légèrement incurvé convexe. De préférence, la chasse inclinée présente une longueur radiale C comprise entre 1% et 100% de la différence entre le rayon A du piston et la distance radiale D de la lèvre à l'axe du piston, soit : 0,01 (A ù D) 5 C 5 (A ù D). Preferably, the inclined flush is substantially planar or has a slightly curved convex profile. Preferably, the inclined recess has a radial length C of between 1% and 100% of the difference between the radius A of the piston and the radial distance D of the lip to the axis of the piston, namely: 0.01 D) 5 C 5 (A ù D).
30 De préférence, la hauteur axiale H de la section d'entrée de la zone de chasse est comprise entre 101% et 400% de la hauteur axiale T de la section de sortie de la zone de chasse, soit : 1,01 T 5 H 5 4 T. Preferably, the axial height H of the inlet section of the flushing zone is between 101% and 400% of the axial height T of the outlet section of the flushing zone, ie: 1.01 T 5 H 5 4 T.
L'invention a aussi pour objet un moteur à combustion Diesel, caractérisé en ce que 35 chaque piston du moteur est du type conforme à l'invention. 25 Brève description des dessins D'autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description ci-après d'un mode particulier de réalisation, non limitatif de l'invention, faite en référence aux figures dans lesquelles : - la figure 1 représente, de manière schématique, la structure d'un piston de moteur à combustion Diesel connu de l'art antérieur, - la figure 2 représente, de manière schématique, la structure d'un piston de moteur à combustion Diesel selon la présente invention et les effets de mélange air/carburant que 10 cette structure nouvelle favorise, - la figure 3 illustre les principales cotes de la structure géométrique du piston selon l'invention. The invention also relates to a diesel combustion engine, characterized in that each piston of the engine is of the type according to the invention. BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Other features and advantages will appear on reading the following description of a particular embodiment, not limiting of the invention, with reference to the figures in which: FIG. schematically, the structure of a diesel engine piston known from the prior art, - Figure 2 shows, schematically, the structure of a diesel engine piston according to the present invention and the effects air / fuel mixture that this new structure promotes, - Figure 3 illustrates the main dimensions of the geometric structure of the piston according to the invention.
15 Description détaillée En référence au dessin de la figure 1, on a représenté la partie supérieure d'un piston de moteur à combustion Diesel. Le piston, de référence générale 1, d'axe central de révolution X, comprend, de manière classique, une cavité ou bol, de référence 2, dont la section inférieure présente un profil curviligne, et une lèvre, de référence 3, qui est située 20 à la périphérie supérieure du bol 2 et qui relie ce dernier à la surface supérieure annulaire 4 du piston, appelée aussi « chasse ». La zone comprise entre la « chasse » 4, et la surface inférieure de la culasse 6 est appelée « zone de chasse », référencée 5. Le bol 2 est centré par rapport à l'axe de révolution X et est ouvert du coté de la culasse 6. Le bol 2 comprend un bossage central 7 formant une élévation dans le bol 2. 25 L'injection de carburant liquide, illustrée par la référence C, vient impacter directement la lèvre 3, qui assure la séparation de l'injection de carburant liquide C vers le bol 2 (courant Cl) et vers la zone de chasse 5 (courant C2). DETAILED DESCRIPTION Referring to the drawing of FIG. 1, there is shown the upper portion of a diesel engine piston. The piston, of general reference 1, of central axis of revolution X, comprises, in a conventional manner, a cavity or bowl, reference 2, whose lower section has a curvilinear profile, and a lip, reference 3, which is located at the upper periphery of the bowl 2 and which connects the latter to the upper annular surface 4 of the piston, also called "hunting". The zone between the "flush" 4, and the lower surface of the yoke 6 is called "hunting zone", referenced 5. The bowl 2 is centered relative to the axis of revolution X and is open on the side of the The bowl 2 comprises a central boss 7 forming an elevation in the bowl 2. The injection of liquid fuel, illustrated by the reference C, directly impacts the lip 3, which separates the fuel injection. liquid C to the bowl 2 (Cl stream) and to the flush zone 5 (C2 stream).
30 Le principe de la présente invention est illustré par la figure 2, sur laquelle les parties sensiblement identiques à celles de la figure 1 sont désignées par les mêmes références numériques. Le piston 1 comprend également, de manière classique, un bol 2 avec une partie centrale en élévation ou bossage 7, une partie périphérique 13 en forme de tore et une lèvre 3. La forme en tore de la partie périphérique 13 conduit à ce que la lèvre 3 35 s'avance dans la direction du centre du bol 2 pour former une zone arrondies et réentrante. The principle of the present invention is illustrated in FIG. 2, in which the parts substantially identical to those of FIG. 1 are designated by the same reference numerals. The piston 1 also comprises, in a conventional manner, a bowl 2 with a central portion in elevation or boss 7, a peripheral portion 13 in the shape of a torus and a lip 3. The toroidal shape of the peripheral portion 13 leads to that the lip 3 extends in the direction of the center of bowl 2 to form a rounded and reentrant area.
Le principe de l'invention consiste à concevoir une partie plane 8 constituant le fond du bol 2 qui entoure la partie centrale 7 et relie ladite partie centrale 7 à la partie périphérique 13. Par fond on entend ici la partie le plus basse du bol 2. La partie plane 8 est horizontale, c'est-à-dire perpendiculaire par rapport à l'axe X. Elle forme autour de la partie centrale 7 une couronne. The principle of the invention is to design a flat portion 8 constituting the bottom of the bowl 2 which surrounds the central portion 7 and connects said central portion 7 to the peripheral portion 13. By bottom means here the lower part of the bowl 2 The flat portion 8 is horizontal, that is to say perpendicular to the axis X. It forms around the central portion 7 a ring.
Le jet de carburant pulvérisé dont le trajet est représenté par les flèches Fc vient impacter la lèvre 3. Une première partie du carburant entre dans le bol 2 et remonte vers le centre de la chambre, comme indiqué par les flèches Fc'. Ce faisant, le carburant peut alors brûler en s'évaporant et en se mélangeant avec l'air contenu dans le bol 2 (ce qui est illustré par les flèches Fa). The jet of pulverized fuel whose path is represented by the arrows Fc impinges on the lip 3. A first portion of the fuel enters the bowl 2 and rises towards the center of the chamber, as indicated by the arrows Fc '. In doing so, the fuel can then burn by evaporating and mixing with the air contained in the bowl 2 (which is illustrated by the arrows Fa).
La présence du fond 8 de bol plat permet de bénéficier d'une zone de combustion en tête du jet de carburant pulvérisé plus large, avec plus d'air dans le bol 2 pour améliorer le rendement de combustion donc la consommation et réduire les émissions de particules. Le fond 8 de bol plat permet également d'éviter que la partie du carburant pulvérisé remontant vers le centre de la chambre (flèches Fc') n'interagisse avec la queue du jet de carburant pulvérisé (coté convergent des flèches Fc) en retardant cette remontée au centre de la chambre. En effet le trajet en boucle du jet de carburant est plus long. Ce phénomène permet d'améliorer le rendement de combustion et de diminuer les émissions d'imbrulés et de particules en évitant les zones de forte richesse qui pourraient être créées de la rencontre de la tête et de la queue de jet de carburant pulvérisé. The presence of the flat bowl bottom 8 makes it possible to benefit from a combustion zone at the top of the larger sprayed fuel jet, with more air in the bowl 2 to improve the combustion efficiency, hence the consumption and to reduce the emissions of the fuel. particles. The flat bowl bottom 8 also makes it possible to prevent the portion of the pulverized fuel rising towards the center of the chamber (arrows Fc ') from interacting with the tail of the sprayed fuel jet (convergent side of the arrows Fc) by delaying this back to the center of the room. Indeed the loop path of the fuel jet is longer. This phenomenon makes it possible to improve the combustion efficiency and to reduce the emissions of imbrulés and particles by avoiding the areas of high richness that could be created from the meeting of the head and the tail of the sprayed fuel jet.
Le piston peut aussi comprendre une chasse inclinée 9. Ainsi, au lieu d'être horizontale, comme on peut le voir sur la figure 1, la partie radiale de la surface supérieure du piston, qui relie la lèvre 3 au bord périphérique externe du piston et délimite la nouvelle zone de chasse 5', est inclinée par rapport à l'horizontale dans la direction du fond du bol 2 en allant du bord externe du piston vers la lèvre 3. Une seconde partie du carburant entre dans la zone de chasse 5'. L'inclinaison de la chasse 9 permet d'améliorer l'entraînement d'air. Le carburant peut alors brûler, en se mélangeant avec de l'air contenu dans la zone de chasse 5' (ce qui est illustré par les flèches Fd). La chasse inclinée 9 est sensiblement plane ou peut présenter un profil légèrement incurvé convexe. The piston may also comprise an inclined recess 9. Thus, instead of being horizontal, as can be seen in FIG. 1, the radial part of the upper surface of the piston, which connects the lip 3 to the outer peripheral edge of the piston and delimits the new flushing zone 5 ', is inclined with respect to the horizontal in the direction of the bottom of the bowl 2 from the outer edge of the piston to the lip 3. A second portion of the fuel enters the hunting zone 5 . The inclination of the flush 9 improves the air entrainment. The fuel can then burn, by mixing with the air contained in the hunting zone 5 '(which is illustrated by the arrows Fd). The inclined flush 9 is substantially planar or may have a slightly curved convex profile.
La chasse inclinée 9 ne couvre pas toute la surface haute du piston. Pour des raisons de tenue mécanique, la chasse inclinée 9 est terminée sur la périphérie externe du piston par une partie plane sensiblement horizontale de référence 10. The inclined flush 9 does not cover the entire upper surface of the piston. For reasons of mechanical strength, the inclined flush 9 is terminated on the outer periphery of the piston by a substantially horizontal plane reference portion 10.
En référence à la figure 3, la géométrie du piston selon l'invention est mieux définie grâce aux cotes A, D, L, H, T, C, R dans lesquelles : - A est le rayon du piston 1, - D la distance radiale de la lèvre 3 au centre X du piston 1, - L est la longueur radiale du fond 8 plat, - H est la hauteur axiale de la section d'entrée de la zone de chasse 5', - T est la hauteur axiale de la section de sortie de la zone de chasse 5', - C est la longueur radiale de la chasse inclinée 9, - R est le rayon du tore de la partie périphérique du bol. With reference to FIG. 3, the geometry of the piston according to the invention is better defined thanks to the dimensions A, D, L, H, T, C, R in which: - A is the radius of the piston 1, - D the distance radial of the lip 3 at the center X of the piston 1, - L is the radial length of the flat bottom 8, - H is the axial height of the inlet section of the hunting zone 5 ', - T is the axial height of the exit section of the hunting zone 5 ', - C is the radial length of the inclined flush 9, - R is the radius of the torus of the peripheral portion of the bowl.
Selon la présente invention, la longueur radiale L du fond plat 8 du bol 2 peut varier de 5 mm à la moitié de D la distance radiale de la lèvre 3 au centre X du piston 1, soit : According to the present invention, the radial length L of the flat bottom 8 of the bowl 2 may vary from 5 mm to half of D the radial distance from the lip 3 to the center X of the piston 1, namely:
5mm<L<D/2 En effet au-delà de D/2, la pente de l'élévation centrale 7 est trop raide ce qui ne permet au jet de carburant pulvérisé d'aller chercher l'air au centre de la chambre. Le choix de la distance L minimum est guidé par le besoin de laisser au jet de carburant suffisamment d'espace pour s'évacuer par le fond de bol. 20 De préférence, la partie plane 8 présente une longueur radiale L constante. 5mm <L <D / 2 Indeed beyond D / 2, the slope of the central elevation 7 is too steep which allows the jet of fuel sprayed to fetch air in the center of the room. The choice of the minimum distance L is guided by the need to leave the jet of fuel enough space to escape through the bottom of the bowl. Preferably, the planar portion 8 has a constant radial length L.
Il est apparu que choisir la distance radiale L sensiblement équivalente au rayon R du tore de la partie périphérique 13 représentait un bon compromis de conception. It has been found that choosing the radial distance L substantially equivalent to the radius R of the torus of the peripheral portion 13 represents a good compromise of design.
La longueur radiale L est ici comptée à partir de la transition 11 entre la partie périphérique en forme de tore et la partie plane 8. L'élévation centrale 7 présente donc une longueur radiale Z déterminée par la distance radiale entre l'axe de révolution X et la transition 12 avec la partie plane 8. The radial length L is here counted from the transition 11 between the toroidal peripheral portion and the flat portion 8. The central elevation 7 thus has a radial length Z determined by the radial distance between the axis of revolution X and the transition 12 with the flat part 8.
Selon la présente invention également, la longueur radiale C de la chasse inclinée 9 peut être comprise entre 1% et 100% de la différence entre le rayon A du piston et la distance radiale D de la lèvre 3 au centre X du piston, soit : 25 30 35 0,01 (A û D) 5 L 5 (A û D) Selon la présente invention également, la hauteur axiale de la section d'entrée H de la zone de chasse Z' peut être comprise entre 101% et 400% de la hauteur axiale de la section de sortie T de la zone de chasse Z', soit 1,01T5H54T According to the present invention also, the radial length C of the inclined flush 9 may be between 1% and 100% of the difference between the radius A of the piston and the radial distance D of the lip 3 at the center X of the piston, namely: According to the present invention also, the axial height of the inlet section H of the hunting zone Z 'can be between 101% and 400%. % of the axial height of the outlet section T of the hunting zone Z ', namely 1.01T5H54T
Le piston de l'invention permet soit d'augmenter la performance maximale du moteur, soit de réduire la consommation de carburant, par conséquent les émissions de CO2 du moteur. La Demanderesse a effectué des calculs 3D en combustion diesel et des essais sur un moteur Diesel conforme à la présente invention, et ces essais ont montré un gain en performances de 2% par rapport aux moteurs Diesel à bol de forme classique connus de l'art antérieur. The piston of the invention makes it possible either to increase the maximum performance of the engine, or to reduce the fuel consumption, hence the CO2 emissions of the engine. The Applicant has carried out 3D computations in diesel combustion and tests on a diesel engine according to the present invention, and these tests have shown a performance gain of 2% compared to conventional bowl-shaped diesel engines known in the art. prior.
Le piston de l'invention permet également de réduire les émissions de particules et d'imbrulés sur des points de fonctionnement chargés. The piston of the invention also reduces particulate and unburned emissions at charged operating points.
Le mode de réalisation décrit aux figures 2 et 3 n'est aucunement limitatif, Selon une variante, le piston peut comprendre une chasse horizontale. The embodiment described in Figures 2 and 3 is in no way limiting. Alternatively, the piston may comprise a horizontal flush.
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