FR3027344A1 - Agencement de culasse pour moteur a combustion interne - Google Patents

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Abstract

La présente invention concerne un agencement de culasse pour un moteur à combustion interne, comprenant : un boîtier (12) dans lequel est disposée une pluralité d'éléments (18), et un canal optique (24) qui est réalisé dans le boîtier (12) et qui est associé à au moins l'un des éléments (18), un capteur à infrarouge (28) étant associé au canal optique (24) qui est réalisé de manière à détecter, lequel à travers le canal optique (24) un rayonnement infrarouge (30) provenant de l'au moins un élément (18), afin de déterminer une température de l'au moins un élément (18).

Description

DESCRIPTION La présente invention concerne un agencement de culasse pour un moteur à combustion interne, comprenant un boîtier dans lequel est disposée une pluralité d'éléments, et un canal optique qui est réalisé dans le boîtier et qui est associé à au moins l'un des éléments.
La présente invention concerne en outre un procédé pour mesurer une température d'un élément d'un agencement de culasse d'un moteur à combustion interne. Finalement, l'invention concerne un moteur à combustion interne pour un véhicule automobile, comprenant un bloc-moteur qui 10 présente au moins un cylindre et un piston. Dans le domaine de la technique automobile, les exigences légales et les exigences des clients ont conduit à des moteurs à combustion à consommation réduite, qui présentent une puissance de moteur spécifique augmentant constamment. De telles densités de puissance accrues 15 entraînent une augmentation de l'énergie thermique qui est évacuée sous forme de chaleur perdue hors de la chambre de combustion dans le système de refroidissement et l'environnement. Du fait de cette chaleur perdue accrue, la sollicitation thermique de nombreux composants du moteur à combustion interne augmente aussi, en particulier des éléments tels que les 20 pistons, les soupapes, la culasse, le collecteur de gaz d'échappement et le turbocompresseur étant soumis à une sollicitation thermique accrue. La sollicitation thermique croissante est habituellement combattue par un refroidissement accru, des mesures constructives et une utilisation de matériaux de plus grande qualité, afin de garantir la fiabilité 25 des moteurs. En l'occurrence, les mesures constructives sont en général plus économiques et les matériaux de plus grande qualité sont plus chers, mais associés à un moindre coût de construction. Le développement des moteurs à combustion interne doit par conséquent prendre en compte l'échauffement d'éléments particuliers 30 pendant le fonctionnement réel du moteur et notamment l'échauffement des soupapes pendant le fonctionnement réel du moteur, afin de ne pas dépasser des limites de température définies. Comme toute modification constructive peut entraîner aussi une variation de la température de certains composants - 2 - pendant le fonctionnement, une détermination continue de la température de certains composants est nécessaire pendant la phase de développement. Pour la détermination des températures de certains éléments pendant le fonctionnement réel du moteur, comme par exemple des 5 soupapes, on utilise habituellement certains matériaux dont la modification en termes de dureté permet de déduire des informations relatives aux températures de fonctionnement. En outre, des thermocouples sont également intégrés à certains éléments du moteur à combustion interne, afin de pouvoir mesurer des répartitions de températures pendant le 10 fonctionnement. L'inconvénient de ces procédés est que la plage de mesure de températures est petite, la précision de mesure est faible et l'effort technique de mesure de la température est élevé, et en même temps, la mesure de la température, dans certaines conditions, ne peut pas avoir lieu 15 dans des conditions réelles et il existe de ce fait une incertitude relative aux températures de fonctionnement mesurées. L'objet de la présente invention est par conséquent de fournir un agencement de culasse dans lequel il est possible de mesurer une température d'un élément de manière précise dans des conditions réelles. 20 L'objet de la présente invention consiste en outre à fournir un procédé amélioré correspondant pour mesurer une température d'un élément d'un agencement de culasse. Cet objet est réalisé dans le cas de l'agencement de culasse mentionné en introduction par le fait qu'un capteur à infrarouge est associé 25 au canal optique, lequel est réalisé de manière à détecter, à travers le canal optique, un rayonnement infrarouge provenant de l'au moins un élément, afin de déterminer une température de l'au moins un élément. Cet objet est réalisé selon le procédé mentionné en introduction par le fait que le rayonnement infrarouge d'un élément de l'agencement de 30 culasse est détecté à travers un canal optique, le canal optique étant réalisé dans un boîtier de l'agencement de culasse, et la température de l'au moins un élément étant déterminée sur la base du rayonnement infrarouge. Du fait que le rayonnement infrarouge de l'élément à mesurer de l'agencement de culasse est détecté par le capteur à infrarouge à travers 35 le canal optique, la température peut être déterminée sans contact de sorte qu'aucune modification de la construction de l'élément à mesurer n'est nécessaire et qu'une mesure de température dans des conditions réelles est - 3 - possible. En outre, la mesure pyrométrique offre une précision élevée ainsi qu'une large plage de températures dans laquelle la température de l'élément peut être déterminée, de telle sorte qu'une détermination précise de la température de l'élément à mesurer de l'agencement de culasse est possible.
L'objet de la présente invention est donc complètement réalisé. Dans une forme de réalisation préférée, le canal optique est réalisé sous forme de canal rectiligne et présente, au niveau d'une extrémité axiale, une ouverture qui est associée à l'au moins un élément. De ce fait, le rayonnement infrarouge de l'au moins un élément 10 peut être détecté précisément sans que le rayonnement infrarouge provenant d'autres composants de l'agencement de culasse n'affecte la mesure. On préfère en outre qu'un élément d'étanchéité transparent soit disposé dans le canal optique, lequel étanchéifie le capteur à infrarouge vis-à-vis de l'au moins un élément de manière étanche aux gaz. 15 De ce fait, des éléments de l'agencement de culasse peuvent être mesurés avec un faible effort technique, lesquels sont disposés dans une région soumise à des fortes variations de pression comme par exemple dans des canaux de gaz d'échappement. On préfère en outre que le capteur à infrarouge soit associé à un 20 élément optique qui est réalisé de manière à focaliser le rayonnement infrarouge. De ce fait, la précision de mesure peut être améliorée, car le rayonnement infrarouge est focalisé sur le capteur à infrarouge. Dans ce cas, on préfère en particulier que l'élément optique soit 25 disposé dans le canal optique. De ce fait, la mesure et la focalisation du rayonnement à infrarouge peuvent s'effectuer à proximité de l'élément à mesurer, de sorte que la mesure est en même temps plus précise. On préfère en outre que le canal optique soit connecté à un 30 canal de gaz de l'agencement de culasse afin de détecter la température de l'au moins un élément dans le canal de gaz. De ce fait, une plage de températures particulièrement critiques de l'agencement de culasse peut être mesurée, laquelle serait autrement mesurée seulement indirectement ou à un coût très élevé. 35 On préfère en outre que l'au moins un élément soit une soupape de l'agencement de culasse. - 4 - De ce fait, on peut mesurer précisément un élément mobile de température particulièrement critique de l'agencement de culasse, de sorte qu'un développement optimal est possible. Dans ce cas, on préfère en particulier qu'un spot de mesure du capteur à infrarouge soit positionné à travers le canal optique de telle sorte que le rayonnement infrarouge soit détecté par exemple depuis une cannelure creuse de la soupape. De ce fait, on peut mesurer une plage particulièrement critique de la soupape et par conséquent en tenir compte pour la réduction de température dans le cas de mesures constructives.
On préfère en outre que le capteur à infrarouge soit connecté optiquement au canal optique au moyen d'un conducteur optique. De ce fait, le capteur à infrarouge peut être construit séparément de l'agencement de culasse, de sorte que toute l'installation de mesure est insensible aux sollicitations thermiques et aux encrassements.
On préfère en outre que le conducteur optique soit disposé au moins en partie dans le canal optique. De ce fait, des perturbations de la mesure infrarouge peuvent être évitées car le conducteur optique est disposé à proximité de l'élément à mesurer.
On préfère en outre que le canal optique soit réalisé sous forme de tube rectiligne et présente une surface d'enveloppe étanche aux gaz et aux fluides. De ce fait, le canal optique peut être disposé dans la culasse, à travers des espaces d'huile et/ou d'eau de refroidissement, de sorte qu'une 25 mesure infrarouge est également possible dans des positions difficilement accessibles dans une culasse. On préfère en outre qu'une surface interne du canal optique présente un revêtement sombre et/ou mat afin d'éviter des réflexions optiques dans le canal optique. 30 Dans l'ensemble, une mesure de température précise d'éléments particuliers de l'agencement de culasse peut être effectuée à chaque instant du développement grâce à l'agencement de culasse selon l'invention avec le canal optique pour la mesure infrarouge, de sorte qu'un contrôle continu de la sollicitation thermique des éléments de la culasse soit possible. Du fait 35 que la mesure de température s'effectue par mesure infrarouge, on peut détecter en outre une grande plage de températures et en même temps des températures absolues élevées sans qu'un coût de construction plus élevé - 5 - des éléments correspondants à mesurer soit nécessaire. Finalement, grâce à la mesure infrarouge, une mesure réelle est possible pendant le fonctionnement du moteur, de sorte qu'un contrôle réaliste des propriétés thermiques est possible.
La présente invention a également pour objet un procédé pour mesurer une température d'un élément d'un agencement de culasse d'un moteur à combustion interne, le rayonnement infrarouge d'un élément de l'agencement de culasse étant détecté à travers un canal optique, le canal optique étant réalisé dans un boîtier de l'agencement de culasse, et la température de l'au moins un élément étant déterminée sur la base du rayonnement infrarouge et un moteur à combustion interne pour un véhicule automobile, comprenant un bloc-moteur qui présente au moins un cylindre et un piston, et comprenant un agencement de culasse selon l'invention.
Il s'entend que les caractéristiques mentionnées ci-dessus ainsi que les caractéristiques qui seront aussi expliquées ci-dessous peuvent être utilisées non seulement dans la combinaison indiquée respectivement mais également dans d'autres combinaisons ou individuellement sans sortir du cadre de la présente invention.
Des exemples de réalisation de l'invention sont illustrés dans les dessins et seront expliqués plus en détail dans la description qui suit. Dans les dessins : la fig. 1 illustre une représentation schématique d'un agencement de culasse avec un dispositif de mesure infrarouge pour la 25 mesure de température ; la fig. 2 illustre une vue en coupe en perspective d'un agencement de culasse d'un moteur à combustion interne avec un canal optique pour la mesure de température infrarouge ; la fig. 3 illustre une courbe de température d'une soupape d'un 30 agencement de culasse pendant un cycle de soupape ; et la fig. 4 illustre une courbe de température d'une soupape d'un agencement de culasse lors du passage du fonctionnement du moteur allumé en un mode de coupure d'alimentation en poussée. La figure 1 illustre une vue schématique partielle d'un 35 agencement de culasse désigné généralement par le numéro de référence 10. L'agencement de culasse présente un boîtier 12 qui limite l'agencement de culasse 10 vers l'extérieur, à l'intérieur du boîtier 12 étant reçue une - 6 - pluralité d'éléments de l'agencement de culasse 10 qui s'échauffent de manière correspondante pendant le fonctionnement. L'agencement de culasse 10 est connecté à un bloc-moteur 14 qui est illustré seulement schématiquement dans la figure 1 en vue partielle, 5 le bloc-moteur 14 présentant au moins un cylindre 16. L'agencement de culasse 10 présente une pluralité de soupapes qui ouvrent et ferment cycliquement une chambre de combustion du cylindre 16 afin d'acheminer du gaz de combustion au cylindre 16 ou d'évacuer du gaz d'échappement du cylindre 16. La figure 1 illustre 10 schématiquement une soupape 18 sous forme de soupape d'échappement du cylindre 16, laquelle ferme une ouverture d'échappement 20 qui relie le cylindre 16 à un canal d'échappement 22. En raison des densités de puissance élevées des moteurs à combustion interne modernes, la sollicitation thermique, notamment des 15 soupapes d'échappement, est très élevée, de sorte que pendant la phase de développement de moteurs à combustion interne, en particulier d'agencements de culasse, la température de fonctionnement réelle des soupapes d'échappement doit être mesurée régulièrement afin d'éviter une sollicitation thermique excessive pendant le fonctionnement du produit 20 final. Dans la figure 1, l'agencement de culasse 10 présente en outre un canal optique 24 qui est réalisé dans le boîtier 12 et qui présente une ouverture 26 qui est associée à la soupape 18. Le canal optique 24 est connecté optiquement à un capteur à infrarouge 28 afin de détecter en 25 général le rayonnement infrarouge 30 qui est émis par la soupape 18, à travers le canal optique 24. Le capteur à infrarouge 28 est connecté à une unité de commande 32 qui est réalisée de manière à commander le capteur à infrarouge 28 et à déterminer, sur la base du rayonnement infrarouge détecté 30, une température de la soupape 18. 30 Le canal optique 24, dans la forme de réalisation illustrée dans la figure 1, est connecté au capteur à infrarouge 28 au moyen d'un câble à fibre optique 34 afin d'acheminer le rayonnement infrarouge 30 au capteur à infrarouge 28. Le câble à fibre optique 34 est en l'occurrence connecté, au niveau d'une extrémité 36 opposée à l'ouverture 26, au canal optique 24 afin 35 de recevoir et de transmettre de manière correspondante le rayonnement infrarouge 30. - 7 - Dans une variante de réalisation, le capteur à infrarouge 28 est disposé directement à l'extrémité 36 du canal optique ou est disposé dans le canal optique 24 afin de détecter le rayonnement infrarouge directement dans ou sur le canal optique 24.
Un élément en verre 38 est disposé dans le canal optique 24, lequel protège le capteur à infrarouge 28 et/ou le câble à fibre optique 34 contre les températures élevées des gaz d'échappement et les particules de suie dans le canal d'échappement 22 et contre la pression conjuguée correspondante des gaz d'échappement. L'élément en verre 38 est de préférence réalisé en verre saphir. Dans le canal optique 24 est en outre disposé un élément de focalisation 40 qui focalise le rayonnement infrarouge 30 et qui achemine le rayonnement infrarouge ainsi focalisé 30 au câble à fibre optique 34 et/ou au capteur à infrarouge 28. Le canal optique 24 est généralement réalisé sous forme de canal rectiligne et est réalisé sous forme de tube cylindrique allongé dont la surface d'enveloppe est étanche aux gaz et aux fluides, afin d'étanchéifier le canal optique 24 vis-à-vis de l'environnement. De ce fait, le canal optique 24 peut également être guidé à travers des installations d'huile ou d'eau de refroidissement existantes de l'agencement de culasse 10 sans que l'huile ou l'eau de refroidissement ne parvienne dans le canal optique 24. Le canal optique 24 est de préférence soudé au canal d'échappement 22. Le canal optique 24 est disposé obliquement par rapport à une direction de déplacement de la soupape 18 afin de permettre de manière correspondante une mesure d'une cannelure creuse de la soupape 18. En l'occurrence, le canal optique 24 et l'ouverture 26 sont orientés de telle sorte que le rayonnement infrarouge 30 soit guidé par un spot de mesure de la soupape 18 de manière correspondante dans le canal optique 24 et que le spot de mesure est réalisé de manière correspondante au niveau d'une portion à mesurer de la soupape 18.
De préférence, une surface interne 42 du canal optique 24 ainsi que l'objet à mesurer et son environnement peuvent être pourvus d'un revêtement noir ou sombre et/ou d'un revêtement mat afin d'éviter les réflexions au niveau de la surface interne 42 et des surfaces de l'objet à mesurer et de son environnement.
Dans l'ensemble, la température de la soupape 18 peut être détectée de manière fiable et précise pendant le fonctionnement du moteur par l'agencement de culasse 10 et le canal optique 22 ainsi que le capteur à - 8 - infrarouge 28, de sorte qu'une détermination continue et fiable de la température est possible. Il s'entend que l'agencement de mesure avec le canal optique 24 ainsi que le capteur à infrarouge 28 est également utilisable pour la mesure 5 de températures d'autres éléments dans l'agencement de culasse 10. La figure 2 illustre une vue en coupe en perspective schématique de l'agencement de culasse 10 avec le bloc-moteur 14. Les mêmes éléments sont pourvus des mêmes numéros de référence, seules les particularités étant expliquées ici.
10 Dans la vue en coupe illustrée ici, la soupape 18 est illustrée en tant que soupape d'échappement et une soupape 44 est illustrée en tant que soupape d'admission pour le cylindre 16. Le canal optique 24 est guidé à travers le boîtier 12 de l'agencement de culasse 10 de sorte que l'ouverture 26 se termine dans le canal d'échappement 22 et que de ce fait le 15 rayonnement infrarouge 30 provenant de la soupape 18 peut être guidé à travers l'ouverture 26 et le canal optique 24 jusqu'au capteur à infrarouge 28 non illustré ici. Le canal optique 24 est réalisé sous forme de tube cylindrique et est guidé par exemple à travers une chemise d'eau 26 de l'agencement de culasse 10. Le tube cylindrique qui forme le canal optique 20 24 est soudé au canal d'échappement 22 de sorte que l'intérieur du canal d'échappement est étanchéifié par exemple vis-à-vis de la chemise d'eau 46. L'élément en verre 38 est disposé dans le canal optique 24 à distance de l'ouverture 26 dans la direction axiale, de sorte que la sollicitation thermique de l'élément en verre 38 soit réduite et en même temps que 25 l'élément en verre soit protégé contre les particules de suie de sorte qu'une mesure précise et continue soit possible à travers l'élément en verre 38. Le câble à fibre optique 34 est connecté par le biais de l'élément de focalisation 40 au tube cylindrique qui forme le canal optique 24, afin de guider le rayonnement infrarouge 30 de manière correspondante vers le 30 capteur à infrarouge 28. Du fait que le capteur à infrarouge 28, dans cette forme de réalisation, peut être réalisé et disposé de manière séparée du boîtier 12, le capteur à infrarouge est protégé contre les sollicitations thermiques ainsi que la saleté, etc. En raison de la mesure de la température de la soupape 18 à 35 travers le canal optique 24, la mesure peut être effectuée sur des agencements de culasse quelconques, une mesure précise, même de - 9 - gradients de température élevés, étant également possible grâce à la mesure sans contact. Dans une forme de réalisation particulière, l'unité de commande 32 est en outre connectée à une commande des soupapes 18, 44, afin de 5 détecter de manière correspondante la levée de soupape et de la mettre en rapport avec la température détectée. La figure 3 illustre la température T de la soupape 18 détectée au moyen du capteur à infrarouge 28 pendant un cycle de soupape ou pendant une rotation d'un arbre à cames conjointement avec une levée de 10 soupape H. On voit dans la figure 3 que, grâce à l'agencement de mesure au moyen du capteur à infrarouge 28, de forts gradients de température, en particulier au début de l'opération d'ouverture de la soupape 18, ainsi que des températures absolues élevées de la soupape 18 peuvent être mesurés et par conséquent une détection continue de la sollicitation thermique des 15 soupapes 18, 44 est possible. Les gradients de température élevés illustrés ici peuvent être mesurés par le fait que l'on utilise dans ce cas un procédé de mesure sans masse basé sur les rayons infrarouges 30. La figure 4 illustre la température détectée T de la soupape 18 20 pour six cycles de soupape, une région dans laquelle la soupape 18 est ouverte étant indiquée par une poutre horizontale 46. Dans la figure 4 est illustré le passage d'un mode de fonctionnement de moteur allumé pendant les trois premiers cycles de soupape à un mode de coupure d'alimentation en poussée des trois cycles de soupape suivants. Comme illustré dans la 25 figure 4, une détection de température précise peut s'effectuer au moyen de la mesure infrarouge, même des gradients de température élevés pouvant être mesurés en mode de fonctionnement de moteur allumé. Dans l'ensemble, grâce à la mesure de température au moyen du capteur à infrarouge 28, une mesure de température précise d'éléments 30 de l'agencement de culasse 10 peut être obtenue.

Claims (12)

  1. REVENDICATIONS1. Agencement de culasse (10) pour un moteur à combustion interne, comprenant : - un boîtier (12) dans lequel est disposée une pluralité d'éléments (18, 44), et - un canal optique (24) qui est réalisé dans le boîtier (12) et qui est associé à au moins l'un des éléments (18), caractérisé en ce qu'au moins un capteur à infrarouge (28) est associé au canal optique (24), lequel est réalisé de manière à détecter, à travers le canal optique (24), un rayonnement infrarouge (30) provenant de l'au moins un élément (18), afin de déterminer une température (T) de l'au moins un élément (18).
  2. 2. Agencement de culasse selon la revendication 1, caractérisé en ce que le canal optique (24) est réalisé sous forme de canal rectiligne et présente, au niveau d'une extrémité axiale, une ouverture (26) qui est associée à l'au moins un élément (18).
  3. 3. Agencement de culasse selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'un élément d'étanchéité transparent (38) est disposé dans le canal optique (24), lequel étanchéifie le capteur à infrarouge (28) vis-à-vis de l'au moins un élément (18) de manière étanche aux gaz.
  4. 4. Agencement de culasse selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le capteur à infrarouge (28) est associé à un élément optique (40) qui est réalisé de manière à focaliser le rayonnement infrarouge (30).
  5. 5. Agencement de culasse selon la revendication 4, caractérisé 25 en ce que l'élément optique (40) est disposé dans le canal optique (24).
  6. 6. Agencement de culasse selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le canal optique (24) est connecté à un canal de gaz (22) de l'agencement de culasse (10) afin de détecter la température de l'au moins un élément (18) dans le canal de gaz (22). 30
  7. 7. Agencement de culasse selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'au moins un élément (18) est une soupape (18) de l'agencement de culasse (10).
  8. 8. Agencement de culasse selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le capteur à infrarouge (28) est- 11 - connecté optiquement au canal optique (24) au moyen d'un conducteur optique (34).
  9. 9. Agencement de culasse selon la revendication 8, caractérisé en ce que le conducteur optique (34) est disposé au moins en partie dans le canal optique (24).
  10. 10. Agencement de culasse selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le canal optique (24) est réalisé sous forme de tube rectiligne et présente une surface d'enveloppe étanche aux gaz et aux fluides.
  11. 11. Procédé pour mesurer une température d'un élément (18) d'un agencement de culasse (10) d'un moteur à combustion interne, le rayonnement infrarouge (30) d'un élément (18) de l'agencement de culasse (10) étant détecté à travers un canal optique (24), le canal optique (24) étant réalisé dans un boîtier (12) de l'agencement de culasse (10), et la température (T) de l'au moins un élément (18) étant déterminée sur la base du rayonnement infrarouge (30).
  12. 12. Moteur à combustion interne pour un véhicule automobile, comprenant un bloc-moteur (14) qui présente au moins un cylindre (16) et un piston, et comprenant un agencement de culasse (10) selon l'une 20 quelconque des revendications 1 à 10.
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