EP2542764A1 - Culasse de moteur a combustion interne - Google Patents

Culasse de moteur a combustion interne

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EP2542764A1
EP2542764A1 EP11712907A EP11712907A EP2542764A1 EP 2542764 A1 EP2542764 A1 EP 2542764A1 EP 11712907 A EP11712907 A EP 11712907A EP 11712907 A EP11712907 A EP 11712907A EP 2542764 A1 EP2542764 A1 EP 2542764A1
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internal combustion
combustion engine
cylinder
cylinder head
bridge
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Cyril Reaubourg
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PSA Automobiles SA
GM Global Technology Operations LLC
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Peugeot Citroen Automobiles SA
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Publication date
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    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F1/00—Cylinders; Cylinder heads 
    • F02F1/24—Cylinder heads
    • F02F1/42—Shape or arrangement of intake or exhaust channels in cylinder heads
    • F02F1/4235—Shape or arrangement of intake or exhaust channels in cylinder heads of intake channels
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01L—CYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
    • F01L1/00—Valve-gear or valve arrangements, e.g. lift-valve gear
    • F01L1/26—Valve-gear or valve arrangements, e.g. lift-valve gear characterised by the provision of two or more valves operated simultaneously by same transmitting-gear; peculiar to machines or engines with more than two lift-valves per cylinder
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01L—CYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
    • F01L3/00—Lift-valve, i.e. cut-off apparatus with closure members having at least a component of their opening and closing motion perpendicular to the closing faces; Parts or accessories thereof
    • F01L3/22—Valve-seats not provided for in preceding subgroups of this group; Fixing of valve-seats
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01L—CYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
    • F01L3/00—Lift-valve, i.e. cut-off apparatus with closure members having at least a component of their opening and closing motion perpendicular to the closing faces; Parts or accessories thereof
    • F01L3/24—Safety means or accessories, not provided for in preceding sub- groups of this group
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    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F1/00—Cylinders; Cylinder heads 
    • F02F2001/008—Stress problems, especially related to thermal stress
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F1/00—Cylinders; Cylinder heads 
    • F02F1/24—Cylinder heads
    • F02F2001/248—Methods for avoiding thermal stress-induced cracks in the zone between valve seat openings

Definitions

  • the present invention relates to a cylinder head of an internal combustion engine.
  • valve seats of a motor cylinder head by inserting by shrinking in housings provided for this purpose in the cylinder head of the reported cast steel or sintered seats.
  • the seats are pushed into their homes.
  • the fitting force is important, between 200 daN and 500 daN, and it spreads around the housing on a relatively small contact surface.
  • the installation of a seat therefore induces significant stresses on the contact surface between the seat and the housing and, consequently, on the area of the trigger guard, that is to say in the narrow zone between two seats of the seat. valve or between a valve seat and the opening opening of a precombustion combustion engine.
  • jumpers are located in the part of the cylinder head subjected to the highest temperatures. They are subjected to cycles of heating and cooling at each cycle of operation of the engine. These are fragile areas, more heated than the surrounding areas, which are more massive and better cooled during engine operation.
  • the document FR 2,736,969 describes a cylinder head of an internal combustion engine, in particular for a motor vehicle, of the type comprising a fire surface which delimits a combustion chamber of a cylinder of the engine, of the type having at least two openings which open into the combustion chamber and which are separated by a trigger guard, and of the type in which the trigger guard comprises at least one groove formed in the fire face of the cylinder head, substantially parallel to the direction joining the axes of the orifices.
  • the groove has a reduced width relative to its depth, in particular a width less than one tenth of its depth.
  • the object of the present invention is to provide an internal combustion engine cylinder head, in which the intersope valve bridge zones and / or the zones between a valve seat and an orifice of the combustion face of the cylinder head. excellent thermomechanical behavior, that is to say practically without risk of cracking or crack initiation.
  • Another object of the present invention is to provide such a breech with excellent thermomechanical strength, which is of simple design and construction and is economical.
  • the hollow form may be a straight circular cylinder sector made by means of a circular material removal tool.
  • the present invention is advantageously applied when the bridge between the two orifices is of a width less than 2 mm before the embodiment of the hollow form.
  • At least one of the two orifices may be a valve seat housing.
  • the depth of the recessed shape is less than a determined value so that the valve seat at least does not come out of its housing a height substantially equal to or greater than one third of the height of said valve seat.
  • a trigger guard separating two exhaust valve seats, to a trigger guard separating an intake valve seat and a exhaust valve seat, with a trigger guard separating an intake or exhaust valve seat from any open orifice, for example the opening opening of a combustion chamber arranged inside the cylinder head and opening in the combustion chamber.
  • the present invention does not only concern four-valve cylinders, but can be applied to internal combustion engine cylinders having two or three valves, for example.
  • the present invention also relates to a multi-cylinder internal combustion engine, each cylinder having at least two valves, which comprises a cylinder head according to that described above in outline.
  • This internal combustion engine can be a gasoline engine or a diesel engine. It can be a two-, three- or four-cylinder engine, or even, for example, a five-cylinder in-line or "V" engine.
  • FIG. 1 schematically represents the two intake valve housings of the combustion face of a four-valve cylinder of an internal combustion engine and the narrow zone, known as a trigger guard, between the two housings;
  • FIG. 2 shows the housings of FIG. 1 with a "widened" bridge, according to the present invention
  • FIG. 3 schematically illustrates the maximum height of the hollow shape made on the bridge according to the principle of the present invention.
  • a part of the combustion face, also called fire face, of a general reference cylinder head 1 which closes the combustion chamber of a four-valve cylinder of a three-cylinder gasoline internal combustion engine.
  • the combustion face of Figure 1 is provided with two orifices, referenced generally 10 and 20, both intended to receive an intake valve seat of the fuel air mixture.
  • the orifices 50 and 60 are intended to receive, each, an exhaust valve seat and the orifice 70 opens into the combustion chamber.
  • the housing 10 and 20 delimit between them a narrow zone or "bridge" referenced 30.
  • This hollow form 32 is preferably a circular shape, specifically a straight circular cylinder sector made by means of a circular material removal tool.
  • the width of the bridge 32 between the two housing 10 and 20 of the inlet valve has been increased in this way; it has increased from 1.35 mm ("e" in FIG. 1) to 2.15 mm (“E” of FIG. 2), that is to say at a value greater than 2 mm to significantly reduce the risk of cracking and crack initiation.
  • the hollow form 32 made in the bridge 30 increases the width of the latter by about 60%.
  • This maximum thickness "H” is defined according to the architecture of the tablature face (diameter and height of the valve seats, distance between the axes of the valves, etc.).
  • the depth of the recessed shape must be less than a determined value so that the valve seats, referenced 1 1 and 21 in FIG. 3, do not come out of their housing 10 or 20 respectively. , of a height substantially equal to or greater than one-third of their height.
  • the present invention applies to cylinders of internal combustion engines having a different number of valves, namely to cylinders with two or three valves, for example.
  • the invention can be applied to all types of internal combustion engines: gasoline engines, diesel engines, two, three, four or five-cylinder engines, inline or inline cylinder engines. engines with "V" cylinders.
  • the embodiment of the invention described above relates to a four-valve cylinder, the present invention applies to cylinders of internal combustion engines having a different number of valves, namely to cylinders with two or three valves, for example.
  • the cylinder head described above by a particular example of its embodiment has the advantage of obtaining, at low cost, in a restricted environment, bridges of sufficient width to avoid cracking and crack initiation that could cause the strong thermomechanical stresses to which they are subjected.

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Abstract

La culasse comporte une face combustion qui délimite une chambre de combustion d'un cylindre du moteur. La face combustion comporte au moins deux orifices (10, 20) qui débouchent dans la chambre de combustion et qui sont séparés par une zone relativement étroite dénommée « pontet ». Il est réalisé dans le pontet une forme en creux (32) par enlèvement de matière, de manière à augmenter la largeur du pontet et, en conséquence, à renforcer la tenue thermomécanique du pontet. Véhicules automobiles. Culasses de moteurs à combustion interne. Culasses de moteurs à combustion interne à trois cylindres essence.

Description

CULASSE DE MOTEUR A COMBUSTION INTERNE.
[0001 ] La présente invention revendique la priorité de la demande française 1051598 déposée le 05 Mars 2010 dont le contenu (texte, dessins et revendications) est ici incorporé par référence.
[ooo2] La présente invention concerne une culasse de moteur à combustion interne.
[ooo3] De manière classique, on fabrique les sièges de soupape d'une culasse de moteur en insérant par frettage dans des logements ménagés à cet effet dans la culasse des sièges rapportés en acier coulé ou fritté. Les sièges sont emmanchés en force dans leurs logements. L'effort d'emmanchement est important, entre 200 daN et 500 daN, et il se propage autour du logement sur une surface de contact relativement faible. La mise en place d'un siège induit donc des contraintes importantes sur la surface de contact entre le siège et le logement et, par conséquent, sur la zone du pontet, c'est-à-dire dans la zone étroite entre deux sièges de soupape ou entre un siège de soupape et l'orifice débouchant d'une préchambre de combustion du moteur.
[ooo4] Il importe de noter que les pontets se situent dans la partie de la culasse soumise aux plus hautes températures. Ils sont soumis à des cycles d'échauffement et de refroidissement à chaque cycle de fonctionnement du moteur. Ce sont des zones fragiles, davantage chauffées que les zones avoisinantes, qui sont plus massives et mieux refroidies lors du fonctionnement du moteur.
[ooo5] De plus, ces zones de pontet subissent des dilatations et des contractions successives qui, associées à un phénomène de fluage aux plus hautes températures, ont pour conséquence que des fissures peuvent s'amorcer sur la face feu et se propager dans la zone environnante lors du fonctionnement du moteur. [0006] Si l'épaisseur de la matière constituant un pontet est faible, par exemple, inférieure à 2 mm, ce risque de fissure ou d'amorce de fissuration devient important.
[ooo7] On à déjà cherché à renforcer la tenue thermomécanique d'une zone de pontet.
[ooo8] A titre d'exemple, le document FR 2 736 969 décrit une culasse de moteur à combustion interne, notamment pour véhicule automobile, du type comportant une face feu qui délimite une chambre de combustion d'un cylindre du moteur, du type comportant au moins deux orifices qui débouchent dans la chambre de combustion et qui sont séparés par un pontet, et du type dans lequel le pontet comporte au moins une rainure formée dans la face feu de la culasse, sensiblement parallèle à la direction joignant les axes des orifices. La rainure présente une largeur réduite par rapport à sa profondeur, en particulier une largeur inférieure au dixième de sa profondeur. [ooo9] Le but de la présente invention est de fournir une culasse de moteur à combustion interne, dans laquelle les zones de pontet « intersoupapes » et/ou les zones entre un siège de soupape et un orifice de la face combustion de la culasse présentent une excellente tenue thermomécanique, c'est-à-dire pratiquement sans risques de fissure ou d'amorce de fissuration. [ooi o] Un autre but de la présente invention est de fournir une telle culasse à excellente tenue thermomécanique, qui soit de conception et de réalisation simple et qui soit économique.
[ooi i] Pour parvenir à ces buts, la présente invention a pour objet une culasse de moteur à combustion interne, notamment pour véhicule automobile, comportant une face combustion qui délimite une chambre de combustion d'un cylindre du moteur, ladite face combustion comportant au moins deux orifices qui débouchent dans la chambre de combustion et qui sont séparés par une zone relativement étroite dénommée « pontet ». Dans cette culasse perfectionnée, il est réalisé dans le pontet une forme en creux par enlèvement de matière, de manière à augmenter la largeur du pontet et, en conséquence, à renforcer la tenue thermomécanique de ce dernier.
[0012] Selon un mode préféré de réalisation de l'invention, la forme en creux peut être un secteur de cylindre circulaire droit réalisé au moyen d'un outil circulaire d'enlèvement de matière.
[ooi 3] La profondeur de la forme en creux réalisée dans le pontet est telle qu'elle permet d'augmenter la largeur de ce dernier d'environ 60%.
[0014] La présente invention s'applique avantageusement lorsque le pontet entre les deux orifices est d'une largeur inférieure à 2 mm environ avant la réalisation de la forme en creux.
[0015] Selon une première série d'exemples de réalisation de l'invention, l'un au moins des deux orifices peut être un logement de siège de soupape. De plus, la profondeur de la forme en creux est inférieure à une valeur déterminée de telle sorte que le siège de soupape au moins ne sorte pas de son logement d'une hauteur sensiblement égale ou supérieure au tiers de la hauteur dudit siège de soupape.
[ooi 6] A titre d'exemple non limitatif de l'objet et de la portée de la présente invention, les deux orifices qui débouchent dans la chambre de combustion peuvent être des logements de sièges de soupape d'admission. [ooi 7] Le pontet entre les deux logements de sièges de soupape d'admission peut être d'une largeur voisine de 1 ,35 mm avant la réalisation de la forme en creux et est augmenté à une valeur voisine de 2,15 mm après la réalisation de ladite forme en creux, ce qui permet d'avoir une valeur de largeur de pontet acceptable au point de vue thermomécanique. [0018] La présente invention peut s'appliquer à d'autres zones étroites de la face combustion de la culasse.
[ooi 9] Elle peut s'appliquer à un pontet séparant deux sièges de soupape d'échappement, à un pontet séparant un siège de soupape d'admission et un siège de soupape d'échappement, à un pontet séparant un siège de soupape d'admission ou d'échappement à un orifice débouchant quelconque, par exemple l'orifice débouchant d'une préchambre de combustion aménagée à l'intérieur de la culasse et débouchant dans la chambre de combustion. [0020] La présente invention ne concerna pas seulement des cylindres à quatre soupapes, mais peut s'appliquer à des cylindres de moteurs à combustion interne ayant deux ou trois soupapes, par exemple.
[0021 ] La présente invention a également pour objet un moteur à combustion interne multicylindre, chaque cylindre ayant au moins deux soupapes, qui comporte une culasse conforme à celle décrite ci-dessus dans ses grandes lignes. Ce moteur à combustion interne peut être un moteur à essence ou bien un moteur « diesel ». Il peut être un moteur à deux, trois ou quatre cylindres, ou bien encore, à titre d'exemple également, un moteur à cinq cylindres en ligne ou en « V ». [0022] D'autres buts, avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront dans la description qui suit d'un exemple de réalisation, non limitatif de l'objet et de la portée de la présente demande de brevet, accompagnée de dessins dans lesquels :
• la figure 1 représente, de manière schématique, les deux logements de soupape d'admission de la face combustion d'un cylindre à quatre soupapes d'un moteur à combustion interne et la zone étroite, dite de pontet, entre les deux logements,
• la figure 2 représente les logements de la figure 1 avec un pontet « élargi », selon la présente invention, et · la figure 3 illustre, de manière schématique, la hauteur maximale de la forme en creux réalisée sur le pontet selon le principe de la présente invention. [0023] En référence au dessin de la figure 1 , on a représenté, à titre d'exemple non limitatif de l'objet et de la portée de la présente invention, une partie de la face combustion, appelée aussi face feu, d'une culasse de référence générale 1 qui ferme la chambre de combustion d'un cylindre à quatre soupapes d'un moteur à combustion interne de trois cylindres essence.
[0024] La face combustion de la figure 1 est munie de deux orifices, référencés de manière générale 10 et 20, destinés tous les deux à recevoir un siège de soupape d'admission du mélange air carburant. Les orifices 50 et 60 sont destinés à recevoir, chacun, un siège de soupape d'échappement et l'orifice 70 débouche dans la chambre de combustion.
[0025] Les logements 10 et 20 délimitent entre eux une zone étroite ou « pontet » référencée 30.
[0026] Comme exposé précédemment, si la largeur matière du pontet, désignée « e » dans la zone la plus étroite, est faible, par exemple inférieure à 2 mm, il y a un risque de fissure ou d'amorce de fissuration sur la zone entre les logements, non seulement lors de l'emmanchement à force des sièges de soupape dans les deux logements 10 et 20 mais également lors du fonctionnement du moteur au cours duquel le pontet est fortement sollicité en contraintes alternées de traction et de compression. [0027] Selon le principe de la présente invention, comme représenté sur le dessin de la figure 2, il est réalisé dans le pontet 30 une forme en creux 32 par enlèvement de matière, de manière à augmenter la largeur du pontet et, en conséquence, à renforcer la tenue thermomécanique de ce dernier.
[0028] Cette forme en creux 32 est avantageusement une forme circulaire, plus précisément un secteur de cylindre circulaire droit réalisé au moyen d'un outil circulaire d'enlèvement de matière.
[0029] La largeur du pontet 32 entre les deux logements 10 et 20 de soupape d'admission a été, de cette façon, augmentée ; elle est passée de 1 ,35 mm (« e » de la figure 1 ) à 2,15 mm (« E » de la figure 2), c'est-à-dire à une valeur supérieure à 2 mm permettant de diminuer considérablement les risques de fissure et d'amorce de fissuration.
[0030] Ainsi, la forme en creux 32 réalisée dans le pontet 30 permet d'augmenter la largeur de ce dernier d'environ 60%. [0031 ] Comme illustré sur le dessin de la figure 3, il y a une épaisseur maximale « H » d'enlèvement de matière à respecter sur le pontet 30, c'est-à-dire une profondeur maximale de la forme en creux 32. Cette épaisseur maximale « H » est définie en fonction de l'architecture de la face tablature (diamètre et hauteur des sièges de soupape, distance entre les axes des soupapes, etc.). De manière générale, on notera que la profondeur de la forme en creux doit être inférieure à une valeur déterminée de telle sorte que les sièges de soupape, référencés 1 1 et 21 sur la figure 3, ne sortent pas de leur logement 10, respectivement 20, d'une hauteur sensiblement égale ou supérieure au tiers de leur hauteur.
[0032] L'invention est décrite ci-dessus dans le cadre d'un pontet séparant deux sièges de soupape d'admission, mais il importe de noter que cette invention s'applique mutatis mutandis à un pontet séparant deux sièges de soupape d'échappement, ou bien à un pontet séparant un siège de soupape d'admission et un siège de soupape d'échappement, ou bien à un pontet séparant un siège de soupape d'admission ou d'échappement à un orifice débouchant quelconque, par exemple l'orifice débouchant d'une préchambre de combustion aménagée à l'intérieur de la culasse et débouchant dans la chambre de combustion.
[0033] Bien que l'exemple de réalisation de l'invention décrit ci-dessus concerne un cylindre à quatre soupapes, la présente invention s'applique à des cylindres de moteurs à combustion interne ayant un nombre différent de soupapes, à savoir à des cylindres à deux ou trois soupapes, par exemple.
[0034] De plus, on notera aussi que l'invention peut être appliquée à tous les types de moteurs à combustion interne : moteurs à essence, moteurs diesel, moteurs à deux, trois, quatre ou cinq cylindres, moteurs à cylindres en ligne ou moteurs à cylindres en « V ». [0035] Enfin, bien que l'exemple de réalisation de l'invention décrit ci-dessus concerne un cylindre à quatre soupapes, la présente invention s'applique à des cylindres de moteurs à combustion interne ayant un nombre différent de soupapes, à savoir à des cylindres à deux ou trois soupapes, par exemple. [0036] Quelque soit le type de cylindre ou de moteur sur lequel est appliquée l'invention, la culasse décrite ci-dessus par un exemple particulier de sa réalisation présente l'avantage d'obtenir, à faible coût, dans un environnement restreint, des pontets de largeur suffisante pour éviter les fissure et amorces de fissuration que pourraient engendrer les fortes contraintes thermomécaniques auxquelles ils sont soumis.
[0037] Bien entendu, la présente invention n'est pas limitée au mode de réalisation décrit et représenté ci-dessus à titre d'exemple ; d'autres modes de réalisation peuvent être conçus par l'homme de métier sans sortir du cadre et de la portée de la présente invention.

Claims

REVENDICATIONS
1. Culasse de moteur à combustion interne, notamment pour véhicule automobile, comportant une face combustion qui délimite une chambre de combustion d'un cylindre du moteur, ladite face combustion comportant au moins deux orifices (10, 20) qui débouchent dans la chambre de combustion et qui sont séparés par une zone relativement étroite dénommée « pontet » (30), caractérisée en ce qu'il est réalisé dans ledit pontet (30) une forme en creux (32) par enlèvement de matière, de manière à augmenter la largeur du pontet et, en conséquence, à renforcer la tenue thermomécanique de ce dernier.
2. Culasse de moteur à combustion interne selon la revendication 1 , caractérisée en ce que ladite forme en creux (32) est un secteur de cylindre circulaire droit réalisé au moyen d'un outil circulaire d'enlèvement de matière.
3. Culasse de moteur à combustion interne selon la revendication 1 , caractérisé en ce que la profondeur de ladite forme en creux (32) réalisée dans le pontet (30) permet d'augmenter la largeur de ce dernier d'environ 60%.
4. Culasse de moteur à combustion interne selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que le pontet (30) entre les deux orifices (10, 20) avant la réalisation de la forme en creux (32) est d'une largeur inférieure à 2 mm.
5. Culasse de moteur à combustion interne selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que l'un au moins des deux orifices (10, 20) est un logement de siège de soupape (1 1 , 21 ) et en ce que la profondeur de la forme en creux (32) est inférieure à une valeur déterminée de telle sorte que le siège de soupape (1 1 , 21 ) au moins ne sorte pas de son logement d'une hauteur sensiblement égale ou supérieure au tiers de la hauteur dudit siège de soupape (1 1 , 21 ).
6. Culasse de moteur à combustion interne selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que les deux orifices (10, 20) qui débouchent dans la chambre de combustion sont des logements de sièges de soupape d'admission.
7. Culasse de moteur à combustion interne selon la revendication 6, caractérisée en ce que le pontet (32) entre les deux logements de sièges de soupape d'admission est d'une largeur voisine de 1 ,35 mm avant la réalisation de la forme en creux (32) et est augmenté à une valeur voisine de 2,15 mm après la réalisation de ladite forme en creux (32), ce qui permet d'avoir une valeur de largeur de pontet acceptable au point de vue thermomécanique.
8. Moteur à combustion interne multicylindre, chaque cylindre ayant au moins deux soupapes, caractérisé en ce qu'il comporte une culasse conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 7.
9. Moteur à combustion interne multicylindre selon la revendication 8, caractérisé en ce que les cylindres sont des cylindres à quatre soupapes.
10. Moteur à combustion interne multicylindre selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il est moteur à trois cylindres essence.
11. Véhicule automobile, caractérisé en ce qu'il comporte un moteur à combustion interne conforme à l'une quelconque des revendications 8 à 10.
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