WO2003004836A1 - Circuit de reaspiration des gaz de carter d'un moteur a combustion interne - Google Patents

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WO2003004836A1
WO2003004836A1 PCT/EP2002/007265 EP0207265W WO03004836A1 WO 2003004836 A1 WO2003004836 A1 WO 2003004836A1 EP 0207265 W EP0207265 W EP 0207265W WO 03004836 A1 WO03004836 A1 WO 03004836A1
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cylinder head
head cover
manifold
crankcase
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Gilles Basset
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Filterwerk Mann+Hummel Gmbh
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    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F7/00—Casings, e.g. crankcases or frames
    • F02F7/006—Camshaft or pushrod housings
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F01M13/00—Crankcase ventilating or breathing
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    • F01M13/0011—Breather valves
    • F01M2013/0016—Breather valves with a membrane

Definitions

  • the present invention relates to a circuit for rebreathing the crankcase gases of an internal combustion engine.
  • Patent application EP 724206 proposes an improved circuit comprising a diaphragm valve provided with a mouthpiece which can be connected to the nozzle of the casing gases and another mouthpiece which can be mounted directly on the intake manifold.
  • a circuit always involves the attachment of a separate part to the manifold during assembly of the vehicle, with the risks of leakage which results therefrom.
  • it is relatively heavy and expensive and is not further optimized for a given engine, the valve being a standard valve with a wide range of use.
  • the present invention therefore relates to a circuit for re-aspirating the crankcase gases of an internal combustion engine, which minimizes the number of parts to be assembled during assembly of the vehicle, thus also minimizing the risk of leaks, and whose design is easy to optimize based on a given engine.
  • internal combustion engine an internal combustion engine comprising at least one cylinder in which slides a piston driven by an alternating movement which is transformed into a rotary movement by means of a connecting rod-crank circuit and in which the chemical energy of combustion of a fuel is transformed into kinetic energy of rotation of a tree.
  • the present invention applies to any type of internal combustion engine, but preferably to vehicle engines and in particular to petrol motor vehicles which comprise an intake manifold provided with a throttle body the purpose of which is to regulate the supply of combustion air to the engine cylinders.
  • These engines are also equipped with a sump which includes the lubricating oil and a cylinder head cover which covers the cylinder head of the engine (where the oil is injected) and which ensures the sealing as well as a thermal insulation and phonic towards the outside.
  • the casing and the cylinder head cover generally communicate with each other and constitute a circuit in which the crankcase gases circulate.
  • these gases are taken from the crankcase / cylinder head cover circuit by means of a tapping generally carried out at its upper part.
  • the valve which regulates the rate of suction of the crankcase gases according to the present invention is a diaphragm valve, that is to say that it comprises a diaphragm and a spring whose relative movement leads either to opening or closing a communication between the crankcase gas nozzle and the manifold.
  • the diaphragm divides the valve into two compartments: one communicating with the atmosphere, and the other with the intake manifold and the connection of crankcase gases.
  • the membrane also serves to ensure - J -
  • the manifold (1) and the cylinder head cover are separate parts and the valve is integrated into the manifold.
  • the compartment (2) communicating with the manifold (1) and the connection of the crankcase gases (not shown) via a connection pipe (3) is integrated into the intake manifold, the membrane (4) serving to both to ensure the tightness of the collector and to regulate the rate of re-aspiration, together with the spring (5).
  • the circuit according to this variant of the invention is reduced to the essentials: it essentially comprises a membrane / spring couple, a housing (7), a fitting towards the connection of the crankcase gases (3) and of the fixing means (such as clamps) of this connection respectively on the valve and on the connection (not shown).
  • the housing (7) can be fixed in any suitable manner to the manifold, for example by clipping or welding.
  • the membrane may include a reinforcement (8) at its center, where it comes into contact with the orifice. towards the collector (9), this orifice generally being in fact the end of a tube.
  • the reinforcement may be an insert, preferably made of a more rigid material than that constituting the membrane.
  • the manifold and the cylinder head cover are also separate parts, but the valve is this time integrated into the cylinder head cover.
  • the volume (1) of Figure 1 is the volume between the cylinder head and the cylinder head cover, and the fitting (3) this time connects the valve to the manifold, all other things being equivalent to those according to the first variant described.
  • (1) represents the internal volume of the intake manifold and (1 ') represents the volume between the cylinder head and the cylinder head cover.
  • Such a fully integrated circuit manifold, cylinder head cover and rebreathing circuit
  • the materials constituting the elements of the circuit according to the invention are chosen according to their weight, their mechanical strength and their workability, according to their function and their design.
  • plastics in particular to reduce the weight of the assembly and facilitate its realization, it may prove to be advantageous to choose plastics as soon as possible, that is to say for the majority of parts, with the exception of be spring and hose clamps.
  • the membrane and the connection to the stitching are preferably based on an elastomer (such as silicone, fluoro-silicone or acrylic modified rubber (ACM)), and preferably a fluorinated elastomer if the environment requires it;
  • the clamps and the spring are often made of a metal resistant to the environment under the bonnet and to salt spray; and
  • the valve housing is advantageously based on a thermoplastic material such as a polyamide or a polyolefin, but preferably a polyamide.
  • This plastic material is preferably reinforced by means of a filler such as glass fibers.
  • the housing is generally produced by molding, injection molding being particularly suitable.
  • the present invention also relates to an integrated intake manifold for an internal combustion engine, said manifold incorporating the circuit valve according to the first variant of the invention.
  • the present invention further relates to an integrated cylinder head cover for an internal combustion engine, the said cylinder head cover incorporating the circuit valve according to the second variant of the invention.
  • the present invention also relates to an integrated intake manifold / cylinder head cover for an internal combustion engine, said manifold / cylinder head cover incorporating the circuit valve according to the third variant of the invention.
  • the present invention also relates to a method for the design of a crankcase gas rebreathing circuit of an internal combustion engine as described above.
  • This process consists in optimizing the parameters (geometry, materials, etc.) of the valve described above as a function of the operating parameters of an engine, through the use of an engine test bench.
  • engine test bench we mean a test bench which allows, depending on the characteristic points of the engine (function of the speed and torque) to impose a gas rebreathing rate and a vacuum at the intake. We then measure the value of the vacuum at the casing and compare the value with that of the specifications of the vehicle manufacturer.
  • the present invention finally relates to a membrane valve for a suction circuit, an integrated intake manifold and / or a cylinder head cover as described above, this valve preferably being mainly made of plastic.
  • mainly plastic is meant that the valve housing is made of plastic, preferably injection moldable (such as a polyamide or a polyolefin, possibly loaded with glass fibers), and that the the membrane is also made of plastic but preferably of a silicone elastomer or not, optionally fluorinated.

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Abstract

Circuit de réaspiration des gaz de carter d'un moteur à combustion interne équipé d'un collecteur d'admission pourvu d'un boîtier papillon et d'un couvre-culasse, dans lequel une vanne permet de réguler au moins en partie le débit de réaspiration des gaz de carter, ladite vanne comprenant un ressort et une membrane qui divise la vanne en deux compartiments distincts, l'un communiquant avec l'atmosphère et l'autre avec le collecteur d'admission en aval du boîtier papillon et avec un piquage des gaz de carter, caractérisé en ce que le compartiment communiquant avec le collecteur et avec le piquage des gaz de carter est intégré au collecteur d'admission et/ou au couvre-culasse, et en ce que la membrane permet d'assurer l'étanchéité d'une partie du collecteur et/ou du couvre-culasse vers l'atmosphère.

Description

Circuit de réaspiration des gaz de carter d'un moteur à combustion interne
La présente invention concerne un circuit de réaspiration des gaz de carter d'un moteur à combustion interne.
Dans les moteurs à combustion interne, le manque d'étanchéité entre la chambre de combustion et le carter fait que ce dernier se remplit progressivement de gaz de fuite ou gaz de carter, qu'il convient d'évacuer pour éviter une montée en pression. Jadis, ces gaz étaient directement rejetés à l'atmosphère mais un souci croissant pour l'environnement a depuis mené au développement de circuits pour la réaspiration de ces gaz, c'est-à-dire pour leur réintroduction à la combustion, dans le moteur.
Ainsi, dans les Techniques de l'Ingénieur (Volume BL2 - Génie Mécanique - Technologie des moteurs alternatifs à combustion interne - B 2800 par Christian Clos - Edition 1996), on préconise le recours à deux circuits de réaspiration : un circuit primaire, qui relie le piquage des gaz de carter à la tubulure d'admission d'air en aval du papillon, et qui fonctionne principalement à bas régime, lorsque le papillon est (presque) fermé ; et un circuit secondaire, qui relie le piquage des gaz de carter au filtre à air, et qui fonctionne principalement à haut régime, lorsque le papillon est ouvert. Pour éviter une dépression trop importante dans le carter, qui mènerait à l'aspiration d'huile, on peut placer un limiteur de dépression (vanne à membrane) sur le circuit primaire. Toutefois, cette manière de procéder implique un grand nombre de pièces et de raccords et son design n'est pas optimisé en fonction d'un moteur donné.
La demande de brevet EP 724206 propose un circuit amélioré comprenant une vanne à membrane munie d'une embouchure pouvant être reliée au piquage des gaz des carters et d'une autre embouchure pouvant être montée directement sur le collecteur d'admission. Un tel circuit implique toujours la fixation d'une pièce séparée sur le collecteur lors du montage du véhicule, avec les risques de fuites qui en résultent. En outre, il est relativement lourd et coûteux et n'est pas davantage optimisé pour un moteur donné, la vanne étant une vanne standard avec une large plage d'utilisation.
La présente invention a donc pour objet un circuit de réaspiration des gaz de carter d'un moteur à combustion interne, qui minimise le nombre de pièces à assembler lors du montage du véhicule, minimisant ainsi également le risque de fuites, et dont il est facile d'optimiser le design en fonction d'un moteur donné.
La présente invention concerne dès lors un circuit de réaspiration des gaz de carter d'un moteur à combustion interne équipé d'un collecteur d'admission pourvu d'un boîtier papillon et d'un couvre-culasse, dans lequel une vanne permet de réguler au moins en partie le débit de réaspiration des gaz de carter, ladite vanne comprenant un ressort et une membrane qui divise la vanne en deux compartiments distincts, l'un communiquant avec l'atmosphère et l'autre avec le collecteur d'admission en aval du boîtier papillon et avec un piquage des gaz de carter, caractérisé en ce que le compartiment communiquant avec le collecteur et avec le piquage des gaz de carter est intégré au collecteur d'admission et/ou au couvre-culasse, et en ce que la membrane permet d'assurer l'étanchéité d'une partie du collecteur et/ou du couvre-culasse vers l'atmosphère.
Par moteur à combustion interne, on entend désigner un moteur à explosion comprenant au moins un cylindre dans lequel coulisse un piston animé d'un mouvement alternatif qui est transformé en mouvement de rotation au moyen d'un circuit bielle-manivelle et dans lequel l'énergie chimique de combustion d'un carburant est transformée en énergie cinétique de rotation d'un arbre. La présente invention s'applique à tout type de moteur à combustion interne, mais de préférence à des moteurs de véhicules et en particulier, de véhicules automobiles à essence qui comprennent un collecteur d'admission pourvu d'un boîtier papillon dont le but est de réguler l'alimenter de l'air de combustion aux cylindre du moteur. Ces moteurs sont en outre équipés d'un carter qui comprend l'huile de lubrification et d'un couvre-culasse qui coiffe la culasse du moteur (où l'huile est injectée) et qui assure l'étanchéité ainsi qu'une isolation thermique et phonique vis à vis de l'extérieur. Le carter et le couvre-culasse communiquent généralement entre eux et constituent un circuit dans lequel circulent les gaz de carter.
Selon l'invention, ces gaz sont prélevés dans le circuit carter/couvre-culasse au moyen d'un piquage généralement effectué à sa partie supérieure. La vanne qui régule le débit de réaspiration des gaz de carter selon la présente invention est une vanne à membrane, c'est-à-dire qu'elle comprend une membrane et un ressort dont le mouvement relatif mène soit à l'ouverture, soit à l'obturation d'une communication entre le piquage des gaz de carter et le collecteur. La membrane partage la vanne en deux compartiments : un communiquant avec l'atmosphère, et l'autre avec le collecteur d'admission et le piquage des gaz de carter. Selon l'invention, la membrane sert également à assurer - J -
l'étanchéité d'une partie du collecteur et/ou du couvre-culasse vers l'atmosphère et ce faisant, permet une économie de matière (la paroi du collecteur et/ou du couvre- culasse étant interrompue à cet endroit).
La présente invention permet avantageusement de supprimer le circuit de réaspiration secondaire moyennant un dimensionnement adéquat, qui sera détaillé ci-après. Dans ce cas, l'entièreté du débit de réaspiration est régulé par la vanne décrite ci-dessus.
Selon une première variante de la présente invention, illustrée de manière non limitative par la figure 1, le collecteur (1) et le couvre-culasse (non représenté) sont des pièces séparées et la vanne est intégrée au collecteur. Dans ce cas, le compartiment (2) communiquant avec le collecteur (1) et le piquage des gaz de carter (non représenté) via une tubulure de raccord (3) est intégré au collecteur d'admission, la membrane (4) servant à la fois à assurer l'étanchéité du collecteur et à réguler le débit de réaspiration, conjointement avec le ressort (5). En effet, il y a constamment équilibre entre la force exercée par la pression atmosphérique d'un côté de la membrane (compartiment 6) et les forces exercées de l'autre côté (compartiment (2)) par la dépression dans le carter, par la dépression dans le collecteur et par le ressort. Le dimensionnement des éléments de cette vanne (diamètre utile de la membrane, débattement de la membrane (fonction de sa rigidité), diamètre des orifices de communication, dureté du ressort...) est optimisé en fonction d'un moteur donné afin de permettre son intégration directe au collecteur d'admission. Une telle optimisation (sur banc moteur par exemple) permet en effet de réduire fortement la taille de la membrane et d'assurer une bonne régulation pour tous les points de fonctionnement du moteur. En ce qui concerne le gain de matière et de nombre de pièces, on constatera que le circuit selon cette variante de l'invention est réduit à l'essentiel : il comporte essentiellement un couple membrane/ressort, un boîtier (7), un raccord vers le piquage des gaz de carter (3) et des moyens de fixation (tels que des colliers de serrage) de ce raccord respectivement sur la vanne et sur le piquage (non représentés). Le boîtier (7) peut être fixé de toute manière appropriée sur le collecteur, par exemple par clipage ou soudage. Avantageusement, afin d'éviter l'usure de la membrane et donc, une fois de plus, d'en optimiser les dimensions, la membrane peut comprendre un renfort (8) en son centre, la où elle entre en contact avec l'orifice vers le collecteur (9), cet orifice étant en fait généralement l'extrémité d'une tubulure. Le renfort peut être un insert, de préférence en en matériau plus rigide que celui constituant la membrane. Selon une seconde variante de la présente invention, le collecteur et le couvre-culasse sont également des pièces séparées, mais la vanne est cette fois intégrée au couvre-culasse. Dans ce cas, le volume (1) de la figure 1 est le volume situé entre la culasse et le couvre-culasse, et le raccord (3) relie cette fois la vanne au collecteur, toutes autres choses étant équivalentes à celles selon la première variante décrite.
Selon une troisième variante, préférée, de la présente invention, le collecteur d'admission et le couvre-culasse sont intégrés, c'est-à-dire qu'ils comportent au moins une paroi commune. Cette variante, illustrée de manière non limitative à la figure 2, permet de réduire encore le nombre de pièces par rapport aux autres variantes, puisqu'elle permet d'économiser le raccord soit vers le piquage des gaz de carter (variante 1) soit vers le collecteur (variante 2) ainsi que les moyens de fixation de ce raccord. En effet, il suffit de positionner la vanne à cheval sur le collecteur et sur le couvre-culasse et de permettre un piquage direct des gaz de carter sous le couvre-culasse, via un orifice (10) dans la partie inférieure du boîtier (7) située sous le couvre-culasse. Dans la figure 2, (1) représente le volume interne du collecteur d'admission et (1') représente le volume compris entre la culasse et le couvre-culasse. Un tel circuit entièrement intégré (collecteur, couvre- culasse et circuit de réaspiration) ne présente qu'un seul élément à fixer lors du montage du véhicule et comme il est optimisé en fonction de chaque type de moteur, il permet de réduire au maximum les rejets vers l'atmosphère tout en réduisant le poids et la taille des pièces.
Les matériaux constitutifs des éléments du circuit selon l'invention sont choisis en fonction de leur poids, de leur résistance mécanique et de leur ouvrabilité, selon leur fonction et leur design. Ainsi, notamment pour réduire le poids de l'ensemble et faciliter sa réalisation, il peut s'avérer avantageux de choisir des matières plastiques dès que possible, c'est-à-dire pour la majorité des pièces, à l'exception peut-être du ressort et des colliers de serrage. Par exemple, la membrane et le raccord vers le piquage sont de préférence à base d'un élastomère (tel qu'un caoutchouc silicone, fluoro-silicone ou modifié acrylique (ACM)), et de préférence, d'un élastomère fluoré si l'environnement l'exige ; les colliers de serrage et le ressort sont souvent en un métal résistant à l'environnement sous le capot moteur et à des brouillards salins; et le boîtier de la vanne est avantageusement à base d'une matière thermoplastique telle qu'un polyamide ou une polyoléfine, mais de préférence un polyamide. Cette matière plastique est de préférence renforcée au moyen d'une charge telle que des fibres de verre. Le boîtier est généralement réalisé par moulage, le moulage par injection convenant particulièrement bien.
La présente invention concerne également un collecteur d'admission intégré pour moteur à combustion interne, le dit collecteur intégrant la vanne du circuit selon la première variante de l'invention.
La présente invention concerne en outre un couvre-culasse intégré pour moteur à combustion interne, le dit couvre-culasse intégrant la vanne du circuit selon la seconde variante de l'invention.
La présente invention concerne aussi un collecteur d'admission/couvre- culasse intégré pour moteur à combustion interne, le dit collecteur/couvre-culasse intégrant la vanne du circuit selon la troisième variante de l'invention.
La présente invention concerne aussi un procédé pour la conception d'un circuit de réaspiration de gaz de carter d'un moteur à combustion interne tel que décrit précédemment. Ce procédé consiste à optimiser les paramètres (géométrie, matériaux...) de la vanne décrite précédemment en fonction des paramètres de fonctionnement d'un moteur, grâce à l'utilisation d'un banc moteur. Par banc moteur, on entend désigner un banc d'essai qui permet, en fonction des points caractéristiques du moteur (fonction du régime et du couple) d'imposer un débit de réaspiration des gaz dé carter et une dépression à l'admission. On mesure alors la valeur de la dépression au niveau du carter et on compare la valeur avec celle du cahier des charges du constructeur du véhicule.
La présente invention concerne enfin une vanne à membrane pour un circuit de réaspiration, un collecteur d'admission et/ou un couvre-culasse intégrés tels que décrits précédemment, cette vanne étant de préférence principalement en matière plastique. Par « principalement en matière plastique», on entend que le boîtier de la vanne est en matière plastique, de préférence moulable par injection (tel qu'un polyamide ou une polyoléfine, éventuellement chargé(e) de fibres de verres), et que la membrane est également en matière plastique mais de préférence, en un élastomère silicone ou non, éventuellement fluoré.

Claims

R E V E N D I C A T I O N S
1 - Circuit de réaspiration des gaz de carter d'un moteur à combustion interne équipé d'un collecteur d'admission pourvu d'un boîtier papillon et d'un couvre-culasse, dans lequel une vanne permet de réguler au moins en partie le débit de réaspiration des gaz de carter, ladite vanne comprenant un ressort et une membrane qui divise la vanne en deux compartiments distincts, l'un communiquant avec l'atmosphère et l'autre avec le collecteur d'admission en aval du boîtier papillon et avec un piquage des gaz de carter, caractérisé en ce que le compartiment communiquant avec le collecteur et avec le piquage des gaz de carter est intégré au collecteur d'admission et/ou au couvre-culasse, et en ce que la membrane permet d'assurer l'étanchéité d'une partie du collecteur et/ou du couvre-culasse vers l'atmosphère.
2 - Circuit selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l'entièreté du débit de réaspiration est régulable par la vanne.
3 - Circuit selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le collecteur et le couvre-culasse sont des pièces séparées et en ce que la vanne est intégrée au collecteur.
4 - Circuit selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le collecteur et le couvre-culasse sont des pièces séparées et en ce que la vanne est intégrée au couvre-culasse.
5 - Circuit selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le collecteur d'admission et le couvre-culasse comportent au moins une paroi commune et en ce que la vanne est positionnée à cheval sur le collecteur et sur le couvre-culasse afin de permettre le piquage direct des gaz de carter sous le couvre-culasse.
6 - Collecteur d'admission intégré pour moteur à combustion interne, caractérisé en ce qu'il intègre la vanne du circuit selon l'une quelconque des revendications 1 à 3.
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