FR2497269A1 - Soupape d'admission de moteur a combustion interne, ce moteur et procede pour reduire la tendance a l'auto-allumage d'un tel moteur - Google Patents
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Abstract
L'INVENTION CONCERNE UNE SOUPAPE D'ADMISSION DE MOTEUR A COMBUSTION INTERNE, COMPORTANT UN TUBE A CHALEUR INTERIEUR. LA QUEUE 18 ET LA TETE 19 DE LA SOUPAPE SONT CREUSES ET UNE MATIERE 34 A MECHE EST FIXEE A LEUR SURFACE INTERIEURE. LA SOUPAPE RENFERME UNE MATIERE 35 DE REFROIDISSEMENT ET ELLE PORTE, A SON EXTREMITE DE COMMANDE, UN ECHANGEUR DE CHALEUR 36. AINSI, LA PARTIE DE LA SOUPAPE SE TROUVANT SUR LE TRAJET D'ADMISSION DU CARBURANT EST MAINTENUE A UNE TEMPERATURE EMPECHANT TOUT ECHAUFFEMENT SUPPLEMENTAIRE DE LA CHARGE COMBUSTIBLE, CE QUI REDUIT LE RISQUE D'AUTO-ALLUMAGE PAR ECHAUFFEMENT DE CETTE CHARGE. DOMAINE D'APPLICATION : MOTEURS A COMBUSTION INTERNE.
Description
L'invention concerne une soupape d'admission, et plus particulièrement une
soupape d'admission de carburant
destinée à un moteur à combustion interne.
Les moteurs à combustion interne et les carburants qu'ils consomment ont récemment fait l'objet de modifica- tions notables. On a réduit sensiblement la dimension du moteur à combustion interne actuellement utilisé dans les véhicules afin d'abaisser le poids dudit moteur, et ce dernier a été conçu pour développer une puissance massique
supérieure à celle des moteurs de conception antérieure.
Simultanément, on a repris la formulation des carburants pouvant être utilisés dans de tels moteurs afin d'améliorer
la combustion se produisant dans ces derniers et d'en ré-
duire les émissions qui peuvent contribuer à une pollution indésirable de l'air. La combinaison des modifications
apportées au moteur et au carburant a entraîné un change-
ment des termes dans lesquels s'exprime le rendement du moteur. Par exemple, alors que dans le passé il était possible d'accroître la puissance d'un moteur de conception donnée en augmentant le taux de compression et en utilisant un carburant ayant un indice d'octane supérieur, il est actuellement difficile, d'un point de vue économique, de produire les carburants à indice d'octane élevé demandés à partir des réserves de pétrole brut disponibles, et
l'apport d'additifs élevant l'indice d'octane a été sévère-
ment limité. On a donc considéré d'autres moyens permettant de donner aux moteurs une puissance maximale à l'aide des
carburants disponibles.
On sait qu'il est possible d'accroître la puis-
sance que peut fournir un moteur à combustion interne en
réduisant la température de la charge combustible d'admis-
sion (voir la note technique N0 939 de National Advisory Committee for Aeronautics, "Rise in Temperature of the Charge in its Passage Through the Inlet Valve and Port of an Air-Cooled Aircraft Engine Cylinder", de J. E. Forbes
et E. S. Taylor, 1942.
L'invention concerne un procédé et un moyen pour traiter la charge combustible d'admission d'un moteur à combustion interne avant son entrée dans la chambre de combustion, par l'utilisation d'une soupape d'admission de conception nouvelle.
Des moteurs de l'art antérieur réalisent un re-
froidissement de la charge combustible d'admission au moyen d'un collecteur d'admission de carburant conçu de manière à comprendre le siège avec lequel la soupape d'admission coopère. Les collecteurs de ce type ont habituellement pour but d'établir un circuit permettant un écoulement efficace du carburant de sa source vers la zone de combustion et
de réaliser une fermeture de la soupape assurant l'étan-
chéité complète de la zone de combustion avant la compres-
sion de la charge combustible dans la chambre de combustion.
Le collecteur d'admission et le siège de soupape sont con-
çus pour permettre un refroidissement du siège afin d'em-
pêcher ce dernier de se voiler avec, pour résultat, une
étanchéité incomplète et, par conséquent, une perte de com-
pression à l'intérieur de la chambre de combustion.
On a porté une certaine attention sur la concep-
tion de la soupape d'admission pour provoquer une dissipa-
tion de la chaleur, mais les efforts ont consisté à élimi-
ner la chaleur pour éviter toute détérioration de la sou-
pape et pour assurer un appui convenable de cette dernière sur son siège, plutôt que pour limiter la température de la charge combustible d'admission. Pour la plupart, ces essais de refroidissement des soupapes ont porté sur des
soupapes d'échappement plutôt que sur des soupapes d'admis-
sion comme décrit, par exemple, dans les brevets des Etats-
Unis d'Amérique N0 3 892 210, N0 4 000 730 et N0 4 182 282.
On a conçu des soupapes d'échappement à queue et tête creuses, formant une chambre intérieure destinée à contenir-un fluide de refroidissement, comme décrit dans les brevets des Etats-Unis d'Amérique N0 3 871 339 et
No 4 164 957.
Dans chacune de ces formes de réalisation de l'art antérieur, l'objectif est de refroidir la soupape
proprement dite afin d'éviter sa détérioration.
L'invention concerne une soupape d'admission de moteur à combustion interne et un procédé d'alimentation d'un moteur à combustion interne avec une charge combustible d'admission de faible température, afin qu'il soit possible
d'accroître la puissance pouvant être tirée de ce moteur à combus-
tion interne sans modifier la conception de la chambre de combustion ou
sans modifier la formulation de la charge combustible d'admis-
sion, ou bien afin qu'il soit possible de maintenir la puissance que l'on peut tirer du moteur en utilisant un
carburant à indice d'octane inférieur.
On sait que l'auto-allumage de la charge combus-
tible d'un moteur à combustion interne fait baisser le rendement de ce moteur. L'auto-allumage dans les moteurs à allumage par étincelle est la combustion extrêmement rapide de la dernière fraction de la charge combustible devant brûler dans la chambre de combustion. Lorsqu'un autoallumage se produit, il provoque une élévation rapide de la pression dans la chambre de combustion par rapport à celle résultant d'une combustion normale et il provoque des variations de pression à haute fréquence et un son audible appelé cognement. Lorsqu'un tel cognement apparaît,
d'importantes quantités de chaleur sont transmises à cer-
taines pièces du moteur, entraînant une perte de puissance et, à la longue, pouvant provoquer une détérioration du moteur. La note technique N0 839 de J. E. Forbes et E. S.
Taylor, mentionnée précédemment, fait observer qu'une dimi-
nution moyenne de 250C de la température de l'ensemble soupape-siège, qui entraîne une diminution de 2,750C de la température de la charge combustible dans le moteur d'essai, permet d'accroître la pression efficace moyenne de la charge
combustible d'entrée tout en maintenant à une valeur cons-
tante la tendance au cognement. On en conclut que, dans le moteur essayé, une réduction de 5,5C- de la température de l'ensemble soupape d'admission-siège devrait permettre un accroissement d'environ 0,7 % de la puissance indiquée
sans augmenter la tendance au cognement.
Conformément à l'invention, la diminution de la température de la charge combustible est obtenue à l'aide de la conception de soupape décrite et représentée dans le présent mémoire. L'invention a pour objet de réduire la
chaleur transmise à la charge combustible en faisant pas-
ser cette charge dans un dispositif d'admission comportant une soupape qui comprend des éléments de dissipation de
la chaleur.
L'invention a également pour objet un procédé de réduction de la tendance à l'auto-allumage d'un moteur à combustion interne, par extraction de la chaleur d'éléments situés dans le circuit suivi par la charge combustible vers
la zone de combustion du moteur.
L'invention sera décrite plus en détail en regard du dessin annexé à titre d'exemple nullement limitatif et sur lequel: la figure 1 est une coupe longitudinale partielle d'un cylindre de moteur à combustion interne, montrant le
circuit d'admission de carburant et une soupape d'admis-
sion placée dans ce circuit; la figure 2 est une coupe longitudinale partielle, à échelle agrandie, de la soupape selon l'invention; et la figure 3 est une coupe suivant la ligne A-A de
la figure 2.
La figure 1 représente en coupe partielle un cylindre de moteur à combustion interne. Comme représenté,
un piston 10 est actionné par des moyens classiques à l'in-
térieur du cylindre 11 afin d'effectuer une compression à l'intérieur d'une chambre de combustion formée par le bloc 12 et une culasse 13 séparés l'un de l'autre par le joint classique 14. La chambre de combustion comprend une partie ménagée à l'intérieur de la culasse et dans laquelle la
combustion a lieu réellement.
Un dispositif d'admission de carburant, indiqué
en 16, est relié au moyen d'un collecteur classique d'admis-
sion et d'un carburateur à une alimentation en carburant, le collecteur et le dispositif de carburation n'étant pas représentés. Une soupape 17 d'admission, comportant une queue 18 et une tête 19, est actionnée, sa tête étant disposée dans la chambre 15 de combustion et prenant appui sur un siège 21 convenablement fixé dans la culasse 13. La queue 18 passe dans un guide 22 traversant la culasse 13, entre le circuit d'admission de carburant et une zone 23 de commande des soupapes, fermée classiquement par un
couvercle de soupapes (non représenté).
L'extrémité de la queue 18 située dans la zone 23 de commande des soupapes est en contact avec un organe
24 de commande de la soupape qui, dans un moteur à combus-
tion interne classique, est animé d'un mouvement oscillant
par un mécanisme à cames, en synchronisme avec les mouve-
ments du piston 10 à l'intérieur de la chambre 15 de com-
bustion. L'organe 24 de commande appuie sur l'extrémité de la queue de la soupape afin de faire alternativement monter et descendre cette dernière à l'intérieur de la chambre de
combustion et contre son siège 21.
La soupape est rappelée en position de fermeture, dans laquelle sa tête 19 porte contre le siège 21, par un
ressort 25 dont une extrémité porte contre la surface exté-
rieure de la culasse 13 et dont l'autre extrémité porte contre un organe 26 de retenue du ressort, maintenu en place par un organe d'arrêt 27 enclenché avec l'extrémité de la
queue 18 de la soupape.
La soupape représentée comporte, en outre, un échangeur de chaleur 28 fixé à l'extrémité de la queue, à l'intérieur de la zone du mécanisme de commande et assumant
une fonction décrite ci-après.
La figure 2 est une vue à échelle agrandie, avec coupe partielle, de la soupape selon l'invention retirée du moteur à combustion interne. Sur cette figure, le ressort de la soupape, l'organe de retenue et l'organe d'arrêt sont représentés partiellement en trait mixte afin que la soupape apparaisse plus clairement. La soupape selon l'invention présente une chambre intérieure 31 située dans la tête 19, sous le chapeau 32. La queue 18 présente un canal intérieur 33 qui communique avec la chambre intérieure 31 de la tête et qui s'étend sur toute la longueur de la queue, à l'exception d'un petit tronçon de l'extrémité supérieure o la queue et l'organe 24 de commande de la soupape entrent en contact. La surface intérieure de la chambre 31 et du canal 33 est revêtue d'une matière 34
pour mèche et la chambre et le canal sont obturés herméti-
quement afin de retenir une matière 35 de refroidissement.
La soupape comporte, à l'extrémité de la queue
opposée à celle comportant la tête, un échangeur de cha-
leur extérieur 36 formé de plusieurs ailettes annulaires
37 espacées axialement le long de cet échangeur. Ce der-
nier peut être fixé à demeure à la queue de la soupape, par exemple par emmanchement à force sur la queue. En variante, l'échangeur de chaleur peut être fixé à la queue de la soupape au moyen d'anneaux élastiques fendus 38 et
39 situés à l'extrémité inférieure et à l'extrémité supé-
rieure de cet échangeur, comme montré sur la figure 2.
Les anneaux fendus s'ajustent dans des gorges usinées à distance l'une de l'autre le long de la queue de la soupape afin de permettre le montage de l'échangeur de chaleur sur la soupape une fois cette dernière mise en place dans la
culasse du moteur à combustion interne.
La soupape selon l'invention est destinée à cons-
tituer un moyen évitant une transmission de chaleur à la charge combustible arrivant par le collecteur d'admission dans la chambre 15 de combustion du moteur. La matière de refroidissement contenue dans la chambre intérieure 31 et dans le canal intérieur 33 est normalement un liquide et elle est donc en contact avec la tête de la soupape dans la chambre 31. Cette matière de refroidissement est chauffée par le chapeau 32 de la soupape qui, lui-même, est chauffé par le processus de combustion interne se produisant dans la chambre 15 de combustion. La matière de refroidissement
présente une faible pression de vapeur et elle est essen-
tiellement liquide à la température ambiante. Cependant, lorsque sa température est élevée par la chaleur dégagée dans la chambre de combustion, la pression de vapeur s'élève et une partie de la matière de refroidissement s'évapore pour former une phase vapeur 41 représentée le long du tronçon supérieur de la queue 18. L'échangeur de chaleur extérieur 36 est refroidi par les lubrifiants contenus dans la zone du mécanisme de commande des soupapes, en particulier par les huiles de lubrification circulant dans cette zone. L'échangeur de chaleur extrait la chaleur de la queue de la soupape et de la matière de refroidissement vaporisée afin de provoquer une condensation de cette matière contre la matière à mèche 34. A l'état condensé, la matière de refroidissement descend le long de la matière à mèche, du haut de la queue vers l'extrémité de tête de la soupape, afin d'être de nouveau réchauffée par le chapeau pour se vaporiser et répéter le cycle. Lorsque la matière de refroidissement s'écoule le long de la matière à mèche, le collet 42 de la soupape est refroidi ou maintenu à la
température de la matière de refroidissement condensée.
Le terme "refroidi", au sens utilisé dans le présent mémoire, est un terme relatif signifiant que la surface du collet est plus froide que la surface du chapeau de la soupape
par suite des processus d'évaporation et de condensation.
La chambre intérieure 31, le canal intérieur 33 et la matière 34 à mèche se comportent comme un tube à chaleur à l'intérieur de la soupape. Tant que la matière de refroidissement est présente à la fois en phase liquide
et en phase vapeur, ces deux phases sont à la même tempé-
rature, alors que le chapeau 32 de la soupape et le collet 42 peuvent avoir des températures différentes par suite
de l'effet produit par le tube à chaleur.
La charge combustible d'admission s'écoulant par le canal 16 d'admission vers la chambre 15 de combustion passe sur le collet 42 de la soupape et est refroidie ou ne peut prélever davantage de chaleur avant d'être dans la chambre de combustion. Comme décrit précédemment dans
le préambule du présent mémoire, un processus de diminu-
tion de la température de la charge combustible permet un accroissement de la pression efficace moyenne de la charge
combustible d'admission, tandis que la tendance à l'auto-
allumage est maintenue à une valeur constante. A cet égard, la réduction de la température de la charge combustible
d'admission permet un accroissement raisonnable de la puis-
sance fournie par le processus d'allumage dans la chambre de combustion, sans accroissement de la tendance à l'auto- allumage. Exprimé autrement, s'il est possible d'éviter une élévation de la température de la charge combustible d'admission, il est possible d'obtenir la même puissance d'un moteur à combustion interne à allumage par étincelle avec un carburant à plus faible indice d'octane tout en évitant la tendance prévisible à l'auto-allumage. On sait
que l'auto-allumage est un phénomène entraînant une dimi-
nution de la puissance effective du processus de combus-
tion et du rendement du moteur.
La soupape selon l'invention permet d'éviter une
transmission de chaleur à la charge combustible d'admis-
sion du moteur à combustion interne, au niveau de la sou-
pape d'admission, ce qui accroit la puissance effective tout en diminuant la tendance à l'auto-allumage. Cette diminution de la tendance à l'autoallumage est obtenue sans modification du carburant et sans diminution du taux de compression nominal de la chambre de combustion. Chacun
des perfectionnements indiqués ci-dessus permet un accrois-
sement possible du rendement du carburant dans le moteur et, par conséquent, une diminution de la consommation de carburant. Il est prévu que la soupape soit montée dans une culasse de moteur à combustion interne en étant introduite à partir du côté de la chambre de combustion, l'échangeur de chaleur extérieur étant rapporté sur la queue de la soupape, dans la zone du mécanisme de commande des soupapes, après que cette queue a été passée dans son guide 22. Le ressort, son élément de retenue et l'élément d'arrêt sont ensuite montés pour maintenir la soupape rappelée contre
son siège.
La soupape 17 est de préférence formée de pièces comprenant une tige creuse et une tête évidée. La matière à mèche doit être mise en place avant que les pièces soient reliées définitivement. Cette matière peut être une toile métallique ou toute autre matière tissée, compatible avec la matière de refroidissement et pouvant supporter les températures rencontrées dans le moteur. Les pièces de la
soupape peuvent être assemblées par tout procédé de sou-
dage, y compris le soudage par inertie. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées à la soupape décrite et représentée
sans sortir du cadre de l'invention.
Claims (12)
1. Soupape d'admission de moteur à combustion interne, caractérisée en ce qu'elle comporte une queue allongée (18), une tête (19) située à une extrémité de la queue et définissant un chapeau annulaire (32) et un collet (42) situé entre le chapeau et la queue, un canal (33) situé
à l'intérieur de la queue, une chambre (31) située à l'in-
térieur de la tête, une matière <35) de refroidissement disposée à l'intérieur de la soupape, le canal intérieur et la chambre intérieure communiquant afin de permettre le passage de la matière de refroidissement entre la tête et la queue, et un échangeur de chaleur (28) étant monté sur la queue, à l'extrémité de cette dernière éloignée de la
première extrémité citée.
2. Soupape selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'une matière (34) à mèche est appliquée sur la
surface du canal intérieur et de la chambre intérieure.
3. Soupape selon la.revendication 2, caractérisée en ce que la matière de refroidissement est sensiblement en phase liquide à la température ambiante et peut être vaporisée à la température de fonctionnement du chapeau annulaire de la tête, cette matière pouvant être ramenée à l'état liquide, par condensation, à la température de
fonctionnement du canal intérieur de la queue, à l'extré-
mité adjacente audit échangeur de chaleur.
4. Soupape selon la revendication 3, caractérisée en ce que la matière de refroidissement vaporisée (41) passe dans le canal intérieur de la queue, à partir de la tête vers ladite extrémité adjacente à l'échangeur de chaleur, et la matière de refroidissement condensée passe
le long de la matière à mèche, de ladite extrémité adja-
cente à l'échangeur de chaleur vers la chambre située à
l'intérieur de la tête.
5. Soupape selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'échangeur de chaleur comporte plusieurs ailettes
annulaires (37) qui s'étendent radialement.
6. Soupape selon la revendication 2, caractérisée en ce que le chapeau annulaire est chauffé par la chambre (15) de combustion d'un moteur à combustion interne et en
ce que le collet est refroidi par la matière de refroidis-
sement condensée circulant le long de la matière à mèche.
7. Moteur à combustion interne présentant une chambre (15) de combustion, une soupape (17) d'admission qui commande l'introduction d'une charge combustible dans la chambre de combustion, un circuit (16) d'admission de carburant permettant le passage de la charge combustible dans la chambre de combustion, et une zone (23) de commande de soupapes, extérieure à la chambre de combustion et au
collecteur d'admission de carburant, le moteur étant carac-
térisé en ce que la soupape d'admission comporte une queue allongée (18), une tête (19) située à une extrémité de la queue et définissant un chapeau annulaire (32) et un collet (42) situé entre le chapeau et la queue, la tête étant exposée à la chambre de combustion, le collet se trouvant dans le circuit du carburant d'admission et au moins un
tronçon de la queue étant situé dans ladite zone de com-
mande des soupapes, la soupape présentant également un canal (33) situé à l'intérieur de la queue, une chambre (31) située à l'intérieur de la tête, le canal intérieur
et la chambre intérieure communiquant et étant isolés hermé-
tiquement de la chambre de combustion, du circuit du carburant
d'admission et de la zone de commande des soupapes, et per-
mettant le passage d'une matière (35) de refroidissement
entre la tête et la queue, une matière (34) à mèche s'éten-
dant le long des surfaces intérieures de la chambre inté-
rieure et du canal intérieur, cette chambre et ce canal
contenant une matière (35) de refroidissement et un échan-
geur (28) de chaleur étant monté sur la queue, à l'extré-
mité de cette dernière située dans la zone de commande des soupapes, le chapeau de la soupape étant chauffé par la chambre de combustion pendant le fonctionnement du moteur,
afin de provoquer une évaporation de la matière de refroi-
dissement, l'échangeur de chaleur étant refroidi dans la
zone de commande des soupapes afin de provoquer une con-
densation de la matière de refroidissement, la matière à mèche conduisant la matière de refroidissement condensée de la zone de commande des soupapes vers le capuchon de la soupape, le long du collet, et le collet refroidi étant
en contact avec la charge combustible passant dans le cir-
cuit d'admission, de manière que cette charge passe sur une partie relativement refroidie de la soupape.
8. Procédé pour réduire la tendance à l'auto-
allumage d'un moteur à combustion interne sans en modifier la conception, les conditions de fonctionnement ou la composition du carburant, caractérisé en ce qu'il consiste à introduire la charge combustible d'admission dans la chambre (15) de combustion du moteur en la faisant passer sur une soupape d'admission refroidie (17) afin que la
température de cette charge soit maintenue.
9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé
en ce que la soupape d'admission est refroidie par évapo-
ration et condensation d'une matière (35) de refroidisse-
ment contenue dans ladite soupape.
10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que la matière de refroidissement est évaporée par contact avec la partie (32) de la soupape chauffée par le
processus de combustion interne, et est condensée par con-
tact avec la partie de la soupape refroidie par des matières
de lubrification présentes dans le moteur à combustion in-
terne.
11. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que la matière de refroidissement condensée circule à l'intérieur de la soupape afin d'en refroidir une partie qui est en contact avec la charge combustible d'admission,
de manière que ladite température de cette charge soit main-
tenue.
12. Procédé selon la revendication- 10, caractérisé en ce que la matière de refroidissement comprend une phase liquide aux températures ambiantes, cette phase liquide s'évaporant partiellement pour former une vapeur (41) à la température de ladite partie de la soupape chauffée par le processus de combustion interne, et la phase vapeur étant ramenée à l'état liquide par condensation à la température des matières de lubrification présentes dans le moteur à
combustion interne.
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