Brevet FR2507682A1 — publié le 19821217

La présente invention concerne une chambre de précombustion pour la tête de cylindre d'un moteur Diesel, utilisant une matière céramique. Il est possible de réaliser une telle chambre de-préccbustion de façon générale un corps de révolution - completement en matière céramique Toutefois l'inconvénient en est que la chambre de précombustion ou sa céramique s'applique d'une part sur la tête de cylindre frioide ou refroidie ou s'appuie pratiquement contre celle-ci et d'autre part elle est en saillie dans la chambre de combustion principale chaude c'est-àdire la chambre de combustion à l'intérieur du cylindre du moteur Diesel, ce qui se traduit par des contraintes thermi- ques considérables qui limitent les possibilités de charges thermiques ou la durée de vie de la chambre de précombustion. La présente invention a pour but de créer des moyens permettant d'augmenter la possibilité de charge thermi- que de la chambre de précombustion. A cet effet, l'invention concerne une chambre de précombustion du type cidessus, caractérisée en ce qu'entre la chambre de précombustion et la tête de cylindre, il existe au moins un intervalle par rapport à la chambre de combustion principale et la matière céramique protégée par rapport à la tête de cylindre métallique et le cas échéant par rapport à d'autres métaux, par l'intermédiaire d'un moyen d'isolation thermique. L'invention présente les résultats des avantages suivants: l'invention permet de réduire ou d'éviter les con- traintes thermiques La combustion dans la chambre de précombus- tion peut se faire à des températures plus élevées et le gaz ou le fluide (gaz et particules de combustible liquide) dans la chambre de précombustion alimentant la chambre de combustion principale peuvent être à une température plus élevée La pos- sibilité de charge thermique de la chambre de précombustion peut être plus élevée et on arrive à une puissance spécifique plus importante et à un rendement plus élevé du moteur Diesel. Suivant une autre caractéristique de l'invention la chambre de précombustion se compose de pièces qui suivent axialement, et au moins la pièce qui se trouve le plus près de la chambre de combustion principale est en matière céramique et est protégée. La chambre de précompression est considérable- ment chargée en température du c 8 té de la chambre de combustion principale dans laquelle elle vient en saillie et il suffit souvent que seule la partie la plus proche de la chambre de combustion principale de la chambre de précombustion en plusieurs parties soit en matière céramique Avec cette seule mesure, on obtient les effets et avantages mentionnés, de façon réellement Satisfaisante Ce résultat est encore amélioré si en plus la partie adjacente de la chambre de précompression est également en matière céramique Pour la fixation ou le blocage des diffé- rentes parties en matière céramique formant la chambre de pré- combustion, on utilise en-particulier au moins un goujon ou une tige et/ou la bride d'extrémité extérieure d'une partie en matière céramique de la chambre de précombustion. Suivant une autre caractéristique de l'invention, on utilise différents agents d'isolation thermiques: un ou plusieurs joints ou bagues d'étanchéité Ces joints ou bagues d'étanchéité sont par exemple réalisés en amiante, en feutre de matière céramique ou une douille métallique à section annu- laire, contenant de l'amiante, du feutre de matière céramique ou analogue à l'intérieur de la douille. Suivant une autre caractéristique de l'invention, la pièce la plus prçche de la chambre de combustion principale est une pièce de guidage de gaz venant en saillie dans la cham- bre de combustion principale et qui est libre par rapport à la tête de cylindre, et pénètre de façon opposée dans la pièce voisine de la chambre de précombustion et y est reliée à celle- ci par un ou deux goujons de fixation dirigés transversalement, la liaison étant isolante thermiquement. Du fait qu'il est prévu une partie de guidage des fluides ou des gaz, en céramique, particulière c'est-à-dire distincte, et que cette partie est reliée à la partie adjacente de la chambre de précompression par un ou deux goujons de retenue, on évite un flux thermique de cette partie ou pièce de guidage des gaz vers la pièce de la chambre de précombustion, et ainsi dans une très large mesure vers la tête de cylindre, refroidie on évite ainsi que des tensions importantes ne se développent par suite des gradients de température Cela peut s'obtenir du fait que la pièce de guidage des gaz et le ou les goujons de retenue ainsi que la ou les autres pièces de la chambre de pré- combustion peuvent se dilater librement, si bien que l'éléva- tion de température n'engendre que peu ou aucune tension mécani- que. On évite également le flux thermique mentionné ci-dessus par la pièce de guidage de gag particulière et le ou les goujons de fixation en utilisant une matière métallique très réfractaire par exemple un alliage à base de nickel pour réaliser la pièce de guidage des gaz Toutefois, la pièce de guidage des gaz est notamment réalisée en matière céramique. La matière céramique de la chambre de précombus- tion ou d'une ou plusieurs des pièces de celle-ci est de préfé- rence du carbure de silicium Si C ou du nitrure de silicium Si 3 N 4; il peut également s'agir par exemple de carbure de silicium avec une infiltration de silicium, une céramique à base d'oxyde tel que par exemple de l'oxyde de magnésium Mg O ou de l'oxyde d'aluminium A 1203 ou encore du titanate d'alumi- nium Cela s'applique également pour le matériau du goujon de retenue dans la mesure o celui-ci est en matière céramique. Le matériau du goujon de retenue peut également être une matière métallique très réfractaire comme par exemple un alliage à base de nickel La pièce dé guidage des gaz et le goujon de retenue en matière céramique peuvent subir des températures plus élevées que les pièces métalliques. Suivant une autre caractéristique de l'invention la pièce de guidage en matière céramique est en forme de champi- gnon, la tête du champignon se trouvant dans la chambre de com- bustion principale et la tige du champignon venant en saillie dans la pièce adjacente, et cette pièce de guidage des gaz en forme de champignon ainsi que la pièce voisine forment entre elles un canal de guidage des gaz. Ainsi, le canal de sortie des gaz et une sortie de fluide en forme de c 8 ne se réalisent à l'aide de moyens sim- ples. Suivant une autre caractéristique de l'invention les deux goujons de fixation sont situés dans des plans trans- versaux qui se suivent axialement, et ces goujons se croisent dans la tige de la pièce en forme de champignon, les quatre extrémités des goujons se trouvant dans la pièce voisine On a ainsi un montage simple des goujons de retenue. Suivant une autre caractéristique de l'invention la tige du champignon comporte quatre nervures longitudinales décalées l'une de l'autre de 900, et qui arrivent jusqu'à la pièce voisine et les deux goujons de fixation ou seulement l'un des deux traversent le noyau central et les nervures longitudi- nales de la tige de la pièce en forme de champignon; ainsi, le ou les goujons de retenue ne se trouvent pas dans la veine de fluide chaud, si bien qu'il suffit en général d'utiliser comme matériau pour cette pièce du métal à la place de la matière céramique La tige de champignon ne peut pivoter par rapport à la pièce à laquelle il est relié à cause de nervures longitudi- nales, si bien qu'un seul goujon de retenue suffit. D'autres caractéristiques avantageuses de l'invention concernent des modes de réalisation intéressants de la chambre de précompression dans la tète de cylindre. L'un des modes de réalisation ne comportant pas la pièce particulière de guidage des gaz ne peut être sollicité en température à un-niveau aussi élevé que le mode de réalisa- tion comportant une telle pièce; toutefois, le premier cas est plus simple et ainsi moins coûteux à réaliser. Un autre mode de réalisation plus simple et moins coûteux est une réalisation en une seule pièce en matière céramique Néanmoins, grâce à l'invention, les possibilités de charges thermiques sont supérieures à celles du mode de réalisation métallique en une seule pièce ou du mode de réali- sation en céramique en une seule pièce, en présentant pas les caractéristiques de l'invention. De façon générale, la remarque suivante s'applique il est prévu une pièce ou une partie de plus grand diamètre extérieur pour la chambre de précompression, ventrue, proprement dite, ou au moins la plus grande partie de celle-ci alors que le reste se trouve dans la partie ou le segment de plus petit diamètre extérieur et à la suite de cette chambre de précompres- sion, il y a un volume cylindrique arrivant jusqu'à la sortie du fluide ou du gaz, et qui se trouve coaxialement dans la partie ou la pièce de petit diamètre extérieur Le diamètre de ce volume cyli 4 arique est inférieur au plus grand diamètre de la chambre de pr A Wombustion,_ ventrue, proprement dite. Le matériau de la tète de cylindre est en général de l'acier ou de la fonte d'aluminium et ne supporte pas en général la chaleur qui règne au niveau de la chambre de précombustion Il s'agit pour cela dans le cas du matériau constituant les pièces métalliques mentionnées de la chambre de pr(êcombusti O rn 1: et de l'insert métallique, d'un matériau très réfractaire en particulier d'un alliage à base de nickel. La présente invention sera décrite plus en détail à l'aide de divers exemples de réalisation de la chambre de pr 6 combustiôn dans une tête de cylindre selon l'invention les figures 1 et 3 montrent respectivement en coupe longitudinale deux modes de réalisation avec une pièce de guidage de gaz, particulière. les figures 2 et 4 sont des coupes transver- sales selon II-II de la figure 1 et IV-IV de la figure 3 au niveau de la pièce de guidage des gaz. les figures 5 et 6 sont respectivement une coupe longitudinale de deux modes de réalisation sans pièce de guidage de gaz particulière. Les trois chambres de précombustion selon les figures 1 à 5 sont en plusieurs parties alors que la chambre de précombustion selon la figure 6 est en une seule pièce. Selon la figure 1, les pièces successives dans la direction axiale formant la chambre de précombustion se composent d'une pièce principale 11, métallique, allongée (cette pièce peut également être désignée comme chambre de précombus- tion proprement dite) et une pièce de guidage des gaz 10 en matière céramique La pièce principale 11 se compose de deux segments 12, 13 cylindriques, qui se suivent dans l'axe; le segment 12 a un diamètre extérieur 45 plus faible que le seg- ment 13 Entre le segment 12 et la tête de cylindre 14, métalli- que, il subsiste à la périphérie un intervalle 15 alors que le segment 13 est logé pratiquement sans jeu dans la tête de cylindre 14 Le segment 13 passe de façon conique dans le segment 12 La tête de cylindre 14 a une surface conique 16 correspon- dante contre laquelle est appliquée la partie transitoire 25 conique par des vis qui sont vissées dans la tête de cylindre 14 parallèlement à l'axe longitudinal 17 de la chambre de pré- combustion; ces vis sont schématisées par les axes 18 (voir également la figure 6 à laquelle les vis sont complètement dessinées); la pièce de guidage de gaz 10 est en forme de champignon et est libre par rapport à la tête de cylindre 14; la pièce 10 vient en saillie dans la chambre de combustion principale 19 La tête de champignon 20 se trouve dans la cham- bre de combustion principale 19 et la tige 21 de cette pièce en champignon pénètre dans le segment 12. Deux goujons de retenue ou tiges 22, 23 sont situés dans deux plans transversaux qui sont axialement super- posés; les goujons se croisent à angle droit et traversent la tige 21 de la pièce en forme de champignon ainsi que le canal de guidage des gaz 24 délimité par la pièce de guidage de gaz et le segment 12; les quatre extrémités des goujons se trouvent dans le segment 12 (voir également la figure 2) La pièce de guidage de gaz 10 présente à l'extrémité située du côté de la chambre de combustion principale du canal de guidage de gaz 24, des nervures 26 réparties sur 3600 (notamment entre trois et dix nervures) qui subdivisent la veine de gaz ou de fluide en veines distinctes Sans la présence des nervures 26, l'extrémité du canal constitue un canal annulaire s'étendant sur 3600 d'o le jet sort en continu c'est-à-dire sans être subdivisé L'extrémité du canal comme défini ci-dessus se pré- sente en forme de tronc de c 8 ne (angle du c 8 ne tourné vers la chambre de combustion principale 19) et on obtient une veine de sortie de forme conique correspondante, subsdivisée ou con- tinue. Selon la figure 3, les pièces qui se suivent axiale'ment et qui composent la chambre de précombustion, com- prennent une pièce cylindrique métallique 29, une pièce cylin- drique céramique 28 de diamètre extérieur 45 plus faible que celui de la pièce 29 ainsi qu'une pièce de guidage de gaz 27 en matière céramique Entre la pièce 28 en matière céramique et la tête de cylindre 14 en matière céramique, il subsiste un intervalle 15 périphérique alors que la pièce métallique 29 s'appuie pratiquement sans laisser d'intervalle dans la t 9 te de cylindre 14 La pièce 29 présente une pièce d'extrémité 30, conique, dirigée vers la pièce 28 L'extrémité conique 30 ou la pièce 28 est poussée axialement contre la surface conique 16 correspondante de la tête de cylindre 14 par les vis 18 La pièce de guidage 27 est reliée à la pièce 28 de façon analogue à la figure 1 en laissant également une extrémité de canal de forme tronconique Toutefois, la tige en forme de champignon comporte quatre nervures longitudinales 36 décalées l'une par rapport à l'autre de 900, et atteignant, la pièce 28; les 7 2507682 goujons de fixation 22, 23 traversent le noyau central 37 ainsi que les nervures longitudinales 36 (voir également la figure 4). L'un des goujons de fixation 22, 23 peut être supprimé La pièce 28 comporte axialement à c 8 té de la pièce 29, une bride d'extrémité 31, extérieure Entre d'une part la bride d'extrémité extérieure 31 placée dans une cavité 32 de la tête de cylindre 14 et d'autre part la tête de cylindre 14 et la pièce 29, se trouve un joint d'isolation thermique, de forme annulaire, disposé coaxialement sur les deux faces fron- tales et à la périphérie de la bride d'extrémité 31 extérieure. Le joint se compose de trois joints plats 32, 33, 34 et sert à isoler thermiquement la pièce 28 par rapport aux pièces 29 et 14 ou à réduire le flux de chaleur de la pièce 28 vers les pièces 29, 14 Le joint 32 à 34 a également une autre fonction pour diminuer les contraintes thermiques et mécaniques sur la pièce céramique-28, on transmet la plus grande partie de la précontrainte axiale de la pièce métallique 28 sur la tête de cylindre 14 et cela par l'intermédiaire de la surface conique 16; la présence des joints d'étanchéité 32-34 -applique une partie seulement de la force d'application exercée par les vis 18 et la pièce métallique 29 sur la céramique ou la bride d'extrémité extérieure en céramique 31 ou la partie en cérami- que 28. On évite ainsi l'éclatement de cette pièce 28. Selon les figures 5 et 6, la chambre de pré- combustion comporte à la place de la pièce de guidage de gaz ou 27, entre un et quatre (on a également de préférence entre 6 et 8) orifices de sortie de gaz ou canaux 38 au niveau de l'extrémité fermée Ces orifices ou canaux 38 sont disposés sur un c 8 ne comme à la figure 1. Selon la figure 5, les pièces qui se succèdent axialement et qui composent la chambre de précombustion, com- prennent une pièce cylindrique métallique ou céramique 29 (voir également la figure 3) et une pièce cylindrique céramique 39 de diamètre extérieur 45 plus petit que celui de la pièce 29, de façon analogue à la pièce 28 selon la figure 3 Dans ce cas comme à la figure 3, on a un intervalle 15 Abstraction faite de la pièce de guidage de gaz qui n'existe pas et de l'extrémité mentionnée de la pièce 39, toutes les remarques faites à propos de la figure 3 s'appliquent également à la figure 5 comme par exemple la réalisation des joints 32-34, la pression d'applica- tion de la pièce 29 etc. La chambre de précombustion selon la figure 6 est réalisée en une seule pièce comprenant un segment cylindri- que 40 et un segment cylindrique 31 de diamètre extérieur 45 plus petit que celui du segment 40 Cette chambre de précombus- tion est réalisée en matière céramique La pression exercée par les vis 18 sur la chambre de précombustion dans la direction de la chambre de combustion principale 19 se fait par une garni- ture métallique 42 avec une extrémité conique 47 comme à la figure 2 Entre d'une part la chambre de précombustion et d'autre part entre la tête de cylindre 14 et la garniture 42, il y a partout un intervalle 15 qui est légèrement plus faible au niveau de l'insert 42 à cause de la pression axiale qu'au niveau de la tête de cylindre 14 et des joints d'étanchéité 43, 44 coaxiaux, d'isolation thermique, absorbant la pression axiale, sont prévus sur les extrémités axiales du segment 40. L'intervalle 15 à la périphérie existe au niveau des segments 12 (figure 1) et 40 (figure 6) et des par- ties 28 (figure 3) et 39 (figure 5) abstraction faite de la bride d'extrémité extérieure 31, sur toute la longueur du seg- ment ou de la pièce et dont la zone transitoire vers le segment adjacent 13 à 40 ou de la bride d'extrémité extérieure 31 Selon toutes les figures, la chambre de pr 6 combustion, proprement dite, de forme ventrue, porte la référencé 48 et le prolongement cylindrique adjacent porte la référence 49 Les parties 11 (figure 1), 29 (figures 3, 5) et 42 (figure 6) sont rendues étanches par rapport à la tête de cylindre 14 par un joint d'étanchéité 46. R E V E N D I c A T I 0 N S ) Chambre de précombustion pour la tête de cylindre d'un moteur diesel, utilisant une matière céramique, chambre caractérisée en ce qu'entre la chambre de précombustion ( 10, 11; 27-29) et la tête de cylindre ( 14), il existe au moins un intervalle ( 15) par rapport à la chambre de combustion principale ( 19) et la matière céramique protégée par rapport à la tête de cylindre ( 14) métallique et le cas échéant par rapport à d'autres métaux, par l'intermédiaire d'un moyen d'iso- lation thermique. ) Chambre de précombustion selon la revendi- cation 1, caractérisée en ce qu'elle se compose de pièces ( 10, 11; 27-29) qui suivent axialement, et au moins la pièce ( 10; 27) qui se trouve le plus près de la chambre de combustion principale ( 19) est en matière céramique et est protégée. ) Chambre de précombustion selon l'une quel- conque des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que le moyen d'isolation thermique est formé d'un ou plusieurs joints d'isolation thermiques, coaxiaux, annulaires (joints 32-34 ou joints 43, 44). ) Chambre de précombustion notamment selon l'une quelconque des revendications 1 et 2 ou 1 à 3, caractéri- sée en ce que la pièce la plus proche de la chambre de combus- tion principale ( 19) est une pièce de guidage de gaz ( 10; 27) venant en saillie dans la chambre de combustion principale ( 19) et qui est libre par rapport à la tête de cylindre ( 14), et pénètre de façon opposée dans la pièce voisine ( 11; 28) de la chambre de précombustion ( 10, 1 h; 2729) et y est reliée à celle-ci ( 11; 28) par un ou deux goujons de fixation ( 22, 23) dirigés transversalement, la liaison étant isolante thermique- ment. ) Chambre de précombustion selon la revendi- cation 4, caractérisée en ce que la pièce de guidage ( 10; 27) en matière céramique est en forme de champignon, la tete ( 20) du-champignon se trouvant dans la chambre de combustion princi- pale ( 19) et la tige ( 21, 35) du champignon venant en saillie dans la pièce adjacente ( 11; 28), et cette pièce de guidage des gaz ( 10; 27) en forme de champignon ainsi que la pièce voisine ( 11; 28) forment entre elles un canal de guidage des gaz 6 >) Chambre de précombustion selon l'une quel- conque des revendications 4 et 5, caractérisée en ce que les deux goujons de fixation ( 22, 23) sont situés dans des plans transversaux qui se suivent axialement, et ces goujons se croi- sent dans la tige ( 21; 35) de la pièce en forme de champignon, les quatre extrémités des goujons se trouvant dans la pièce voisine ( 11; 28). ) Chambre de précombustion selon l'une quel- conque des revendications 5 et 6, caractérisée en ce que la tige ( 35) du champignon comporte quatre nervures longitudinales ( 36) décalées l'une de l'autre de 900, et qui arrivent jusqu'à la pièce voisine ( 28) et les deux goujons de fixation ( 22, 23) ou seulement l'un ( 22) des deux ( 22, 23) traversent le noyau central ( 37) et les nervures longitudinales ( 36) de la tige ( 35) de la pièce en forme de champignon. 8 ) Chambre de précombustion selon l'une quel- conque des revendications 2 et 4, caractérisée en ce que les pièces formant la chambre comprennent une pièce principale ( 11) métallique, allongée et la pièce de guidage de gaz ( 10) en matière céramique, la pièce principale ( 1 l) se composant de deux segments ( 12, 13) qui se suivent dans l'axe, le segment ( 12) le plus près de la chambre de combustion ( 19) ayant un plus petit diamètre extérieur ( 45) que l'autre segment ( 13) et il est relié à la pièce de guidage de gaz ( 10), et entre le segment ( 12) le plus près de la chambre de combustion principale ( 19) et la tête de cylindre ( 14) il y a un intervalle ( 15). ) Chambre de précombustion selon l'une quel- conque des revendications 2 à 4, caractérisée en ce que les pièces composant la chambre comprennent une pièce métallique ou céramique ( 29) et une-pièce céramique ( 28, 39), de plus petit diamètre extérieur ( 45) que la première pièce ( 29), avec une pièce de guidage de gaz ( 27) en matière céramique ou une extré- mité fermée à l'exception des orifices de sortie de gaz ( 38), un intervalle ( 15) subsistant entre la pièce en matière céramique ( 28; 39) de plus petit diamètre extérieur ( 45) et la tête de cylindre ( 14)e cette pièce en matière céramique ( 28; 39) ayant axialement à c 8 té de la pièce mentionnée ( 29) de plus grand diamètre extérieur, une bride d'extrémité ( 31), extérieure, et entre la bride d'extrémité ( 31) d'une part et la tête de cylindre ( 14) et la pièce mentionnée ( 29) de plus grand diamètre exté- il rieur d'autre part, un joint d'isolation thermique ( 32-34). ) Chambre de précombustion selon l'une quel- conque des revendications 1 et 3, 2 et 3 ou 2 à 4, caractérisée en ce qu'entre la chambre ( 40, 41) en une ou plusieurs pièces, uniquement en matière céramique, avec pour exception la pièce de guidage de gaz ( 10; 27) dans le cas d'une réalisation en plusieurs pièces, et la tête de cylindre ( 14) et le cas échéant un insert métallique ( 42) qui se trouve en avant ou en arrière, il y a partout un intervalle ( 15) sur toute la périphérie, avec des joints d'étanchéité d'isolation thermique ( 43, 44). 11) Chambre de précombustion selon la revendi- cation 10, caractérisée en ce que dans le cas du mode de réali- sation qui, à l'exception de la pièce de guidage de gaz ( 10; 27), comporte globalement deux pièces ( 40, 41) qui se suivent dans l'axe, dont la pièce la plus proche de la chambre de combustion principale ( 19) (segment 41) de plus petit diamètre extérieur ( 45) que celui de l'autre pièce (segment 40), il est chaque fois prévu un joint d'étanchéité ( 43, 44) à chaque extrémité axiale de l'autre pièce ( 40) entre cette pièce ( 40) et la tête de cylindre ( 14), et le cas échéant l'insert ( 42).