FR3105294A1 - Moteur thermique à siège de soupape d’admission à formes d’intrado et d’extrado optimisant le remplissage d’air - Google Patents
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Abstract
Un moteur thermique (MT) comprend un conduit d’admission (CA) comprenant une extrémité (EA) munie d’un siège de soupape (SS) ayant un passage interne (PI) dans lequel se translate une soupape d’admission, et une chambre de combustion (CC) alimentée en air issu du conduit d’admission (CA) via le siège de soupape (SS). Ce passage interne (PI) a une partie amont (PA) recevant l’air du conduit d’admission (CA) et comprenant un extrado (EP) ayant une forme prolongeant de façon continue une portion d’une face interne du conduit d’admission (CA) en direction de la face interne de la chambre de combustion (CC) qui définit son toit (TC), et un intrado (IP) ayant une forme contraignant une partie de l’air à circuler en tourbillon autour d’un axe prédéfini dans la chambre de combustion (CC). Figure 1
Description
Domaine technique de l’invention
L’invention concerne les moteurs thermiques à soupapes, et plus précisément le contrôle de l’admission d’air dans une chambre de combustion de ce type de moteur thermique.
Etat de la technique
Certains systèmes, comme par exemple et non limitativement certains véhicules (éventuellement de type automobile), comprennent au moins un moteur thermique comportant au moins une soupape d’admission pour contrôler l’alimentation en air d’une chambre de combustion et une soupape d’échappement pour contrôler l’évacuation des gaz de combustion hors de cette chambre de combustion.
Dans certains moteurs thermiques l’air circule dans un conduit d’admission ayant une extrémité munie d’un siège de soupape dans lequel est défini un passage interne dans lequel se translate la soupape d’admission et communiquant avec la chambre de combustion. Ce passage interne comprend une partie amont recevant l’air du conduit d’admission et une partie aval ayant une forme tronconique de manière à loger temporairement et de façon étanche la tête de la soupaped’admission.
Actuellement, la face externe du siège de soupape est cylindrique circulaire et la partie amont du passage interne à une forme de révolution, afin de faciliter la fabrication du siège de soupape. Il en résulte une discontinuité partielle ou complète entre la face interne du conduit d’admission et l’extrémité amont de la partie amont du passage interne, ce qui induit une déviation du flux d’air qui dégrade la qualité du remplissage de la chambre de combustion et ne permet pas d’obtenir la turbulence souhaitée du flux d’air dans la chambre de combustion. Par conséquent, au moins les émissions de CO2sont augmentées.
Il serait certes possible d’usiner le passage interne et l’extrémité du conduit d’admission après l’emmanchement par frettage du siège de soupape dans cette extrémité. Mais la culasse (dans laquelle est généralement défini le conduit d’admission) et le siège de soupape sont généralement réalisés dans des matériaux différents (typiquement de l’aluminium pour la première et un acier rapide haute performance pour le second), et donc cette solution nécessiterait un usinage bi-matière trop onéreux et trop complexe pour de nombreux domaines techniques dans lesquels la réalisation en série est indispensable (et notamment dans le domaine de l’automobile).
Une autre solution, notamment décrite dans le document brevet WO-A1 2005/28819, consiste à effectuer des rechargements locaux de matière par laser (ou «laser cladding»). Mais cette solution est encore plus onéreuse et complexe que la précédente, et donc encore moins utilisable dans les domaines techniques dans lesquels la réalisation en série est indispensable.
L’invention a donc notamment pour but d’améliorer la situation.
Présentation de l’invention
Elle propose notamment à cet effet un moteur thermique comprenant un conduit d’admission comprenant une extrémité munie d’un siège de soupape ayant un passage interne dans lequel se translate une soupape d’admission, et une chambre de combustion alimentée en air issu du conduit d’admission via le siège de soupape.
Ce moteur thermique se caractérise par le fait que le passage interne du siège de soupape a une partie amont recevant l’air du conduit d’admission et comprenant un extrado ayant une forme prolongeant de façon continue une portion d’une face interne du conduit d’admission en direction d’une face interne de la chambre de combustion définissant un toit de cette dernière, et un intrado ayant une forme contraignant une partie de l’air à circuler en tourbillon autour d’un axe prédéfini dans la chambre de combustion.
Les formes de l’extrado et de l’intrado sont donc désormais adaptées à la génération d’appendices aérodynamiques qui optimisent le rapport remplissage d’air / niveau de turbulence, et non plus simplement de révolution, ce qui permet de les laisser brutes de retrait de matière une fois le siège de soupape en place dans la culasse, et donc de ne pas avoir à effectuer un usinage bi-matière.
Le moteur thermique selon l’invention peut comporter d’autres caractéristiques qui peuvent être prises séparément ou en combinaison, et notamment:
- la forme de l’intrado de la partie amont peut définir un becquet;
- l’axe du tourbillon peut être perpendiculaire à une direction de translation d’un piston de la chambre de combustion;
- son siège de soupape peut avoir une forme externe cylindrique circulaire;
- le passage interne du siège de soupape peut avoir une partie aval prolongeant sa partie amont, communiquant avec la chambre de combustion, et de forme tronconique pour loger temporairement et de façon étanche une tête de la soupape d’admission;
- une partie de la partie aval du passage interne peut prolonger de façon rectiligne l’extrado de la partie amont afin de prolonger de façon continue la portion de la face interne du conduit d’admission jusqu’à la face interne de la chambre de combustion qui définit le toit;
- les intrado et extrado de la partie amont du passage interne peuvent être reliés par deux portions de face interne ayant des formes identiques ou différentes;
- son siège de soupape peut être emmanché par frettage dans l’extrémité du conduit d’admission;
- son conduit d’admission et le toit peuvent faire partie d’une culasse qui est solidarisée fixement à un bloc-cylindre(s) délimitant avec le toit la chambre de combustion.
L’invention propose également un véhicule, éventuellement de type automobile, et comprenant au moins un moteur thermique du type de celui présenté ci-avant.
Brève description des figures
D’autres caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront à l’examen de la description détaillée ci-après, et des dessins annexés, sur lesquels:
Description détaillée de l’invention
L’invention a notamment pour but de proposer un moteur thermique MT à siège(s) de soupape d’admission permettant de réduire au moins les émissions de CO2tout en pouvant être fabriqué en série pour être utilisé dans de nombreux domaines techniques.
Dans ce qui suit, on considère, à titre d’exemple non limitatif, que le moteur thermique MT est destiné à équiper un véhicule de type automobile, comme par exemple une voiture. Mais l’invention n’est pas limitée à cette application. En effet, un moteur thermique MT selon l’invention peut équiper n’importe quel véhicule (terrestre, maritime (ou fluvial), ou aérien), les installations (éventuellement de type industriel), et les bâtiments.
Sur les figures 1 et 2, la direction X est une direction dite longitudinale (ici d’un véhicule et donc parallèle aux côtés latéraux de ce dernier), la direction Y est une direction dite transversale, laquelle est perpendiculaire à la direction X, et la direction Z est une direction dite verticale, laquelle est perpendiculaire aux directions longitudinale X et transversale Y.
Par ailleurs, dans ce qui suit et ce qui précède, les notions « d’aval » et « d’amont » se réfèrent au sens de circulation des flux d’air ou de gaz de combustion. Ils circulent en effet de l’amont vers l’aval dans leurs conduits respectifs.
On a schématiquement représenté sur la figure 1 une petite partie d’un exemple de moteur thermique MT selon l’invention, et plus précisément une partie de la culasse CM qui est destinée à être solidarisée au bloc-cylindre(s) (non représenté).
Comme illustré partiellement sur la figure 1, ce moteur thermique MT comprend notamment une chambre de combustion CC, au moins un conduit d’admission CA et un premier siège de soupape SS associé, et au moins un conduit d’échappement CE et un second siège de soupape SS’ associé.
Comme illustré sur la figure 1, le conduit d’admission CA comprend une extrémité (aval) EA munie du premier siège de soupape SS et communiquant avec la chambre de combustion CC. L’air qui circule dans le conduit d’admission CA alimente donc la chambre de combustion CC via le premier siège de soupape SS.
Le premier siège de soupape SS comprend un passage interne PI dans lequel se translate suivant un axe A1 une soupape d’admission destinée à contrôler l’alimentation en air de la chambre de combustion CC.
La culasse CM comprend aussi, ici, un conduit CS permettant la translation de la tige de la soupape d’admission.
Egalement comme illustré sur la figure 1, le conduit d’échappement CE comprend une extrémité (amont) EE munie du second siège de soupape SS’ et communiquant avec la chambre de combustion CC. Les gaz de combustion générés dans la chambre de combustion CC sont donc évacués dans le conduit d’échappement CE via le second siège de soupape SS’.
Le second siège de soupape SS’ comprend un passage interne PI’ dans lequel se translate suivant un axe A2 une soupape d’échappement qui est destinée à contrôler l’évacuation des gaz de combustion hors de la chambre de combustion CC.
Dans l’exemple illustré non limitativement sur la figure 1 le toit TC de la chambre de combustion CC, le conduit d’admission CA et le conduit d’échappement CE font partie de la culasse CM, et les premier SS et second SS’ sièges de soupape sont rapportés sur la culasse CM.
De préférence, le premier siège de soupape SS est emmanché par frettage dans l’extrémité (aval) EA du conduit d’admission CA. De même, le second siège de soupape SS’ est préférentiellement emmanché par frettage dans l’extrémité (amont) EE du conduit d’échappement CE.
Le passage interne PI du premier siège de soupape SS comprend une partie amont PA et une partie aval PV qui se prolongent mutuellement. La partie aval PV est orientée vers la chambre de combustion CC et communique avec cette dernière (CC).
La partie amont PA est orientée vers l’amont du conduit d’admission CA et donc reçoit de ce dernier (CA) l’air qui doit alimenter la chambre de combustion CC. De plus, cette partie amont PA comprend notamment un extrado EP et un intrado IP. Considéré par rapport au flux d’air, l’extrado EP est la portion supérieure de la partie amont PA du passage interne PI, tandis que l’intado IP est la portion inférieure de cette partie amont PA. Comme cela apparaît mieux sur la figure 2, l’extrado EP et l’intrado IP sont reliés l’un à l’autre par deux portions latérales PL1 et PL2 opposées entre elles.
L’extrado EP a une forme qui prolonge de façon continue une portion de la face interne FI1 du conduit d’admission CA en direction de la face interne de la chambre de combustion CC qui définit le toit TC. Cette absence de discontinuité entre la portion de la face interne FI1 du conduit d’admission CA et l’entrée d’extrado EP du passage interne PI permet d’éviter de modifier la trajectoire de la partie supérieure du flux d’air, et ainsi que cette dernière se dirige de façon optimale vers le toit TC de la chambre de combustion CC.
L’intrado IP a une forme qui contraint une partie (ici inférieure) du flux d’air à circuler en tourbillon (ou «tumble») autour d’un axe prédéfini dans la chambre de combustion CC.
Ainsi, au lieu d’avoir des formes dites de révolution, on définit au niveau de l’extrado EP et au niveau de l’intrado IP des formes qui sont adaptées à la génération d’appendices aérodynamiques qui optimisent le rapport remplissage d’air / niveau de turbulence. Ces formes peuvent être avantageusement laissées brutes de retrait de matière une fois le siège de soupape en place dans la culasse, permettant ainsi plus de liberté de forme que l’usinage et surtout de ne pas avoir à effectuer un usinage bi-matière qui constitue une contrainte industrielle forte.
De préférence, on prévoit un indexage du premier siège de soupape SS par rapport à l’extrémité aval EA du conduit d’admission CA, de sorte que les formes respectives de l’extrado EP et de l’intrado IP assurent précisément leurs fonctions. On comprendra en effet que cela permet de positionner le premier siège de soupape SS très précisément et donc d’obtenir une continuité optimale à l’interface entre la portion de la face interne FI1 du conduit d’admission CA et l’entrée du passage interne PI. Par exemple, cet indexage peut résulter de la définition d’une forme en creux ou en bosse (ou relief) sur la face externe FE du premier siège de soupape SS et permettant son positionnement dans l’outil de pose utilisé pour le solidariser à l’extrémité aval EA et positionné par rapport à la culasse CM.
Par exemple, et comme illustré non limitativement sur la figure 1, la forme de l’intrado IP peut définir un becquet B. La forme de ce becquet B est déterminée de manière à optimiser la circulation en boucle (ou tumble) de la partie inférieure du flux d’air dans la chambre de combustion CC.
On notera que l’axe du tourbillon (ou tumble) peut être perpendiculaire à la direction de translation d’un piston de la chambre de combustion CC. Cette direction perpendiculaire à la direction de translation est ici la direction transversale Y. Mais l’axe du tourbillon pourrait être incliné par rapport à cette direction transversale Y pour une question d’optimisation de la turbulence dans la chambre de combustion CC.
On notera également, comme illustré non limitativement sur les figures 1 et 2, que le premier siège de soupape SS peut avoir une face externe FE dont la forme externe est cylindrique circulaire. Il constitue alors une espèce d’anneau à passage interne PI de formes particulières optimisant le remplissage d’air. Cela permet de faciliter la solidarisation du premier siège de soupape SS à l’extrémité aval EA du conduit d’admission CA, notamment en cas d’emmanchement par frettage.
On notera également, comme illustré non limitativement sur la figure 1, que la partie aval PV du passage interne PI du premier siège de soupape SS peut avantageusement avoir une forme tronconique pour loger temporairement et de façon étanche la tête de la soupape d’admission. La partie aval PV définit alors la portée tronconique du premier siège de soupape SS.
En présence de cette dernière option, une partie de cette partie aval PV peut prolonger de façon rectiligne l’extrado EP de la partie amont PA afin de prolonger de façon continue la portion de la face interne FI1 du conduit d’admission CA jusqu’à la face interne de la chambre de combustion CC qui définit le toit TC. Cela permet de garantir encore plus que la trajectoire de la partie supérieure du flux d’air ne sera pas modifiée par la présence du premier siège de soupape SS. En d’autres termes, la partie supérieure du premier siège de soupape SS n’influence pas du tout la trajectoire de la partie supérieure du flux d’air jusqu’au toit TC de la chambre de combustion CC.
On notera également que les deux portions latérales de face interne PL1 et PL2 de la partie amont PA, qui relient entre elles l’intrado IP et l’extrado EP de cette dernière (PA), peuvent avoir des formes identiques ou différentes. Dans l’exemple illustré non limitativement sur la figure 1 les formes respectives des deux portions latérales PL1 et PL2 sont notablement différentes. Mais elles pourraient être identiques. On dispose donc de portions latérales PL1 et PL2 à formes libres, ce qui facilite encore plus la réalisation du premier siège de soupape SS. On notera cependant que le fait que ces formes soient libres peut aussi permettre de conférer à l’une au moins d’entre elles, en cas de besoin spécifique, une fonction spécifique pour modifier la trajectoire d’une partie latérale du flux d’air. On peut ainsi influer sur la qualité de remplissage d’air de la chambre de combustion CC, éventuellement de façon dissymétrique. Par exemple, lorsque la chambre de combustion CC est associée à plusieurs premiers sièges de soupape (d’admission) SS, l’une au moins des portions latérales PL1 et PL2 de l’un de ces premiers sièges de soupape SS peut avoir une forme qui diffère de la portion latérale PL1 ou PL2 d’un autre premier siège de soupape pour optimiser la circulation des flux d’air dans la chambre de combustion CC du fait de leurs positions relatives différentes par rapport à cette dernière (CC).
On notera également que le (chaque) premier siège de soupape SS est préférentiellement réalisé dans une matière offrant une grande durabilité. Ainsi, cette matière peut, par exemple, être un acier rapide haute performance. De son côté la culasse CM peut, par exemple, être réalisée en aluminium.
Claims (10)
- Moteur thermique (MT) comprenant i) un conduit d’admission (CA) comprenant une extrémité (EA) munie d’un siège de soupape (SS) ayant un passage interne (PI) dans lequel se translate une soupape d’admission, et ii) une chambre de combustion (CC) alimentée en air issu dudit conduit d’admission (CA) via ledit siège de soupape (SS), caractérisé en ce que ledit passage interne (PI) a une partie amont (PA) recevant ledit air du conduit d’admission (CA) et comprenant un extrado (EP) ayant une forme prolongeant de façon continue une portion d’une face interne (PI1) dudit conduit d’admission (CA) en direction d’une face interne de ladite chambre de combustion (CC) définissant un toit (TC) de cette dernière (CC), et un intrado (IP) ayant une forme contraignant une partie dudit air à circuler en tourbillon autour d’un axe prédéfini dans ladite chambre de combustion (CC).
- Moteur thermique selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite forme de l’intrado (IP) définit un becquet (B).
- Moteur thermique selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que ledit axe du tourbillon est perpendiculaire à une direction de translation d’un piston de ladite chambre de combustion (CC).
- Moteur thermique selon l’une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ledit siège de soupape (SS) a une forme externe cylindrique circulaire.
- Moteur thermique selon l’une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que ledit passage interne (PI) du siège de soupape (SS) a une partie aval (PV) prolongeant ladite partie amont (PA), communiquant avec ladite chambre de combustion (CC), et de forme tronconique pour loger temporairement et de façon étanche une tête de ladite soupape d’admission.
- Moteur thermique selon la revendication 5, caractérisé en ce qu’une partie de ladite partie aval (PV) prolonge de façon rectiligne ledit extrado (EP) afin de prolonger de façon continue ladite portion de la face interne (PI1) dudit conduit d’admission (CA) jusqu’à ladite face interne de la chambre de combustion (CC) qui définit le toit (TC).
- Moteur thermique selon l’une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que lesdits intrado (IP) et extrado (EP) de la partie amont (PA) sont reliés par deux portions de face interne (PL1, PL2) ayant des formes identiques ou différentes.
- Moteur thermique selon l’une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que ledit siège de soupape (SS) est emmanché par frettage dans ladite extrémité (EA) du conduit d’admission (CA).
- Moteur thermique selon l’une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que ledit conduit d’admission (CA) et ledit toit (TC) font partie d’une culasse (CM) solidarisée fixement à un bloc-cylindre(s) délimitant avec ledit toit (TC) ladite chambre de combustion (CC).
- Véhicule, caractérisé en ce qu’il comprend au moins un moteur thermique (MT) selon l’une des revendications précédentes.
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