FR2871196A1 - Culasse de moteur a combustion interne - Google Patents

Abstract

Culasse de moteur à combustion interne, en particulier de moteur Diesel à injection directe ou de moteur à essence, dans laquelle est ménagé un conduit d'admission (20) comprenant des premier (20a) et deuxième (20b) canaux séparés l'un de l'autre par une paroi de séparation (56) et présentant chacun un orifice d'entrée (60a ;60b) destiné à être connecté à un répartiteur d'admission (11) du moteur (10) et un orifice de sortie (64a 64b) débouchant dans une chapelle commune (50) destinée à être connectée à une chambre de combustion (43) d'un cylindre (14) du moteur (10).La culasse selon l'invention est remarquable en ce que le deuxième canal (20b) comporte un étranglement local (74).

Description

L'invention concerne une culasse de moteur à combustion interne, en

particulier de moteur Diesel à injection directe ou de moteur à essence, dans laquelle est ménagé un conduit d'admission comprenant des premier et deuxième canaux séparés l'un de l'autre par une paroi de séparation. L'invention se rapporte

également à un moteur comportant une telle culasse.

Dans les moteurs à combustion interne, qu'il s'agisse des moteurs à essence ou des moteurs Diesel à injection directe, il est nécessaire, pour assurer un mélange correct entre l'air et le carburant dans un cylindre, d'imprimer à l'air un mouvement de rotation dans la chambre de combustion. Ce mouvement de rotation autour d'un axe parallèle à l'axe du cylindre, est caractérisé par le rapport entre la vitesse de rotation de l'air créée à l'admission dans le cylindre et la vitesse de rotation du moteur. On appelle ce rapport "rapport de tourbillonnement" ou plus généralement "swirl".

On définit la perméabilité dans un cylindre comme étant le rapport de la 15 section effective de passage dégagée par la soupape d'admission à la section transversale du cylindre.

Pour augmenter le swirl, on connaît de DE 19823798 un siège de soupape dit Venturi présentant un rétrécissement annulaire favorisant une concentration du flux d'air favorable au swirl. Un tel siège de soupape présente cependant l'inconvénient d'augmenter en permanence la perte de charge induite par le conduit d'admission, ce qui est particulièrement problématique quand le moteur fonctionne à charge élevée.

On connaît également de EP 1 188 912 un dispositif d'admission d'air qui comprend deux conduits d'admission agencés de façon spécifique. Au moins un des conduits est divisé en deux parties par une paroi interne de séparation. La partie débouchant dans le cylindre à l'endroit le plus éloigné de la paroi cylindrique du cylindre comporte des moyens d'obturation progressive. Lorsque le moteur fonctionne à faible charge, les moyens d'obturation sont fermés, mais les pertes de charge induites par le conduit d'admission restent faibles du fait de l'absence de tout étranglement sur le trajet du flux d'air. La fermeture des moyens d'obturation n'entrave pas le passage de la composante du flux d'air la plus favorable au swirl, à savoir celle transitant par la deuxième partie de conduit et débouchant à la périphérie du cylindre. Quand le moteur fonctionne à faible charge, le swirl reste ainsi satisfaisant.

II existe néanmoins un besoin permanent d'augmenter encore le swirl lorsque le moteur fonctionne à faible charge, sans augmentation rédhibitoire des pertes de charge induites par le conduit d'admission.

Le but de l'invention est de fournir une solution répondant à ce besoin.

Selon l'invention, on atteint ce but au moyen d'une culasse de moteur à combustion interne, en particulier de moteur Diesel à injection directe ou de moteur à essence, dans laquelle est ménagé un conduit d'admission comprenant des premier et deuxième canaux séparés l'un de l'autre par une paroi de séparation et présentant chacun un orifice d'entrée destiné à être connecté à un répartiteur d'admission dudit moteur et un orifice de sortie débouchant dans une chapelle commune destinée à être connectée à une chambre de combustion d'un cylindre dudit moteur. La culasse selon l'invention est remarquable en ce que le deuxième canal comporte un étranglement local.

Selon d'autres caractéristiques de la culasse selon la présente invention: le premier canal est pourvu de moyens d'obturation réglables de manière progressive; l'étranglement présente une forme de déflecteur s'étendant sensiblement selon un plan formant un angle 6 compris entre 30 et 60 degrés avec la direction du deuxième canal immédiatement en amont de l'étranglement; le étranglement débouche dans la chapelle; l'étranglement s'étend sensiblement selon toute la largeur du deuxième canal; 0,6 Smin I Samont ? 0,5, où Smin est la surface minimale de la section transversale du deuxième canal le long de l'étranglement, et Samont est la surface de la section transversale du deuxième canal 20b immédiatement en amont de l'étranglement; le premier canal comporte un renflement conformé de manière à compenser, au moins en partie, la perte de charge induite par l'étranglement; les premier et deuxième canaux sont conformés pour pouvoir être fabriqués par fonderie en une pièce monobloc.

L'invention concerne également un moteur à combustion interne comprenant une culasse selon l'invention.

Selon d'autres caractéristiques du moteur selon la présente invention: l'étranglement est conformé et orienté de manière à détourner en direction du cylindre un flux de fluide s'écoulant dans ledit deuxième canal vers le cylindre; - le conduit étant disposé au-dessus dudit cylindre, l'étranglement fait saillie d'une voûte du deuxième canal; - lorsque le moteur est disposé horizontalement, la paroi de séparation s'étend sensiblement verticalement; - les moyens d'obturation sont conformés pour fermer le premier canal depuis une base inférieure vers une voûte dudit premier canal; les premier et deuxième canaux débouchent dans la chapelle selon un axe orienté sensiblement parallèlement à l'axe de rotation du moteur; - l'orifice de sortie dudit premier canal est plus éloigné d'une paroi cylindrique interne du cylindre que l'orifice de sortie du deuxième canal; - le moteur comporte un deuxième conduit d'admission débouchant par une deuxième ouverture de sortie sur une deuxième soupape du cylindre, la droite joignant les centres des ouvertures de sortie des conduits étant sensiblement parallèle à l'axe de rotation du moteur.

D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre et à l'examen du dessin annexé dans lequel: la figure 1 représente très schématiquement un moteur de véhicule automobile, en coupe longitudinale; la figure 2 représente en perspective le volume de deux conduits d'admission ménagés dans la culasse selon l'invention du moteur représenté sur la figure 1; la figure 3 représente en vue de dessus le volume d'un des deux conduits d'admission représentés sur la figure 2.

Les volumes représentés sur les figures 2 et 3 correspondent à la forme générale de noyaux de sable pouvant être utilisés pour ménager les conduits lors de la fonte de la culasse.

Pour la clarté de la description, le moteur est représenté symboliquement avec son axe de rotation M horizontal, les conduits d'admission étant disposés au-dessus des cylindres. Les adjectifs supérieur et inférieur font référence à des positions selon la verticale.

Des références identiques sont utilisées sur les différentes figures pour désigner des organes identiques.

La flèche V est orientée selon l'axe vertical et pointe vers le haut.

Un moteur 10, par exemple un moteur Diesel à injection directe, comprend classiquement un répartiteur d'admission 11 relié à au moins un cylindre 14 par des premier et deuxième conduits d'admission, 20 et 22, respectivement, ménagés dans une culasse 23. Des conduits d'échappement, non représentés pour la clarté des figures, sont également ménagés dans la culasse 23.

Le cylindre 14 présente un volume intérieur de cylindre 24 délimité latéralement par une surface intérieure 26 sensiblement cylindrique, représentée très schématiquement.

Les conduits d'admission, 20 et 22, comportent chacun une ouverture d'entrée 30 et 32, connectée au répartiteur d'admission 11 et une ouverture de sortie 40 et 42, connectée à une chambre de combustion 43 du cylindre 14.

A proximité des ouvertures de sortie 40 et 42, les conduits 20 et 22 présentent chacun une chapelle 50 et 52, destinée à recouvrir une tête d'une soupape, non représentée, et traversée sensiblement verticalement selon un axe de soupape S par une tige de ladite soupape. La tige de soupape est montée mobile en translation selon la direction verticale dans un évidement 53.

Chaque chapelle 50 et 52 est dimensionnée pour autoriser un déplacement de la tête de soupape qu'elle couvre entre des positions ouverte et fermée dans lesquelles le volume intérieur 24 du cylindre 14 est sélectivement en communication de fluide et isolé du volume intérieur du conduit considéré, respectivement. Dans la position fermée, la tête de soupape repose sur un siège de soupape 25.

De préférence, le premier conduit 20 débouche dans le volume intérieur 24 du cylindre 14 sensiblement tangentiellement à la surface intérieure 26, ce qui permet d'obtenir un swirl élevé dans le cylindre 14. De préférence, le deuxième conduit 22 débouche également tangentiellement à la surface 26 de manière à générer un mouvement tourbillonnaire tournant dans le même sens que le mouvement tourbillonnaire généré par le premier conduit 20. Pour réduire la longueur des conduits, et donc la perte de charge qu'ils induisent, il est préférable que les ouvertures d'entrée 30 et 32 débouchent sur deux faces différentes de la culasse 23, par exemple sur des faces supérieure et latérale de la culasse 23.

Les conduits 20 et 22 sont disposés de manière que la droite D joignant les centres de leurs ouvertures de sortie respectives 40 et 42 définisse avec l'axe de rotation du moteur M un angle a compris entre 0 et 90 . De préférence, l'angle a est nul, c'est-à-dire que la droite D est sensiblement parallèle à l'axe M du moteur. En effet on constate qu'un angle a nul favorise le swirl.

Le premier conduit d'admission 20 comporte des premier et deuxième canaux, 20a et 20b, respectivement, séparés par une paroi interne de séparation 56 s'étendant de préférence depuis l'ouverture d'entrée 30 jusqu'à la chapelle 50.

Les canaux 20a et 20b débouchent du côté de l'entrée du conduit 20 par des orifices d'entrée 60a et 60b, respectivement. Les orifices d'entrée 60a et 60b constituent l'ouverture d'entrée 30 du premier conduit 20. Du côté de la sortie du conduit 20, les canaux 20a et 20b débouchent tous les deux dans la chapelle 50, par des orifices de sortie 64a et 64b, respectivement, selon des axes Ga et Gb, respectivement, sensiblement parallèles.

De préférence, la paroi interne de séparation 56 s'étend sensiblement verticalement dans un plan P incluant l'axe S de la soupape. Avantageusement, la tige de la soupape est ainsi au moins en partie masquée par la paroi interne de séparation 56, ce qui limite la perturbation du flux d'air par la tige.

II est utile que la paroi de séparation 56 s'étende le plus près possible de la chapelle 50. Pratiquement, la paroi de séparation 56 étant brute de fonderie et la chapelle 50 étant usinée dans la culasse 23, l'extension de la paroi 56 doit être limitée de manière que la paroi de séparation 56 n'entre pas en contact avec les outils d'usinage lors de l'usinage de la chapelle 50. Tout contact risquerait en effet de briser la paroi interne 56.

Le premier canal 20a peut être pourvu de moyens d'obturation 66 commandés, non représentés, réglables de manière progressive entre des positions ouverte et fermée, comportant par exemple un clapet mobile en translation du type guillotine, une vanne papillon, ou un boisseau rotatif, comme décrit dans la publication EP 1 188 912.

Les moyens d'obturation 66, représentés symboliquement, sont si possible agencés de manière à obturer progressivement le premier canal 20a de bas en haut, en faisant saillie dans le premier canal 20a depuis une base inférieure 71 vers une voûte 72 du premier canal 20a. En effet, on constate que cet agencement favorise le swirl.

Les canaux 20a et 20b sont aussi disposés de manière que l'orifice de sortie 64a du premier canal 20a soit plus éloigné de la surface cylindrique interne 26 du cylindre 14 que l'orifice de sortie 64b du deuxième canal 20b.

Selon l'invention, le premier canal 20a comporte un renflement local 73, c'est-à-dire une portion dans laquelle la section transversale du canal 20a est élargie. La position et la fonction du renflement 73 sont décrites plus en détail dans la suite de la description.

Le deuxième canal 20b comporte un étranglement local 74, c'est-à-dire une portion de canal présentant une section transversale localement réduite. Selon l'invention, la section transversale de l'étranglement 74 est inférieure à celle des moyens de canalisation de l'écoulement qui sont disposés immédiatement en amont et en aval de cet étranglement. Par moyens de canalisation , on entend d'autres portions du deuxième canal 20b ou la chapelle 50.

L'étranglement 74 présente par ailleurs la forme d'un déflecteur, ou tremplin , apte à réorienter vers le bas le flux d'air incident. Dans le sens de l'écoulement, l'étranglement 74 présente successivement une zone de restriction 76 dans laquelle la section transversale du deuxième canal 20b diminue progressivement, et une zone de décrochement 78 correspondant à un élargissement brutal de la section du canal 20b.

La zone de restriction 76 s'étend, sensiblement selon toute la largeur I du deuxième canal 20b, selon un plan E. Elle part d'une voûte supérieure 80 du canal 20b, la normale N au plan E formant avec l'axe S de la soupape un angle 13 compris entre 30 et 60 degrés.

De préférence, le plan E forme un angle 8 compris entre 30 et 60 degrés, de préférence d'environ 45 , avec la direction C du deuxième canal 20b immédiatement en amont de l'étranglement 74. De préférence, le plan E est sensiblement perpendiculaire à la paroi de séparation 56.

La zone de restriction 76 permet de dévier, vers le centre du canal 20b, la direction du flux incident adjacent à la partie supérieure 80 du canal 20b.

La zone de restriction 76 est conformée pour réduire la surface de la section transversale du deuxième canal 20b jusqu'à une valeur minimale Sm; n telle que le rapport entre Surin et la surface Sauront de la section transversale du canal 20b immédiatement en amont de l'étranglement 74 soit inférieur ou égal à 0,6, et de préférence supérieur ou égal à 0,5.

En deçà de 0,5, la perméabilité du conduit devient insuffisante, notamment quand le moteur fonctionne à faible charge. De préférence, le rapport Surin 1 Samont est d'environ 0,5.

De préférence, l'étranglement 74 débouche directement dans la chapelle 50, ce qui, avantageusement, permet une augmentation du swirl.

Le renflement 73 du premier canal 20a est conformé de manière à compenser la perte de charge induite par l'étranglement 74. De préférence, le renflement 73 est déterminé pour que, dans un plan de coupe transversal perpendiculaire à la fibre neutre du conduit 20, la somme des sections des deux canaux 20a et 20b soit sensiblement égale à la section correspondante d'un conduit de même forme générale, mais qui ne comporterait pas l'étranglement 74 selon l'invention.

On appelle fibre neutre du conduit 20 , la ligne joignant les barycentres des sections du conduit prises dans des plans de coupe perpendiculaires à la direction générale du flux à travers le conduit 20, lesdites sections étant chacune constituées par une section du premier canal 20a et une section du deuxième canal 20b.

En suivant la fibre neutre du conduit 20 dans le sens de l'écoulement, le renflement 73 commence de préférence sensiblement au même niveau que l'étranglement 74, puis s'élargit à mesure que la section transversale du deuxième canal 20b se réduit.

De même, le conduit 20 pourra être fabriqué en une seule pièce par fonderie, la paroi de séparation 56 étant brute de fonderie et le siège de soupape 25 pourra être du type décrit dans la publication DE 19823798.

Par ailleurs, le siège de la soupape 25, ménagé à l'ouverture de sortie 40 du conduit 20, comporte un chanfrein excentrique 84 en forme de croissant, par exemple du type décrit dans la publication US 6098590. Si possible, le chanfrein 84 a la forme d'un tronc de cône dont le sommet est disposé du côté de l'intérieur du conduit 20 et dont l'axe, sensiblement coplanaire à l'orientation du conduit 20 à proximité de l'ouverture de sortie 40, est incliné vers l'ouverture d'entrée du conduit 20.

Le fonctionnement du conduit 20 selon l'invention est le suivant.

L'ouverture de la soupape provoque l'apparition d'un flux d'air dans le conduit 20, depuis le répartiteur d'admission 11 jusqu'au cylindre 14.

Lorsque les moyens d'obturation 66 sont ouverts, l'air circule dans les deux canaux 20a et 20b, ce qui permet d'assurer une perméabilité élevée. Le renflement 73 du premier canal 20a permet de compenser la perte de charge induite par l'étranglement 74, et donc de limiter la perte de charge globale du conduit 20. L'effet de l'étranglement 74 sur le swirl est limité du fait de l'interaction, dans la chapelle 50 entre les deux flux d'air issus des premier et deuxième canaux 20a et 20b.

Lorsque les moyens d'obturation 64 sont en position fermée, l'air ne pénètre dans le cylindre 14 que par le deuxième canal 20b. La position du deuxième canal 20b, débouchant à proximité de la paroi du cylindre 14, est favorable à la génération de swirl.

L'obturation du premier canal 20a permet donc de conserver l'écoulement 15 d'air qui est le plus favorable au swirl.

Conformément à l'invention, l'étranglement 74 contribue également à la réorientation et l'accélération du flux d'air sortant du canal 20b et entrant dans la chapelle 50. Ce flux se présente alors sous la forme d'un jet plus concentré, ou moins diffusif , et favorise l'obtention d'un swirl renforcé. La forme et la disposition particulière de l'étranglement 74, ainsi que la disposition particulière des deux conduits d'admission 20 et 22, contribuent avantageusement à l'augmentation du swirl.

L'obturation du premier canal évite aussi toute interaction entre les deux flux d'air issus des premier et deuxième canaux 20a et 20b susceptible de limiter l'effet 25 favorable sur le swirl du flux d'air issu de premier canal.

Ainsi, un swirl très fort peut être généré pour les points de fonctionnement du moteur faiblement chargés.

Bien que l'étranglement 74 induise une perte de charge supplémentaire sur le trajet de l'air jusqu'au cylindre, cette perte de charge ne nuit pas à l'efficacité du 30 moteur quand le moteur est faiblement chargé.

Dans une position de réglage intermédiaire des moyens d'obturation 66, le swirl et la perméabilité sont intermédiaires entre les valeurs qu'ils prennent dans les positions complètement ouverte et complètement fermée des moyens d'obturation décrites ci-dessus.

La présente invention n'est pas limitée au mode de réalisation décrit et représenté fourni à titre d'exemple illustratif et non limitatif. Le conduit selon l'invention peut ainsi être mis en oeuvre dans un moteur à combustion interne à deux ou quatre temps, à injection directe ou non, Diesel ou à essence. Enfin, le nombre de conduits d'admission, en particulier de conduits d'admission conformes à l'invention, n'est pas limitatif.

Claims (16)

REVENDICATIONS

1. Culasse de moteur à combustion interne, en particulier de moteur Diesel à injection directe ou de moteur à essence, dans laquelle est ménagé un conduit d'admission (20) comprenant des premier (20a) et deuxième (20b) canaux séparés l'un de l'autre par une paroi de séparation (56) et présentant chacun un orifice d'entrée (60a;60b) destiné à être connecté à un répartiteur d'admission (11) dudit moteur (10) et un orifice de sortie (64a; 64b) débouchant dans une chapelle commune (50) destinée à être connectée à une chambre de combustion (43) d'un cylindre (14) dudit moteur (10), caractérisé en ce que le deuxième canal (20b) comporte un étranglement local (74).

2. Culasse selon la revendication 1, caractérisée en ce que le premier canal (20a) est pourvu de moyens d'obturation (66) réglables de manière progressive.

3. Culasse selon les revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que l'étranglement (74) présente une forme de déflecteur s'étendant sensiblement selon un plan (E) formant un angle 0 compris entre 30 et 60 degrés avec la direction (C) dudit deuxième canal (20b) immédiatement en amont dudit étranglement (74).

4. Culasse selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'étranglement (74) débouche dans ladite chapelle (50).

5. Culasse selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'étranglement (74) s'étend sensiblement selon toute la largeur (I) du deuxième canal (20b).

6. Culasse selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que (1) 0,6 >_ Smin / Samont ? 0,5, où Smin est la surface minimale de la section transversale du deuxième canal (20b) le long de l'étranglement (74), et Samont est la surface de la section transversale du deuxième canal (20b) immédiatement en amont de l'étranglement (74).

7. Culasse selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le premier canal (20a) comporte un renflement (73) conformé de manière à compenser, au moins en partie, la perte de charge induite par l'étranglement (74).

8. Culasse selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que les premier (20a) et deuxième (20b) canaux sont conformés pour pouvoir être fabriqués par fonderie en une pièce monobloc.

9. Moteur à combustion interne comprenant une culasse (23) selon l'une quelconque des revendications précédentes.

10.Moteur selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'étranglement (74) est conformé et orienté de manière à détourner en direction du cylindre (14) un flux de fluide s'écoulant dans ledit deuxième canal (20b) vers le cylindre (14).

11.Moteur selon l'une des revendications 9 et 10, caractérisé en ce que, le conduit (20) étant disposé au-dessus du cylindre (14), l'étranglement (74) fait saillie d'une voûte (80) du deuxième canal (20b).

12.Moteur selon l'une quelconque des revendications 9 à 11, caractérisé en ce que, lorsque le moteur (10) est disposé horizontalement, la paroi de séparation (56) s'étend sensiblement verticalement.

13.Moteur selon l'une quelconque des revendications 9 à 12, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens d'obturation (66) réglables de manière progressive et conformés pour fermer le premier canal (20a) depuis une base inférieure (71) vers une voûte (72) du premier canal (20a).

14.Moteur selon l'une quelconque des revendications 9 à 13, caractérisé en ce que les premier (20a) et deuxième (20b) canaux débouchent dans la chapelle (50) selon un axe orienté sensiblement parallèlement à l'axe de rotation (M) du moteur (10).

15.Moteur selon l'une quelconque des revendications 9 à 14, caractérisé en ce que l'orifice de sortie (64a) du premier canal (20a) est plus éloigné d'une paroi cylindrique interne (26) du cylindre (14) que l'orifice de sortie (64b) du deuxième canal (20b).

16.Moteur selon l'une quelconque des revendications 9 à 15, caractérisé en ce qu'il comporte un deuxième conduit d'admission (22) débouchant par une deuxième ouverture de sortie (42) sur une deuxième soupape du cylindre (14), la droite (D) joignant les centres des ouvertures de sortie (40,42) des conduits (20,22) étant sensiblement parallèle à l'axe de rotation (M) du moteur (10).