FR2900969A3 - Conduit d'admission a aerodynamique variable - 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 comprenant des premier (22a) et deuxième (22b) canaux séparés l'un de l'autre par une paroi de séparation (51) et présentant chacun un orifice d'entrée destiné à être connecté à un répartiteur d'admission dudit moteur et un orifice de sortie (64a ; 64b) débouchant dans une chapelle commune destinée à recouvrir une tête d'une soupape.La culasse selon l'invention est remarquable en ce que les premier (22a) et deuxième (22b) canaux sont superposés selon l'axe (S) de ladite soupape.

Description

1 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, ainsi qu'à un procédé de fabrication d'un noyau de sable permettant la fabrication d'une telle culasse. Dans les moteurs à combustion interne, qu'il s'agisse de moteur à essence ou de moteur 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 connaît de US 6,550,447 B2 un dispositif d'admission de gaz qui comprend deux conduits d'admission débouchant au dessus d'une même soupape. Le premier conduit a une forme en hélicoïde, le deuxième une forme droite. L'orientation du flux de gaz dans le conduit hélicoïdal seul ou dans les deux conduits permet de faire varier le swirl . Ce dispositif nécessite cependant un procédé de fabrication complexe, ainsi qu'une épaisseur de matière importante entre les deux conduits. En outre, l'encombrement des conduits est important. On connaît également de EP 1 188 912 un dispositif d'admission d'air qui comprend deux conduits d'admission agencés de façon à présenter un encombrement réduit. Au moins un des conduits est divisé en des premier et deuxième canaux par une paroi interne de séparation verticale. Le premier canal 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 dans le deuxième canal. 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 le deuxième canal et débouchant à la périphérie du cylindre. Quand le moteur fonctionne à faible charge, le swirl reste ainsi satisfaisant. On connaît finalement de FR 2 871 169 un dispositif d'admission de gaz constitué d'un conduit d'admission comportant des canaux séparés par une paroi 2 plane sensiblement verticale. Le deuxième canal possède un étranglement local susceptible d'induire un mouvement de rotation au gaz le traversant. La répartition du flux de gaz entre les deux canaux permet de contrôler le swirl . Les dispositifs décrits dans EP 1 188 912 et FR 2 871 169 sont classiquement fabriqués en disposant dans un moule de culasse en deux parties un noyau de sable en forme dudit conduit. Après coulage et refroidissement d'un alliage d'aluminium dans le moule, le noyau de sable est éliminé, laissant place à un conduit de même forme. Industriellement, un unique noyau de sable est utilisé pour fabriquer simultanément tous les conduits d'une même culasse. Les branches du noyau correspondant aux différents conduits sont alors réunies par une base, formant ainsi une sorte de peigne . Pour former la paroi de séparation entre les canaux il est possible soit de laisser une cloison entre les deux parties du noyau de sable qui servira alors de paroi de séparation, soit de laisser un vide entre les deux parties du noyau de sable et de former ladite paroi de séparation brute de fonderie. La fabrication du noyau de sable diffère en fonction du procédé choisi pour l'obtention de la paroi de séparation. Quel que soit le procédé utilisé, la préparation du noyau de sable se fait en injectant du sable à l'intérieur d'un moule en plusieurs parties. La forme générale du peigne implique que le plan de joint P entre les parties du moule soit sensiblement perpendiculaire aux parois de séparation verticales. La préparation d'un noyau de sable utilisé dans le procédé formant une paroi de séparation brute de fonderie, nécessite l'utilisation d'un moule comme représenté sur la figure 1. Ce moule est constitué de deux parties, une partie inférieure 1 a et une partie supérieure 1 b, qui sont placées face à face de manière à délimiter la forme du noyau de sable. En particulier, les parties du moule présentant des cloisons verticales Cl, C2, C3 et C4 permettant de ménager des fentes pour les futurs parois de séparation des différents conduits. Comme illustré sur la figure 1, il est nécessaire pour permettre le démoulage d'avoir un angle de dépouille a entre les faces tangentes à la direction de démoulage et ladite direction de démoulage. De plus, la non-coïncidence parfaites des surfaces de contact Sa et Sb des deux parties de moule entraîne la formation d'une arête vive 2 au niveau du plan de joint P dans le noyau de sable. Cette arête vive est alors présente dans le futur conduit d'admission. 3 La présence d'une arête vive dans le conduit d'admission est particulièrement indésirable. En effet, cette arête peut être une source de fissuration de la culasse. Ce mode de réalisation présente donc l'inconvénient d'exiger un positionnement très précis des deux parties de moule, toute erreur de position entrainant la présence d'arêtes vives et réduisant la durée de vie de la culasse. La préparation d'un noyau de sable intégrant une cloison destinée à servir de paroi de séparation présente d'autres inconvénients. En premier lieu, elle nécessite l'utilisation d'une cloison par conduit, ce qui multiplie le nombre de cloisons à introduire.

De plus, chaque cloison doit d'abord être placée dans une fente dans la partie inférieure la du moule, puis doit venir se loger dans une fente similaire dans la partie supérieure 1 b du moule lors de la fermeture de ce dernier. Il faut donc que les deux parties de moule s'emboitent parfaitement et sans jeu. Ce mode de réalisation n'est donc pas facilement réalisable en cas de production industrielle, en particulier pour fabriquer des noyaux à plusieurs branches. Il existe un besoin permanent pour une culasse de moteur à combustion interne permettant d'agir efficacement sur le swirl , fiable, et dont la fabrication industrielle soit facilement réalisable. 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 recouvrir une tête d'une soupape. La culasse selon l'invention est remarquable en ce que les dits premier et deuxième canaux sont superposés selon l'axe de ladite soupape, c'est-à-dire que, dans le cas d'une application à un véhicule automobile à l'horizontal, les premier et deuxième canaux sont l'un au-dessus de l'autre.

La nouvelle disposition des deux canaux de la culasse selon l'invention permet, tout en conservant un effet positif sur le swirl , et comme on le verra plus en détail dans la suite de la description, d'en faciliter la fabrication industrielle, tout en 4 évitant le présence d'arêtes vives en cas de positionnement relatif des parties de moule approximatif. De préférence, la culasse selon l'invention comporte une, et de préférence encore plusieurs, des caractéristiques optionnelles suivantes : Les surfaces des premier et deuxième canaux constituées par la paroi de séparation ne sont pas en coïncidence. Ladite paroi de séparation présente une épaisseur au plus égale à 3,5 mm, de préférence au plus égale à 2 mm. Ledit premier canal comporte un becquet apte à donner un mouvement de rotation 10 au flux de gaz sortant dudit canal, de préférence un mouvement de rotation autour d'un axe parallèle à l'axe de la soupape. L'un desdits deux canaux, de préférence le deuxième canal, est pourvu de moyens d'obturation réglables. Combinée avec les caractéristiques précédentes, cette caractéristique permet ainsi d'agir précisément sur le swirl , comme selon la 15 technique antérieure. L'invention concerne également un procédé de fabrication d'un noyau de conduit, généralement d'un noyau à base de sable, destiné au ménagement d'un conduit d'admission dans une culasse d'un moteur de véhicule automobile, de préférence d'une culasse selon l'invention le noyau étant séparé par une cloison 20 longitudinale en des première et deuxième parties. Ce procédé comporte les étapes successives suivantes : a) réalisation d'une empreinte de noyau de conduit par assemblage de deux parties de moule et mise en place de la cloison, b) injection d'un matériau au sein de l'empreinte et durcissement dudit matériau 25 de manière à définir ledit noyau, c) démoulage dudit noyau. Ledit procédé est remarquable en ce qu'à l'étape a) on dispose ladite cloison selon le plan de joint des deux parties de moule. Selon un mode de réalisation préféré, ladite cloison est une plaque, de 30 préférence sensiblement plane. En variante cependant, la cloison est conformée pour ménager dans le noyau un enfoncement apte à définir un becquet dans ledit conduit d'admission. De préférence, les parties de moule sont conformées de manière que le noyau démoulé permette de définir simultanément une pluralité de conduits d'admission à deux canaux superposés selon les axes de la soupape, c'est-à-dire généralement l'un au-dessus de l'autre. Comme on le verra plus en détail dans la suite de la description, l'introduction de ladite plaque selon le plan de joint des deux parties de moule permet 5 de fabriquer une paroi de séparation de manière beaucoup plus facile que selon les procédés de l'art antérieur. Avantageusement cela permet aussi d'obtenir une séparation exempte d'angle de dépouille. L'invention concerne également l'utilisation d'un noyau fabriqué selon un procédé conforme à l'invention pour ménager un conduit d'admission, présentant des premier et deuxième canaux superposés et séparés par ladite cloison, d'une culasse selon l'invention. L'utilisation dudit noyau permet de faciliter la fabrication industrielle des culasses selon l'invention. L'invention concerne finalement un moteur à combustion interne comprenant une culasse selon l'invention. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre et à l'examen des dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 représente très schématiquement une coupe d'un moule selon l'art antérieur ; - la figure 2 représente très schématiquement un moteur de véhicule automobile, en coupe longitudinale ; - la figure 3 représente une vue partielle de côté d'un conduit d'admission d'une culasse selon l'invention ; la figure 4 représente une vue partielle de trois quarts dessous du conduit d'admission, représenté sur la figure 2 ; la figure 5 représente très schématiquement une coupe d'un moule utilisable pour fabriquer un noyau suivant un procédé selon l'invention. Les volumes représentés sur la figure 4 correspondent à la forme générale de noyaux de sable pouvant être utilisés pour ménager les conduits lors de la fonte de la culasse. 6 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. Comme représenté sur la figure 2, 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. Selon le mode de réalisation préféré de l'invention, un unique conduit d'admission relie le répartiteur d'admission 11 à chaque cylindre 14. Les premier et deuxième conduits d'admission, 20 et 22, respectivement comportent chacun une ouverture d'entrée 30 et 32, respectivement, connectée au répartiteur d'admission 11 et une ouverture de sortie 40 et 42, respectivement, connectée à une chambre de combustion 43 du cylindre 14.

Comme représenté sur la figure 3, le conduit d'admission 22 comporte des canaux supérieur 22a et inférieur 22b, séparés par une paroi interne de séparation 51 s'étendant depuis l'ouverture d'entrée 30 jusqu'à une chapelle 52 dans laquelle débouche le conduit 22. Selon l'invention, le canal supérieur 22a est superposé au canal inférieur 22b.

De préférence, la culasse selon l'invention est fabriquée suivant le procédé selon l'invention décrit ci-dessous. Cela permet de faciliter grandement sa fabrication industrielle. La chapelle 52, destinée à recouvrir une tête d'une soupape, non représentée, est traversée sensiblement verticalement selon un axe S de soupape, par une tige 53 de ladite soupape représentée sur la figure 4. La tige de soupape 53 est montée mobile en translation selon la direction verticale dans un évidement 54. La chapelle 52 est dimensionnée pour autoriser un déplacement de la tête de soupape qu'elle couvre entre des positions ouverte et fermée dans lesquelles le 7 volume intérieur du cylindre 14 est sélectivement en communication et isolé du volume intérieur du conduit 22, respectivement. Dans la position fermée, la tête de soupape repose sur un siège de soupape 55. Les canaux 22a et 22b débouchent du côté de l'entrée du conduit 22 par des orifices d'entrée. Les orifices d'entrée constituent l'ouverture d'entrée 32 du conduit 22. Du côté de la sortie du conduit 22, les canaux 22a et 22b débouchent tous les deux dans la chapelle 52, par des orifices de sortie 64a et 64b, respectivement. Le premier canal 22a est de préférence pourvu de moyens d'obturation commandés, 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 EP 1 188 912. De préférence, le deuxième canal 22b comporte un becquet 65 et présente une forme hélicoïdale, c'est-à-dire qu'il s'enroule autour de la tige de soupape 53. Cette forme permet de mettre en rotation l'air admis dans la chambre de combustion, au moment où il pénètre dans le cylindre. On entend par becquet 65 une réduction locale de la section transversale du canal 22b, conformée de manière à repousser l'air vers la paroi de séparation 51. De préférence les deux surfaces 56a et 56b ne sont pas en coïncidence par exemple du fait de la présence d'un becquet dans le seul canal 22b. Classiquement la non-coïncidence de ces deux surfaces conduit à la présence d'une arête vive qui peut être source de fissuration de ladite culasse. Comme on le verra plus en détail dans la suite de la description la présence d'une cloison entre les deux canaux 22a et 22b de manière que ces canaux soient superposés permet d'éviter les problèmes de la formation d'arêtes vives et donc le risque de fissuration de la culasse.

La culasse selon l'invention fonctionne de la manière suivante. Pour les points de régime et de charge élevés, le besoin en swirl est relativement réduit. Il faut par contre que l'air puisse passer sans contrainte dans les canaux, c'est-à-dire que le conduit présente une perméabilité élevée. Dans ce mode de fonctionnement, les deux canaux 22a et 22b du conduit 22 débitent totalement. Le système d'obturation est complètement ouvert. L'air se répartit entre les deux canaux. Le canal 22b créé un mouvement de rotation, alors que le canal 22a alimente massivement la chambre de combustion en air. 8 Dans ce mode de fonctionnement, l'écoulement dans le canal 22b déclenche un mouvement de rotation dans la chambre de combustion. Ce mouvement est dû à la forme du becquet 65 du canal 22b, qui oriente le flux d'air contre la paroi du cylindre. Dans le même temps, l'écoulement du canal 22a se disperse dans le siège de soupape 55 sans direction privilégiée. Ceci tempère la rotation du flux dans la chambre de combustion. Le niveau de swirl atteint est donc relativement bas et la perméabilité élevée. Dans un autre mode de fonctionnement correspondant à des points de régime et de charge faibles, les moyens d'obturation 66 sont fermés. La quasi-totalité de l'écoulement passe donc par le canal 22b. Cet écoulement est dirigé vers la paroi du cylindre par la forme du canal 22b. Ceci provoque un mouvement de swirl puissant car il n'est pas perturbé par l'écoulement provenant du canal 22a. Ainsi, selon l'invention, un swirl très fort peut être généré pour les points de fonctionnement du moteur faiblement chargés.

Dans une position de réglage intermédiaire des moyens d'obturation 66, le swirl et la perméabilité sont intermédiaires. Ils prennent des valeurs comprises entre les valeurs qu'ils prennent dans les positions complètement ouverte et complètement fermée des moyens d'obturation décrits ci-dessus. Ces deux modes de fonctionnement sont les deux extrêmes. En effet, tous les modes de fonctionnement intermédiaires sont possibles, entre le canal 22a complètement ouvert et complètement fermé. Le swirl et la perméabilité varient alors en fonction de la fermeture du canal 22a. Le conduit décrit ci-dessus peut être ménagé dans une culasse par insertion d'un noyau de sable suivant le procédé selon l'invention décrit ci-dessous.

Ce procédé comporte les étapes successives suivantes : a) réalisation d'une empreinte par assemblage de deux parties de moule 72a et 72b (figure 5) et mise en place d'une cloison, de préférence sous forme d'une plaque 73, longitudinale, de manière à séparer le futur noyau en des première et deuxième parties, b) injection d'un matériau, par exemple un matériau à base de sable, au sein de l'empreinte et durcissement dudit matériau de manière à définir ledit noyau, c) démoulage dudit noyau. Ledit procédé est remarquable en ce qu'à l'étape a) on dispose ladite cloison 73, selon le plan de joint 74 séparant les deux parties de moules 72a et 72b. 9 Comme illustré sur la figure 5, la position de la cloison 73 permet d'utiliser un même ensemble de parties de moule 72a et 72b pour la fabrication de noyaux de sable destinés à fabriquer différents conduits d'une culasse selon l'invention. Elle offre de plus une grande tolérance de position des deux parties de moule. Il en résulte une plus grande facilité de la fabrication industrielle des noyaux de sable. Comme on le verra plus en détail dans la suite de la description, les faces du noyau de conduit qui, après démoulage, délimitent la paroi de séparation peuvent ainsi avantageusement être sensiblement planes, sans présenter d'angle de dépouille. L'épaisseur de la paroi peut ainsi être réduite au minimum. A l'étape a), ladite cloison, de préférence plane, peut avantageusement présenter une épaisseur constante inférieure à 3,5 mm, de préférence à 2 mm. II en résulte une économie de matière et un encombrement diminué. A l'étape b) ledit matériau injecté au sein de l'empreinte est de préférence à base de sable. Il remplit alors parfaitement la forme du moule.

Le procédé selon l'invention est de préférence mis en oeuvre pour fabriquer des noyaux destinés à la fabrication de conduits de culasses selon l'invention. En l'absence de la cloison selon l'invention il se forme une arête vive au niveau du plan de joint du noyau de sable si les deux parties de moule ne sont pas exactement en coïncidence.

Comme l'illustre la figure 5, la présence de ladite cloison 73 selon le plan de joint 74 des deux parties de moules permet d'éviter la présence d'une arête vive au niveau du plan de joint 74. Les exigences de position des parties de moule sont donc réduites, ce qui contribue à faciliter la fabrication industrielle des noyaux de sable. De plus, les surfaces 51a et 51b en regard des deux parties du noyau de sable correspondant aux canaux 22a et 22b en contact avec la plaque 73, peuvent avantageusement présenter des formes différentes, par exemple pour aménager un becquet dans un seul des deux canaux, sans que cette non-coïncidence ne conduise à la présence d'arêtes vives. Avantageusement, le risque de fissuration du conduit en est limité.

Avantageusement, la position horizontale de la cloison 73 de séparation selon l'invention permet de s'affranchir d'angles de dépouilles le long de ladite cloison. L'absence d'angles de dépouille le long de ladite cloison permet d'avoir une épaisseur de ladite plaque inférieure ou égale à 2 mm. L'épaisseur de ladite plaque étant sensiblement la même que celle de la future paroi de séparation des conduits 10 dans la culasse selon l'invention, une trop grande épaisseur de cette plaque entraine une perte d'efficacité de la culasse. II est donc avantageux de pouvoir obtenir une épaisseur constante et de préférence inférieure ou égale à 2 mm. Pour fabriquer une culasse selon l'invention, on peut procéder de la manière suivante : Des noyaux de sable correspondant aux conduits d'admission, sont moulés suivant le procédé selon l'invention et placés à l'intérieur du moule. On remplit alors de métal liquide le moule. Le métal s'écoule tout autour des noyaux de sable et durcit. Lorsque le métal est solidifié, le sable est retiré et les parties intérieures laissées ainsi vides, définissant les conduits d'admission. Le conduit 22, selon l'invention, est obtenu en utilisant le noyau de sable obtenu par le procédé de fabrication selon l'invention. Pour former la paroi de séparation 51 entre les canaux 22a et 22b, il est préférable de conserver la cloison alors utilisé. En variante, cette plaque peut être retirée avant d'introduire le noyau dans le moule. La paroi de séparation 51 est alors brute de fonderie. Bien entendu, la présente invention n'est pas limitée aux différents modes de réalisation décrits, représentés et fournis à titre d'exemples illustratifs et non limitatifs. 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. Le nombre de conduits d'admission, en particulier de conduits d'admission conformes à l'invention, n'est pas limitatif.

Claims (9)

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 (22) comprenant des premier (22a) et deuxième (22b) canaux séparés l'un de l'autre par une paroi de séparation (51) et présentant chacun un orifice d'entrée 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 destinée à recouvrir une tête d'une soupape, caractérisée en ce que les premier (22a) et deuxième (22b) canaux sont superposés selon l'axe (S) de ladite soupape.

2. Culasse selon la revendication 1, caractérisée en ce que les surfaces des premier (22a) et deuxième (22b) canaux constituées de la paroi de séparation (51) ne sont pas en coïncidence.

3. Culasse selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que la paroi de séparation (51) présente une épaisseur au plus égale à 3,5 mm.

4. Culasse selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la paroi de séparation (51) présente une épaisseur au plus égale à 2 mm.

5. Culasse selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en 20 ce que le premier canal (22a) comporte un becquet (65) apte à donner un mouvement de rotation au flux de gaz sortant dudit canal.

6. Culasse selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'un des deux canaux (22a ; 22b) est pourvu de moyens d'obturation réglables . 25

7. Procédé de fabrication d'un noyau de conduit destiné au ménagement d'un conduit d'admission d'un gaz dans une culasse d'un moteur de véhicule automobile, le noyau étant séparé par une cloison longitudinale en des première et deuxième parties, ce procédé comportant les étapes successives suivantes : a) réalisation d'une empreinte de noyau de conduit par assemblage de deux 30 parties de moule (72a ; 72b) et mise en place de la cloison (73), 12 b) injection d'un matériau au sein de l'empreinte et durcissement dudit matériau de manière à définir ledit noyau. c) démoulage dudit noyau, caractérisé en ce qu'à l'étape a) on dispose ladite cloison (73) selon le plan de joint (74) des deux parties de moule.

8. Utilisation d'un noyau fabriqué selon un procédé conforme à la revendication 7, pour ménager un conduit d'admission, présentant des premier (22a) et deuxième (22b) canaux superposés et séparés par ledit insert, d'une culasse selon l'une quelconque des revendications 1 à 6.

9. Moteur à combustion interne comprenant une culasse selon l'une quelconque des revendications 1 à 6.