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Chambre de combustion de moteur à combustion interne.
La présente invention se rapporte à des chambres de combustion creusées dans des culasses de cylindres de moteurs à combustion interne à soupapes latérales, per- mettant d'augmenter le rendement de ces moteurs qui peut alors être égal et même supérieur au rendement normal des
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moteurs à soupapes en tête actuellement connus.
Jusqu'à ce jour, il était admis de façon générale qu'un haut rendement ne pouvait être obtenu qu'avec un mo- teur à soupapes en tête, et en pratique le rendement de ces derniers était nettement supérieur à celui des moteurs à soupapes latérales.
Toutefois, même dans les moteurs à soupapes en tête, il n'a pas été possible d'augmenter le rendement en proportion d'une augmentation quelconque donnée du taux de compression et donc de réaliser pratiquement l'augmentation de rendement qui avait été déterminée par calcul. Il semble que cette insuffisance de rendement ou mieux que la différen- ce entre la puissance obtenue et la puissance calculée provient uniquement du fait que la combustion est incomplète.
Comme la manière dont s'effectue la combustion est directe- ment dépendante de l'homogénéité du mélange air-combustible en ce qui concerne sa constitution et sa température, il est essentiel pour obtenir une bonne combustion, que cette homogénéité s'étende à travers toute la chambre de com- bustion.
Dans les moteurs à soupapes en tête et à soupapes latérales de tous genres connus, y compris les moteurs Diesel, la forme de la chambre de combustion dans la culasse du cylindre est toutefois telle, qu'en fin de course de compression, l'épaisseur du volume de gaz, de mélange com- bustible, ou d'air dans le cas de moteurs Diesel, est ré- duite dans de telles proportions qu'une quantité excessive
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de chaleur est dissipée par radiation à partir du milieu de la charge et, comme suite au manque d'homogénéité qui en résulte, la combustion ne s'effectue que lentement.
On sait que la combustion est initiée de préféren- ce dans la partie la plus chaude de la charge et s'étend à partir de celle-ci à toute la chambre. Pour cette raison, le point d'allumage a souvent été disposé au-dessus ou près de la soupape d'échappement. Cette disposition n'est toute- fois pas désirable, car dans la zone environnant la soupape d'échappement les variations de températures sont considéra- bles et non contrôlables.
La présente invention concerne des améliorations apportées aux chambres de combustion de moteurs à soupapes latérales, tenant compte des défauts précités et grâce aux- quelles l'homogénéité de la charge combustible à travers toute la chambre de combustion peut être atteinte au moment de l'allumage et grâce auxquelles le point d'allumage peut être disposé en un endroit où se trouve une masse turbulante chaude de la charge, non sujette à des variations considérab- les et quelconques de température de sorte que la combustion s'effectue dans les conditions les plus favorables, ce qui permet d'obtenir un très haut rendement qui peut même être supérieur à celui obtenu normalement avec des moteurs à soupapes en tête connus.
La présente invention a pour objet une chambre de combustion de moteur à combustion interne à soupapes latérales, conformée de façon que sa projection sur un plan perpen-
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diculaire à l'axe du cylindre ait la forme d'un triangle à angles arrondis, l'un de ces angles recouvrant en partie la projection sur ce même plan de la section droite du cylindre et les projections des/lumières d'admission et d' échappement étant disposées dans les deux autres angles, cette chambre comportant une zone principale de plus grande profondeur située au-dessus de la soupape d'admission et du piston et une autre zone de profondeur moindre située au-dessus de la soupape d'échappement.
Cette chambre de combustion tend à éliminer les inconvénients cités par le fait que la profondeur de la zone principale croît progressivement en allant de la partie située au-dessus de la soupape d'admission jusqu'à un point situé au-dessus du piston, la jonction entre le fond de cette zone principale et celui de la zone de moins grande profondeur étant constituée par des surfaces inclinées intermédiaires, raccordées par des courbes aux parois for- mant la surface des deux zones, l'ouverture de la bougie étant située dans ces surfaces intermédiaires pour per- mettre deplacer le point d'allumage sensiblement au centre de la chambre à combustion.
La section horizontale de la chambre dans le plan du joint peut présenter sensiblement la forme d'un triangle équilatéral, dont les coins sont arrondis, les zones respectives étant situées chacune à proximité des angles du triangle, le point d'allumage étant sensiblement en son centre.
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Une section à travers les deux zones situées au-dessus de la soupape d'admission et du piston, sensible- ment perpendiculaires à un plan médian passant par la soupape d'échappement et passant entre les deux dites zones, peut être sensiblement triangulaire, la base de ce triangle étant située sur la ligne de la face du joint et le sommet du triangle étant situé au-dessus du piston, de sorte que la plus froide de ces deux zones, située au- dessus du piston, est sujette à de moindres pertes par rayonnement, les deux dites zones se raccordant graduelle- ment l'une avec l'autre.
L'épaisseur du métal au-dessus de la soupape d'échappement peut être supérieure à celle du reste de la chambre à combustion de façon à permettre une plus grande dissipation de chaleur par rayonnement de la partie la plus chaude de la chambre, constituée par la zone située à proximité de la soupape d'échappement.
Une plus grande dissipation de chaleur peut être prévue au-dessus de la zone de la soupape d'échappement par une augmentation du volume du liquide de refroidissement ou du débit du liquide de refroidissement, au travers de la culasse dans cette zone.
Le côté du triangle adjacent aux soupapes peut être incurvé intérieurement vers le centre de la chambre à combustion en un point situé sensiblement sur la ligne médiane passant entre les deux soupapes et de chaque côté
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de ce point.
Les portions des parois latérales entourent les soupapes d'admission et d'échappement peuvent être disposées excentriquement par rapport à ces soupapes de telle façon que-la distance entre le bord de la soupape et la paroi de la chambre croisse rapidement à partir d'un point situé derrière la soupape, vers les parties de la chambre surmontant le cylindre.
La profondeur de la chambre entre le bord de la soupape d'admission et la paroi de la chambre, pour un point situé approximativement à 90 du plan passant par 1' axe de la soupape et l'axe du cylindre peut.être d'au moins 10 % plus grande que la course de la soupape.
Une barrière peut être formée entre la zone de plus grande hauteur au-dessus du cylindre et la zone de moindre hauteur au-dessus de la soupape d'échappement, dans le but de réduire le volume de la charge à proximité de la soupape d'échappement, réduisant ainsi la quantité de chaleur libérée dans cette zone pendant la combustion; de permettre une réduction de la surface du cylindre exposée à la température de la charge et d'augmenter l'épaisseur de la charge dans les zones où cela est désiré.
La dite barrière peut être constituée de façon à former un passage de section suffisante, pour détendre la pression qui peut exister dans la zone au-dessus de la
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soupape d'échappement pendant la partie initiale de la combustion, de manière à créer un mouve- ment sur la couche mince au-dessus du piston qui peut être à l'état stagnant.
Le dessin annexé représente schématique- ment, à titre d'exemples, deux formes d'exécution de l'objet de la présente invention.
La fig. 1 est une cupe verticale, suivant la ligne I-I de la fig. 2, montrant une chambre de combustion conforme à l'objet de l'invention;
La fig. 2 est une coupe en plan correspon- dant à la fig. 1;
La fig. 3 est une coupe verticale, suivant la ligne II-II de la fig. 2;
La f ig. 4 est une section verticale suivant la
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ligne IV-IV de la fig. 5 ; La. fig. 5 est une vue en plan montrant une chambre de combustion semblable à celle représentée aux fig. 1 et 2;
La fig. 6 est une section verticale suivant la ligne VI-VI de la fig. 5;
La fig. 7 est une section verticale suivant la ligne VII-VII de la fig. 5 ;
La fig. 8 est une section verticale suivant la ligne VIII-VIII de la fig. 9 ;
La fig. 9 est une vue en plan montrant une chambre de combustion perfectionnée ;
La fig. 10 est une section verticale suivant la ligne X-X de la fig. 9 ;
La fig. Il est une section verticale suivant la ligne XI-XI de la fig. 9.
Dans la description qui suit, par le terme "la partie effective de la chambre de combustion", on entend la partie principale dans laquelle la compression a lieu, qui, pour le cas de cette description est sensée comprendre seulement la partie ayant une profondeur appréciable, étant entendu qu'une partie du piston est recouverte par la culasse du cylindre avec un jeu minima, lorsque le piston se trouve au point mort supérieur, cette dernière partie n'étant pas comprise dans la définition donnée ci-dessus.
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En référence à la vue en plan de la fig. 2, une chambre de combustion 10 formée dans la culasse 11 sur un bloc-cylindre 12, peut d'une manière générale être divisée en trois zones de différentes profondeurs, une première zone F s'étendant au-dessus d'un secteur du piston 18, une seconde zone A s'étendant au-dessus de la soupape d'admission 13 et se fondant avec la première zone F (voir fig. 3), tandis qu'une troisième zone s' étend au-dessus de la soupape d'échappement 14 et de la partie du bloc-cylindre adjacente à cette dernière.
Suivant la fig. l, on remarque que la section à travers les deux zones A et!, suivant un plan pratique- ment à angle droit, par rapport à une ligne médiane, pas- sant sur une soupape d'échappement 14 entre les deux dites zones, est approximativement triangulaire, la base du triangle étant située le long de la trace de ce plan sur le plan dans lequel se trouve le joint de la culasse, et le sommet du triangle correspondant à la partie la plus profonde de la chambre se trouvant dans la zone F située au-dessus du piston, de sorte que la plus froide F de ces deux zones qui est située au-dessus du piston est sujette à une moindre perte de chaleur par dispersion. La culasse est d'autre part formée de telle manière que les deux zones sus-mentionnées se fondent l'une dans l'autre.
Comme représente plus particulièrement à la fig.
1, la seconde zone A qui s'étend u-dessus de la soupape
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d'admission 13, est de plus grande profondeur que la troisième zone E s'étendant au-dessus de la soupape d' échappement 14-. Comme représenté à la fig. 2, la chambre 10 présente en plan la forme générale d'un triangle sensi- blement équilatéral, le long des côtés duquel sont disposées les soupapes 13 et 14.
Les angles de ce triangle équilatéral sont arrondis et les zones respectives A,F E sont logées chacune au-dessus de l'un des angles du triangle ; point d'allumage étant situé au-dessus de la zone centrale du triangle.
Comme représenté à la fig. 3, la première zone F de la chambre, s'étendant au-dessus du cylindre est de plus grande profondeur que la zone A, la profondeur augmentant progressivement le long d'un axe passant par la soupape d'admission et le piston au fur et à mesure que les zones se fondent l'une dans l'autre.
La section de la partie située au-dessus de la scupape d'échappement, de profondeur plus faible que la zone A, augmente de manière similaire en profondeur jusqu'à un maximum au-dessus du cylindre comme représenté à la fig. 3.
De plus, en vue d'éviter la tendance à la détona- tion, la profondeur de la zone E de la chambre de combustion augmente vers les zones A et F qui sont de plus grande profondeur. Ainsi, une coupe suivant la ligne III-III, pas- sant par l'axe de la soupape 14 et un point Y, présente une section de la zone E légèrement décroissante vers l'extérieur.
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Cette augmentation de profondeur est d'au moins 10%. Le point Y partage la partie de la paroi du cylindre comprise entre les points G,H, approximativement en parties égales.
Comme indique à la fig. 1, le fond de la zone E est relié au fond des zones A et ! par des plans inclinés intermédiaires et des arrondis.
La réduction de profondeur de la chambrede com- bustion au-dessus de la soupape d'échappement réduit ainsi l'épaisseur de la couche gazeuse au-dessus de cette dernière, afin d'assurer une dispersion maxima de chaleur de cette couche, par radiation à la culasse 11. La profondeur de 1' espace au-dessus de la soupape d'échappement est de pré- férence réduite, de manière à laisser seulement l'espace nécessaire pour soulever la soupape et, en vue de favoriser une dispersion maxima de chaleur par radiation dans cette partie (dans le cas d'une culasse refroidie à l'air), la paroi de la culasse située immédiatement au-dessus de la soupape d'échappement est prévue plus épaisse que les autres parties de la culasse, ce qui assure un meilleur écoulement de la chaleur vers les ailettes, ou, dans le cas d'une culasse à refroidissement d'eau,
il est prévu à cet endroit un plus grand volume, ou courant d'eau.
La relation entre la profondeur des zones A,F et E est telle que la déperdition de chaleur par radiation dans les sections respectives est réglée de façon à assurer au moment de l'allumage, sensiblement une même température dans tout le volume de la chambre de combustion. Ainsi dans
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la partie dans laquelle une perte de chaleur minima par radiation est nécessaire, c'est-à-dire au-dessus du cy- lindre 16, la chambre de combustion présente une grande profondeur.
Ainsi la partie pour laquelle la moindre perte de chaleur par radiation est nécessaire,c'est-à-dire pour la partie! située au-dessus du cylindre 16,la chambre de combustion présente une profondeur maxima.
Cette forme de la chambre de combustion permet au mélange entrant pendant la course d'admission du piston, d'entrer avec un minimum de contact avec les parois chaudes de la chambre d'une part, et de renforcer la turbulence du mélange pendant la course de compression d'autre part.
Grâce à cette forme de la chambre de combustion, il est possible, tout en gardant le même taux de compression, de diminuer encore la radiation de chaleur vers la culasse à partir du centre de la charge, en augmentant l'épais- seur de la couche du mélange compressé au-dessus du piston en fin de course de compression, et ceci sans entraver 1' entrée du mélange dans le cylindre lors de la course d' admission du piston.
Il est donc possible, grâce à cette forme de chambre de combustion, d'augmenter encore le rendement d'un moteur à soupapes latérales, car l'échauffement de la charge entrante est diminué jusqu'à un minimum tandis que la déperdition de chaleur pendant la compression et la combustion est aussi faible que possible. De plus, par
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une variation de la profondeur des différentes parties déterminée en fonction de la quantité de chaleur à évacuer par radiation par chacune d'entre elles, on obtient au moment de l'allumage une température sensible- ment homogène à travers toute la chambre de combustion.
Cettehomogénéité de température ainsi que celle de la composition du mélange étant favorisée par la turbulence créée grâce à la forme donnée à la chambre et aux différences de températures existant pendant 1' admission et la compression entre les différentes parties formant la chambre de combustion.
La disposition des zones (A,F et E) de différen- tes profondeurs permet de créer pendant la course de com- pression une turbulence dans la chambre, en favorisant une circulation des gaz sous pression d'une partie de la chambre à l'autre. Cette turbulence est accentuée par les différences de température considérables existant entre les températures régnant dans ces différentes parties au cours des courses de compression et d'admission de la charge. L'effet de turbulence est d'autre part encore augmenté par la disposition du passage d'admission libre constitué par les zones A et ! et qui tend à diriger la charge vers la soupape d'admission pendant la course de compression.
Grâce à cette turbulence, il est possible d'obte- nir au moment de l'allumage un mélange qui est homogène
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dans ses parties constitutives, et grâce au réglage de la déperdition de chaleur de la charge par radiation vers la culasse de la manière décrite ci-dessus, on obtient un mélange dont la température au moment de l'allumage est sensiblement la même à travers toute la chambre de combustion.
Le but de la présente invention est de créer une masse turbulente de gaz chauds dans la partie cen- trale de la chambre de combustion et que cette masse ne soit sujette ni à des variations considérables de température ni à des pertes sensibles de chaleur par radiation, ainsi que cela serait le cas si cette masse turbulente pouvait s'étendre jusqu'à la région située au-dessus de la soupape d'échappement. Le point d' allumage peut alors être placé dans la zone cen- trale de la chambre de combustion, par exemple au point X.
A cet effet, l'ouverture destinée à recevoir la bougie est prévue dans les plans inclinés reliant les fonds des zones A-F au fond de la zone E. Ainsi la combustion est initiée dans la zone centrale de la charge et se propage effectivement dans toute la chambre de combustion, étant entendu que le point 2 est situé à des distances sensiblement égales de toutes les parties des parois de la chambre de combustion. La forme sensiblement triangu- laire de la chambre de combustion permet de restreindre la charge comprimée dans un espace tel, qu'une réparti- tion homogène de celle-ci et donc sa combustion complète
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soit assurée.
Comme représenté à la fig. 2, les soupapes sont disposées excentriquement par rapport aux parois de la chambre de combustion. L'excentricité augmentant progressivement de l'arrière de la chambre, c'est-à-dire des points C et D, en particulier du côté de la soupape d'admission 13. Le profil est déterminé en fonction du trajet de la soupape et est tracé de façon à permettre à la charge de passer dans le cylindre avec un minimum de contact avec des parois chaudes en vue d'éviter un échauffement de la charge entrante.
Pour obtenir des résultatsqptima, les dimensions de la section de la chambre de combustion entre le bord de la soupape et la paroi de la chambre prises suivant un angle de 90 par rapport au plan passant par les axes du cylindre et la soupape d'admission, doivent être d'au moins 10% supérieures au trajet de la soupape.
La profondeur de la chambre de combustion au- dessus de la soupape d'échappement est de préférence ré- duite à un minimum de manière à assurer le maximum de déperdition de chaleur par radiation à cet endroit, tandis que l'augmentation de profondeur des autres parties de la chambre permet d'une part de ménager un espace d' admission pratiquement libre, de façon que la charge entrante soit admise avec un échauffement minima par le fait qu'elle est soustraite presque entièrement
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à la radiation de la soupape d'échappement et des parties chaudes adjacentes à celles-ci, et d'autre part de ré- duire la déperdition de chaleur pendant la course de compression à un minimum.
Le refroidissement de la sou- pape d'échappement a lieu au cours de la course de com- pression, lorsque la turoulence s'étaolit, par le fait que la mélange froid est forcé dans l'espace situé au- dessus de la soupape d'échappement.
Par contre, l'échauffement minima de la soupape d'échappement est obtenu d'une part en la disposant excen- triquement par rapport aux parois de la chambre, et d'autre part en augmentant son refroidissement au moyen d'une radiation de chaleur augmentée de la zone l'environnant, ainsi qu'il a été décrit.
En proportionnant exactement les dimensions des différentes zones de la chambre de combustion, en choisie- sant leurs formes ainsi que l'emplacement des soupapes, il '-est possible d'obtenir un échauffement minimum de la charge entrante tout en maintenant une température suf- fisante dans la partie effective de la chambre de com- bustion, afin d'obtenir au moment de l'allumage une température homogène à travers toute la chambre favorable à un haut rendement du moteur.
Pour arriver à ce résultat, il est même avan- tageux d'éviter le refroidissement des parois de la zone
A, en diminuant la circulation d'eau autour de cette partie dans les moteurs à refroidissement à eau.
De ce qui précède, il ressort que l'objet de lt
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invention englobe le façonnage de la chambre de com- bustion afin de suffire aux différentes exigences condi- tionnant un haut rendement et en particulier l'admission de la charge à l'état aussi froid que possible établissant subséquemment une turbulence effective de la charge et donc une homogénéité de celle-ci au moment de l'allumage, aussi bien en ce qui concerne sa constitution que sa température dans toute la chambre de combustion et ce à toutes les vitesses de travail.
Une forme d'exécution de l'objet de la présente invention adaptée à un moteur à explosion a été décrite à titre d'exemple, mais il est entendu qu'il est possible de l'adapter , suivant les mêmes considérations, à tous genres de moteurs à combustion interne.
Dans les fig. 4 à 11 on admet que la hauteur de la chambre de combustion y compris l'épaisseur du joint qui peut être utilisé, est prise comme altitude du point cor- respondant d'une surface topographique représentative au- dessus d'un plan de référence horizontal. La surface topographique ainsi définie peut être différente de la portion de la surface de la chambre de combustion con- stituée par ce qu'on appelle communément la culasse.
Il en est ainsi, en particulier, pour les points situés au-dessus des soupapes, si la tête decelles-ci est bombée, ou si elle n'est pas à fleur de la face supérieure du bloc cylindrique.
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Les chiffres désignant les différentes courbes de niveau n'ont qu'une signification r elative . On peut dire par exemple qu'entre tout point de la courbe 6 et tout point de la courbe 4, il y a la même différence d' altitude qu'entre un point de la courbe 3 et un point de la courbe 1.
De plus, pour l'étude de déplacements trans- versaux de la charge où il s'agit de comparer la section d'un passade avec celle d'un autre passage, le rapport des altitudes est utile.
Dans le but de simplifier le présent exposé, la position de la bougie n'a pas été indiquée.
En référence à la fig. 5, la chambre de com- bustion peut être divisée grosso modo en trois zones de hauteurs différentes, c'est-à-dire que la surface topo- graphique est divisée en trois zones d'altitudes dif- férentes. En plus de ces trois zones: F au-dessus du piston,! au-dessus de la soupape d'admission et E au-dessus de la soupape d'échappement, un point B a été indiqué pratiquement à mi-chemin entre F et E et un point 2 sensiblement à mi-chemin entre A et!, de façon à faciliter la comparaison entre l'exemple représenté par les figures 1 à 4 et l'exemple représenté par les figures 5 à 8.
Les figures 4, 6 et 7 peuvent être utilisées paur en déduire facilement le rapport des hauteurs des passages
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en E, C et A, en A et F, et en B et E respectivement, laissés libres pour des mouvements transversaux de la charge.
En référence.à la vue en plan de la figure 6 et en comparaison avec la figure 2, la similitude et les différences apparaissent clairement:
1) La courbe 0 est pratiquement la même dans les deux cas, c'est-à-dire qu'elle a sensiblement la forme d'un triangle équilatéral à coins arrondis, avec cette exception que la fig. 2 indique une légère incurvation vers 1' intérieur du triangle sur le côté E-A tandis que la fig.
6 ne présente pas une telle incurvation.
2) Les courbes 1,2 et 3 de la fig. 9 présentent une incurvation entre E et F qui n'existe pas dans la f ig. 5.
De fait, en admettant entre les courbes une équidistance de 1, l'altitude de B est de 0. 5 dans la f ig.
9, tandis qu'elle est de 3,5 dans la fig. 5.
3) Le point F au-dessus du cylindrea une altitude de
9. 5 dans la fig. 9, tandis qu'elle est de 7. 5 dans la fig.
5.
En comparant les fi.ll et 7, on voit que la fig. 11 est une exagération de la fig. 7, consistant non seulement en une augmentation de l'altitude en F de 7. 5 à 9.5, mais encore en l'introduction d'une barrière en B, causant un changement marqué dans le mouvement de la @
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charge entre E et F dans les deux sens. De fait, le rapport F/B a la valeur 9. 5/0.5= 19 pour la fig. 9, tandis qu'il a la valeur 7. 5/3.5 = 2.1 pour la fig. 5.
Le but de cette barrière ou paroi est: a) de réduire le volume de la charge à proximité de la. soupape d'échappement, réduisant de ce fait la quantité de chaleur libérée dans cette région pendant la combustion; b) de permettre la réduction de la surface du cylindre exposée à la température initiale de combustion de la charge; c) de permettre, sans entraîner une réduction du rap- port de compression, d'augmenter la hauteur de la charge.
Cette barrière peut être en contact direct avec la paroi opposée à celle avec laquelle elle fait corps.
De plus, la dite barrière permet de créer un passage de section suffisante pour détendre la pression qui peut exister dans la zone située au-dessus de la soupape d'échappement dans la première partie de la période de combustion de façon à créer un mouvement au- dessus de la couche mince sur le piston, qui peut se trouver à l'état stagnant.
L'augmentation de l'altitude en F produit une diminution de la surface de paroi par unité de volume de la charge dans cette zone, conduisant à une réduction de la quantité de chaleur transmise en perte aux parois en cet endroit, et à une réduction de la période de combustion
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améliorant le rendement du moteur.
Enfin, on sait que les culasses de cylindres à soupapes latérales sont sujettes à des déformations.
La présence de la barrière ci-dessus permet l'introduction à cet endroit d'un goujon ou d'un boulon consolidant la fixation de la culasse.