FR2921118A1

FR2921118A1 - Cylindre de moteur a combustion pour vehicule automobile comprenant dans sa chambre de combustion ou sur sa culasse un ou des inserts a haute conductivite thermique

Info

Publication number: FR2921118A1
Application number: FR0757564A
Authority: FR
Inventors: Jean Bruno Zimmermann
Original assignee: Peugeot Citroen Automobiles SA
Current assignee: PSA Automobiles SA; GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2007-09-14
Filing date: 2007-09-14
Publication date: 2009-03-20
Anticipated expiration: 2027-09-14
Also published as: FR2921118B1

Abstract

L'invention concerne un cylindre de moteur à combustion pour véhicule automobile comprenant dans sa chambre de combustion ou sur sa culasse un ou des inserts à haute conductivité thermique.Ce cylindre est caractérisé en ce que le ou les inserts (6, 6a, 6e) à haute conductivité thermique sont disposés sur les zones les plus chaudes ou les plus éloignées du noyau initial de flamme de sa chambre de combustion (4) et/ou de sa culasse (3), le positionnement de ce ou ces inserts (6, 6a, 6e) se limitant à une partie de la chambre de combustion (4) et/ou de la culasse (3), les inserts (6, 6a, 6e) s'étendant ainsi de manière non uniforme et dissymétrique par rapport à l'axe (A) du cylindre (1) dans ou sur cette chambre de combustion (4) et/ou cette culasse (3).Applications dans le domaine des véhicules automobiles.

Description

Cylindre de moteur à combustion pour véhicule automobile comprenant dans sa chambre de combustion ou sur sa culasse un ou des inserts à haute conductivité thermique L'invention concerne un cylindre de moteur à combustion pour véhicule automobile muni d'inserts. Plus particulièrement, l'invention concerne un cylindre de moteur avec des inserts permettant d'obtenir une conductivité variable pour la chambre de combustion et/ou la partie de la culasse surplombant le cylindre afin d'éviter le phénomène de cliquetis. Le phénomène de cliquetis se produit lorsque les zones éloignées de la chambre de combustion atteignent des conditions favorables au phénomène d'auto-allumage avant l'arrivée du front de flamme. Les facteurs favorisant le cliquetis sont, entre autres, les caractéristiques du carburant, la température du liquide de refroidissement et celle de l'air d'admission en sachant que, plus les fluides moteurs et l'air admis sont chauds, plus le risque de cliquetis est élevé, la richesse du mélange, l'avance à l'allumage, la pression d'admission dans le cas des moteurs suralimentés, le rapport volumétrique du moteur. Dans ce dernier cas, deux effets s'opposent alors, l'augmentation de la vitesse de combustion, d'une part, ce qui limite l'apparition du phénomène et, d'autre part, la réduction du délai d'auto-inflammation, qui reste prépondérant et provoque le cliquetis.

Pour contrôler le cliquetis, il faut donc éviter une élévation trop forte de la température dans les zones éloignées de la chambre de combustion, ce qui se fait couramment par une diminution de la durée de combustion via des effets de turbulence ou une forte libération d'énergie en fin de combustion toujours par l'intermédiaire des effets de turbulence. Il est, par exemple, connu de prévoir dans les moteurs à combustion interne un dispositif pour produire dans les gaz d'admission ou dans le mélange carburé introduit dans le cylindre un mouvement aérodynamique forcé et contrôlé de rotation autour d'un axe sensiblement perpendiculaire à l'axe du cylindre et sensiblement parallèle à l'axe du vilebrequin. Ce mouvement permet d'obtenir un cycle de combustion plus tolérant vis-à-vis du cliquetis et des instabilités de combustion. Un tel procédé est connu du document US-A-6 705 280. D'autres moyens mettent en oeuvre une diminution de l'avance à l'allumage afin de décaler le processus de combustion vers la phase de détente, phase pour laquelle la combustion s'effectue dans un volume moins restreint et avec une diminution de pression liée à la détente du piston, l'effet d'augmentation de pression via la combustion restant néanmoins présent. Cette mesure nuit cependant au rendement du moteur et donc influe négativement sur la consommation de celui-ci. Il a été déterminé que la température critique du mélange qui conduirait au cliquetis se situait dans une 25 fourchette de 1000 à 1100 °K. Le document JP-A-2006177345 concerne la prévention du cliquetis dans un moteur par la réduction de la température des gaz non brûlés. Pour ce faire, ce document prévoit d'inclure un élément à haute 30 conductivité, au dessus et en dessous des éléments d'étanchéité entre la culasse et le cylindre empêchant les fuites de gaz de la chambre de combustion, cet élément à haute conductivité séparant ainsi la chambre de combustion en deux parties. S'il est utilisé un élément à 35 haute conductivité dans ce document, la position qu'occupe cet élément n'est pas la plus appropriée car n'étant pas spécifiquement située dans la zone la plus chaude de la culasse mais couvrant tout la périphérie du cylindre à sa jonction avec la culasse. Ainsi l'échange thermique obtenu par le dispositif selon ce document n'est pas assez suffisant pour éviter le phénomène de cliquetis.

Le problème de la présente invention est de combattre l'apparition du phénomène de cliquetis dû principalement à une augmentation de la chaleur dans la chambre de combustion en créant des échanges thermiques optimisés dans des zones spécifiques de cette chambre.

A cet effet, l'invention a pour objet un cylindre présentant à sa partie supérieure une chambre de combustion surmontée d'une culasse avec au moins une entrée d'admission d'air et une sortie d'échappement de gaz, la chambre et/ou la culasse incluant au moins un insert à haute conductivité thermique, caractérisé en ce que le ou les inserts à haute conductivité thermique sont disposés sur les zones les plus chaudes ou les plus éloignées du noyau initial de flamme de sa chambre de combustion et/ou de sa culasse, le positionnement de ce ou ces inserts se limitant à une partie de la chambre de combustion et/ou de la culasse, les inserts s'étendant ainsi de manière non uniforme et dissymétrique par rapport à l'axe du cylindre dans ou sur cette chambre de combustion et/ou cette culasse.

Selon d'autres caractéristiques de la présente 30 invention . - le ou les inserts offrent un chemin préférentiel d'écoulement de chaleur de la chambre de combustion vers le liquide caloporteur de refroidissement, constitué par l'eau ou l'huile de refroidissement du moteur, 35 dans le cas d'un moteur à quatre soupapes, un insert unique est placé du côté d'échappement de la chambre de combustion, - l'insert est disposé sur la culasse entre les deux ouvertures d'échappement de la chambre à combustion, - dans le cas d'un moteur à deux soupapes, un insert est disposé respectivement du côté admission et du côté échappement de la chambre de combustion dans une zone étant la plus éloignée du noyau initial de flamme pour chacun des côtés, - les inserts sont disposés respectivement à distance du conduit d'admission ou respectivement du 10 conduit d'échappement dans la chambre de combustion du 1 cylindre, - la chambre de combustion est en aluminium, et le ou les inserts sont en cuivre, - le ou les inserts sont intégrés partiellement à 15 la culasse et/ou de la chambre à combustion lors du moulage de celles-ci, le ou les inserts sont maintenus en place dans la culasse et/ou la chambre de combustion par des moyens mécaniques, comme par exemple, par soudage. 20 De façon générale, ces inserts se substituent à la matière de la culasse et assure donc le rôle de séparation entre la chambre de combustion et les fluides caloporteurs L'invention concerne aussi un moteur de véhicule automobile, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un tel cylindre. 30 L'invention va maintenant être décrite plus en détail mais de façon non limitative en regard des figures annexées, dans lesquelles : - la figure 1 est une représentation schématique 35 d'une coupe de la partie médiane et supérieure d'un cylindre d'un moteur quatre soupapes dont la chambre de combustion présente un insert conformément à l'invention, 25 - la figure 2 est une représentation schématique d'une vue de dessus d'un cylindre d'un moteur quatre soupapes selon la figure 1, - la figure 3 est une représentation schématique d'une coupe de la partie médiane et supérieure d'un cylindre d'un moteur deux soupapes dont la chambre de combustion présente deux inserts conformément à l'invention, - la figure 4 est une représentation schématique 10 d'une vue de dessus d'un cylindre d'un moteur deux soupapes selon la figure 3.

A la figure 1 est représenté schématiquement les parties médiane et haute d'un cylindre 1 d'un moteur à 15 combustion interne. Ce cylindre 1 fait partie d'un bloc cylindre recouvert par une culasse formant le bloc moteur de manière connue en soi et non montré aux figures. Chaque cylindre 1 présente un axe principal A vertical. Un piston 2 est monté coulissant le long des parois 20 latérales du cylindre 1, ce piston étant, en outre, de manière connue en soi, solidarisé à sa partie inférieure à une bielle entraînant en rotation, par l'intermédiaire d'une liaison excentrique, un vilebrequin du moteur à combustion interne, ces éléments n'étant pas montrés aux 25 figures. Le cylindre 1 est surmonté à sa partie supérieure par la culasse 3. Cette culasse 3 présente une base définissant un plan e de culasse orthogonal à l'axe A du cylindre 1. La tête de cylindre 1 présente ainsi une forme de cône dont le sommet est tourné vers la face 30 supérieure de la culasse 3. La face supérieure du piston 2 délimite avec la tête de cylindre associée une chambre de combustion 4. Un injecteur de carburant et une bougie d'allumage 5 sont agencés au sommet de chaque tête de cylindre et débouchent dans la chambre de combustion 4. 35 Le cylindre 1 est pourvu de deux ouvertures d'admission 7' d'air et de deux ouvertures d'échappement 8' réparties sur la tête de cylindre 1. Les ouvertures d'admission 7' d'air débouchent sur un premier plan de tête de cylindre 1 qui s'étend dans une première demi-périphérie de ladite tête jusqu'à son sommet en faisant un premier angle non nul avec le plan e de culasse.

Les ouvertures d'échappement 8' débouchent sur un second pan de la tête de cylindre 1 qui s'étend de l'autre demi-périphérie de ladite tête jusqu'à son sommet en faisant un second angle non nul avec le plan e de culasse.

La culasse 3 présente deux conduits d'admission 7 d'air dont une première extrémité est raccordée à un répartiteur d'air, non montré aux figures, destiné à alimenter la chambre de combustion en air frais et dont une seconde extrémité est raccordée à la tête de cylindre 1 par l'intermédiaire des ouvertures 7' d'admission d' air. La culasse 3 présente pour le cylindre deux conduits d'échappement 8 qui prennent naissance dans la chambre de combustion 4 au niveau des deux ouvertures d'échappement 8'. Les deux conduits 7 coopèrent chacune avec une soupape d'admission 9 pourvue d'une tête de soupape qui règle le débit d'arrivée d'air dans la chambre de combustion 6 et d'un corps relié à des moyens d'actionnement de la soupape. Les conduits d'échappement 8 coopèrent aussi avec des soupapes dites soupapes d'échappement 10 qui régulent le débit de gaz brûlés en sortie de la chambre de combustion.

Classiquement, les soupapes d'admission 9 sont plus larges que les soupapes d'échappement 10, ce qui est le cas à la figure 1.

La présente invention consiste à décomposer la chambre de combustion en plusieurs zones, plus particulièrement de la culasse, afin de créer des zones facilitant ou limitant les échanges thermiques. Cet effet d'échanges thermiques optimisés permet à ces zones de dissiper plus de chaleur afin de limiter l'effet d'apparition du cliquetis lié à l'augmentation de température.

Selon l'invention, le ou les inserts à haute conductivité thermique sont disposés sur les zones les plus chaudes ou les plus éloignées du noyau initial de flamme de sa chambre de combustion et/ou de sa culasse, le positionnement de ce ou ces inserts se limitant à une partie de la chambre de combustion et/ou de la culasse, les inserts s'étendant ainsi de manière non uniforme et dissymétrique par rapport à l'axe A du cylindre 1 dans ou sur cette chambre de combustion 4 et/ou cette culasse 3. Ainsi il n'y a pas de symétrie des inserts utilisés comme pour les inserts déjà connus de l'état de la technique qui faisaient par exemple le tour complet de la surface de contact de la culasse avec le cylindre. Selon l'invention, les inserts sont dissymétriques par rapport à l'axe principal du cylindre car de forme plus grande ou localisés seulement pour des zones devant être soumises à un échange thermique plus fort afin d'améliorer cet échange.

La fixation de ces inserts sur la culasse et/ou la 25 chambre de combustion peut s'effectuer de différentes manières. Par exemple, le ou les inserts peuvent être intégrés partiellement à la culasse et/ou la chambre de combustion lors du moulage de celles-ci. Il est aussi 30 possible de maintenir le ou les inserts en position sur la culasse et/ou la chambre de combustion par des moyens mécaniques, comme par exemple, par soudage.

Pour le cas d'un moteur quatre soupapes, comme il 35 est montré aux figures 1 et 2, les inserts sont préférentiellement placés du côté échappement, ce côté étant le plus chaud. Les inserts sont aussi avantageusement disposés entre les soupapes d'échappement 10. Il est à noter que les zones où sont placées les inserts sont dépendantes de la conception de la chambre de combustion, mais se situent du côté le plus chaud de cette chambre, donc en général du côté échappement ou dans les zones les plus éloignées du front de flamme qui sont atteintes en dernière du fait de leur éloignement. A la figure 2, un exemple de positionnement d'insert est montré. Dans le cas de cette figure, un seul insert 6 est positionné sur la culasse 3 principalement à l'extérieur de celle-ci. Cet insert 6 est positionné entre les deux ouvertures d'échappement 8' et les conduits d'échappement 8 partant de ces ouvertures 8'. L'insert peut également être placé dans la zone autour de la bougie ou zone de filetage lorsque la forme du noyau d'eau ne permet pas une évacuation suffisante de l'excès de thermique dans cette zone, et que l'utilisation de bougie d'allumage à haut indice thermique n'est pas suffisante.

La figure 3 montre le cas d'un moteur deux soupapes et la description générale faite pour la figure 1 peut être reprise pour cette figure, à la différence qu'il n'existe dans ce cas qu'un seul conduit et une seule soupape pour l'admission en air et l'échappement. Par contre, les zones de positionnement des inserts sont différentes, étant donné que l'échange thermique ne se fait pas dans les mêmes conditions. Par expérience, il a été déterminé que les zones les plus sensibles au cliquetis étaient les zones les plus éloignées du noyau initial de flamme. La figure 4 montre un exemple possible de positionnement d'inserts dans le cas d'un moteur deux soupapes. Sur cette figure, les inserts sont positionnés dans les zones les plus éloignées du noyau initial de flamme, du côté admission aussi bien que du côté échappement, avec la répartition d'un insert 6a du côté de l'admission et un insert 6e du côté de l'échappement. Ces deux inserts 6a et 6e sont sensiblement espacés des ouvertures d'admission 7' et d'échappement 8' et présentent des formes différentes. En effet, l'insert 6e placé du côté de l'échappement présente le plus grand volume, car devant évacuer plus de chaleur. Si leur disposition peut être qualifiée de sensiblement symétrique par rapport à l'axe A du cylindre, il n'en est donc pas de même pour leur forme qui est différente pour chacun des inserts 6a ou 6e selon qu'ils se trouvent du côté de l'admission ou du côté de l'échappement.

Dans tous les cas, ces inserts doivent autoriser un transfert de chaleur accentué depuis la chambre de combustion vers le liquide caloporteur de refroidissement, c'est-à-dire l'eau et/ou l'huile de refroidissement du moteur.

Dans le cas d'une chambre en aluminium, les inserts peuvent, par exemple, être réalisés en cuivre, matière conduisant mieux la chaleur, le but de ces inserts étant d'offrir aux flux thermiques un chemin préférentiel d'évacuation de la chaleur afin d'éviter qu'une zone du cylindre ne soit le siège d'un trop grand accroissement de chaleur favorable au déclenchement du cliquetis.

Les positionnements des inserts sel. •on les figures précédentes ont été présentés à titre d'exemple, les zones de fortes températures variant en fonction de la configuration de la chambre elle-même, de la position de la bougie, de l'aérodynamique des gaz dans la chambre, fonction également de la géométrie ou de dispositifs générateurs de turbulences. Les exemples de moteur à deux ou à quatre soupapes n'ont été seulement présentés que pour souligner les spécificités génériques de ces deux types de chambre. D'autres positionnements peuvent être choisis en gardant comme fil conducteur que les inserts doivent s'insérer dans les zones les plus chaudes ou parcourues en dernier par les gaz d'échappement.

Il est ainsi possible de maîtriser d'une manière simple le phénomène de cliquetis. Cela permet d'augmenter le taux de compression, ce qui a pour effet d'améliorer le rendement du moteur et donc de diminuer sa consommation, d'obtenir une meilleure stabilité de combustion et de diminuer la mesure de précaution contre le cliquetis concernant le retrait d'avance afin d'éviter l'apparition du cliquetis, mesure qui nuit au rendement du moteur et donc à la consommation de celui-ci.

Claims

REVENDICATIONS

1. Cylindre (1) présentant à sa partie supérieure une chambre de combustion (4) surmontée d'une culasse (3) avec au moins une entrée d'admission (7') d'air et une sortie d'échappement (8') de gaz, la chambre (4) et/ou la culasse (3) incluant au moins un insert (6, 6a, 6e) à haute conductivité thermique, caractérisé en ce que le ou les inserts (6, 6a, 6e) à haute conductivité thermique sont disposés sur les zones les plus chaudes ou les plus éloignées du noyau initial de flamme de sa chambre de combustion (4) et/ou de sa culasse (3), le positionnement de ce ou ces inserts (6, 6a, 6e) se limitant à une partie de la chambre de combustion (4) et/ou de la culasse (3), les inserts (6, 6a, 6e) s'étendant ainsi de manière non uniforme et dissymétrique par rapport à l'axe (A) du cylindre (1) dans ou sur cette chambre de combustion (4) et/ou cette culasse (3).

2. Cylindre (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le ou les inserts (6, 6a, 6e) offrent un chemin préférentiel d'écoulement de chaleur de la chambre de combustion (4) vers le liquide caloporteur de refroidissement, constitué par l'eau ou l'huile de refroidissement du moteur.

3. Cylindre (1) selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que, dans le cas d'un moteur à quatre soupapes, un insert (6) unique est placé du côté d'échappement de la chambre de combustion (4).

4. Cylindre (1) selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'insert (6) est disposé sur la culasse (3) entre les deux ouvertures d'échappement (8') de la chambre à combustion (4).

5. Cylindre (1) selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que, dans le cas d'un moteur à deux soupapes, un insert (6a, 6e) est disposé respectivement du côté admission et du côté échappement de la chambre decombustion (4) dans une zone étant la plus éloignée du noyau initial de flamme pour chacun des côtés.

6. Cylindre (1) selon la revendication 5, caractérisé en ce que les inserts (6a, 6e) sont disposés respectivement à distance du conduit d'admission (7) ou respectivement du conduit d'échappement (8) dans la chambre de combustion (4) du cylindre (1).

7. Cylindre (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la chambre de combustion (4) est en aluminium, et le ou les inserts (6, 6a, 6e) sont en cuivre.

8. Cylindre (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le ou les inserts (6, 6a, 6e) sont intégrés partiellement à la culasse (3) et/ou de la chambre à combustion (4) lors du moulage de celles-ci.

9. Cylindre (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes 1 à 7, caractérisé en ce que le ou les inserts (6, 6a, 6e) sont maintenus dans la culasse (3) et/ou la chambre de combustion (4) par des moyens mécaniques, comme par exemple, par soudage.

10. Moteur de véhicule automobile, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un cylindre (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes.25