Brevet FR2587756A1 — publié le 19870327

METHODE ET DISPOSITIF D'ISOLATION THERMIQUE D'UN ORGANE EN RELATION AVEC LES GAZ DE COMBUSTION CONTENUS DANS UN CYLINDRE D1UN MOTEUR A COMBUSTION INTERNE AU MOYEN DE LAMES DE GAZ ET DE COUCHES DE MATERIAU ISOLANT. La présente invention concerne les moteurs à combustion interne comportant un organe en relation avec les gaz contenus dans un cylindre dudit moteur, cet organe devant être isolé thermiquement du reste du moteur. Ceci est le cas, par exemple d'une préchambre de combustion de la chemise d'un cylindre, des parois de la chambre de combustion faisant partie de la culasse, tête de piston, etc. La méthode selon L'invention permet d'augmenter l'isolation thermique d'organes en relation avec les gaz de combustion dans le but notamment d'accroître le rendement thermodynamique du moteur. La présente invention s'applique particulièrement bien au cas des préchambres de combustion. L'isolation thermique de la préchambre présente en outre l'avantage d'un meilleur comportement au démarrage, d'un délai d'autoinflammation réduit d'ou un comportement plus silencieux du moteur. Par ailleurs, le fait de n'isoler thermiquement que la préchambre ne fait pratiquement pas baisser le rendement volumétrique et n'occasionne pas une limitation de la charge du moteur par défaut de remplissage. Il est toutefois préférable d'accroître légèrement le volume de la préchambre pour conserver un remplissage constant avec l'isolation thermique, notamment du fait de l'augmentation de température de la paroi interne de la préchambre. Les préchambres sont généralement constituées en acier réfractaire dont la conductivité thermique est faible mais augmente rapidement avec la température de la paroi. Par ailleurs, le but recherché avec de tels matériaux n'est pas d'isoler thermiquement la préchambre de la culasse du moteur mais de permettre une meilleure tenue mécanique et thermique des parois de La préchambre, en particulier tenue à l'érosion, à la corrosion et au choc thermique Un certain nombre de brevets présentent des solutions d'isolation thermique basées sur L'utilisation de couche de matériaux isolants tels que céramique, graphite, tec. Il s'agit, par exemple, du brevet japonais 52-131.010 dont le principe repose sur le garnissage des parois de préchambre avec un matériau isolant. Cependant, ce matériau n'est disposé que dans une gorge circulaire et le reste de la préchambre n'est pas isolé. Les brevets allemands PS-864.173 et PS-875.590 sont plus anciens. Ils proposent un revêtement de céramique ou de graphite à la surface d'une cavité dans le piston. L'inconvénient majeur de ce type de revêtement réside dans la dilatation différentielle des matériaux constituant le piston et la couche isolante. Celle-ci entraîne généralement une fissuration ou un décollement du revêtement. Il est possible d'éviter la fissuration en employant des revêtements de faible épaisseur, mais cela sera au détriment de l'isolation thermique. Le brevet allemand OS-3.028.440 propose la réalisation d'une préchambre en céramique massive Le problème lié à la dilatation différentielle est alors résolu. Cependant, les céramiques résistent différement aux chocs thermiques. Ainsi, on ne trouve pas de céramique possédant simultanément un coefficient de conductibilité thermique faible et des propriétés mécaniques et thermiques satisfaisantes. La préchambre en céramique massive est réalisée en carbure de silicium, or cette céramique possede un coefficient de conductibilité thermique équivalent à celui d'un acier réfractaire. Ce type de préchambre résistera donc mieux à L'usure et à la corrosion mais ne sera pas plus isolé thermiquement que les préchambres constituées en acier réfractaire. Le brevet allemand 3.303.048 présente une préchambre de combustion possédant une bonne résistance mecanique, une résistance à l'usure et à la corrosion et réalisant une excellente isolation thermique. Cette préchambre est gainée par un revetement composé de céramique. La partie interne de la préchambre peut également être constituée en céramique. Cependant, cette céramique devra être bonne conductrice de la chaleur de façon à limiter le choc thermique dû à l'impact du jet de combustible sur la paroi et obtenir une meilleure répartition des températures. L'inconvénient de cette préchambre selon ce brevet allemand 3.303.048 réside au niveau des contraintes qui apparaissent dans la gaine extérieure. La plupart des céramiques résistent, en effet, beaucoup mieux à la compression. Or, lors de la mise en place de cette gaine sur la partie interne de la préchambre, il apparait des contraintes de traction entrainant des risques de rupture. L'isolation thermique de préchambre a également été proposée en utilisant des lames d'air réparties à la périphérie de la préchambre, du cylindre et sur le fond de la culasse. Le brevet américain 4.453.527 présente une telle solution. L'air est un des matériaux les pLus isolant sur le plan thermique. Le coefficient de conductibilité thermique est de l'ordre de 0,04 W/m.,K à 1.000,C alors que celui d'une céramique "isolante", tel le dioxyde de zircone (Zr02), est voisin de 2 W/m.,K. Cependant, tous les contacts qui subsistent entre les parois qui délimitent ces lames d'air et les parois de la culasse sont autant de ponts thermiques qui nuisent à l'isolation thermique de l'ensemble. L'invention présentée ici tente de remédier à ces inconvénients. Elle associe à une isolation principale basée sur l'utilisation d'une lame de gaz, tel de l'air, une isolation secondaire localisée au niveau des ponts thermiques qui subsistent. L'isolation principale, comme on vient de le voir ci-dessus, est très performante. L'isolation secondaire peut être réalisée au moyen de revêtements en céramique projetée à la torche à plasma. Il s'agit de dioxyde de zircone stabilisé ou non à l'oxyde d'yttrium. Ce type de revêtement projeté permet en outre d'obtenir un coefficient de conductibilité thermique plus faible que celui d'un matériau massif du fait de la porosité du dépôt. Par ailleurs, ces dépôts de céramique ne sont pas en contact avec les gaz chauds, il n'y a donc pas de risque de choc thermique. Ainsi, d'une manière plus générale, la présente invention concerne une méthode d'isolation thermique d'un organe en relation avec les gaz contenus dans un cylindre d'un moteur à combustion interne par rapport au reste dudit moteur, cet organe comportant une paroi interne en relation avec lesdits gaz contenus dans la chambre de combustion, une paroi externe définie par des surfaces qui ne sont pas en relation avec les gaz contenus dans ledit cylindre, et des surfaces de contact entre ledit organe et le reste du moteur. Cette méthode se caractérise en ce que ladite isolation est réalisée par l'interposition d'une lame de gaz entre une partie au moins des parois externes et le reste du moteur, et par la mise en place d'un matériau isolant thermique sur au moins certaines desdites surfaces de contact. Ce gaz peut être de l'air. Le matériau isolant thermique peut être un matériau comprenant de la céramique comportant éventuellement du dioxyde de zircone. La présente invention concerne également un dispositif d'isolation thermique d'un organe en relation avec les gaz contenus dans un cylindre d'un moteur à combustion interne par rapport au reste dudit moteur, ledit organe coopérant avec un logement aménagé dans le reste dudit moteur, ledit organe comportant au moins une paroi interne en relation avec lesdits gaz contenus dans ledit cylindre et des surfaces de contact entre ledit organe et le reste dudit moteur. Ce dispositif se caractérise en ce que ledit organe, sur une portion au moins de sa paroi externe est sensiblement inférieur à la dimension dudit logement et en ce que certaines au moins des surfaces de contact entre ledit organe et le reste du moteur comportent un matériau isolant thermique. Le matériau isolant thermique pourra être un matériau comportant de la céramique. L'organe à isoler thermiquement peut etre une préchambre de combustion, comportant une extrémité solidaire d'un fourreau destiné à recevoir un injecteur, dans ce cas, les surfaces de contact entre ledit fourreau et le reste dudit moteur pourront comporter un matériau isolant thermique. Le fourreau pourra comporter deux pièces dont l'une seulement pourra être en contact avec un matériau isolant, ledit matériau étant placé sur les surfaces de contacts entre ladite pièce et le reste du moteur, et entre ladite pièce et l'injecteur. Le matériau isolant thermique pourra être supporté par au moins une rondelle. La partie de L'injecteur en relation avec les-gaz contenus dans ledit cylindre pourra être recouverte d'un matériau isolant thermique. Lorsqu'un joint d'étanchéité est intercalé entre la préchambre et ledit injecteur, l'une au moins deux deux surfaces d'appui dudit joint pourra comporter un revêtement d'un matériau isolant thermique. Dans le cas où l'organe à isoler est une préchambre de combustion, le matériau isolant thermique pourra être placé de préférence sur les surfaces de contact proches du canal de transfert entre ladite préchambre et le cylindre concerné. La présente invention sera mieux comprise et ses avantages apparaîtront plus clairement à la description qui suit d'exemples particuliers, nullement limitatifs, appliqués au cas d'une préchambre de combustion, illustrés par les figures ci-annexées, parmi lesquelles - la figure 1 représente un premier mode de réalisation d'une préchambre de combustion isolée selon la présente invention, - la figure 2 représente un deuxième mode de réalisation comportant un fourreau formé de deux pièces, et - la figure 3 représente un perfectionnement du mode de réalisation précédent comportant des rondelles céramisées. La figure 1 représente en coupe, le dispositif selon l'invention. Il se compose d'une préchambre 1, de préférence en acier éventuellement réfractaire, maintenue sur la culasse 2 au moyen d'un fourreau d'injection taraudé 3. Ce fourreau peut être également réalisé en acier réfractaire possédant un coefficient de conductibitité thermique réduit. Une lame d'air 4 d'une épaisseur de 2mm environ est ménagée entre la paroi extérieure 5 de la préchambre 1 et la paroi 6 du logement de la culasse recevant la préchambre de combustion. La paroi extérieure 5 de la préchambre 1 peut être définie par les surfaces de la préchambre qui ne sont pas en contact avec le combustible et qui ne servent pas d'appui. La partie inférieure 7 de la préchambre qui est destinée au positionnement de celle-ci, est revêtue d'une couche 8 dé céramique tel du dioxyde de zircone de 0,5mm d'epaisseur qui réduit la perte thermique locale. Cette zone est particulièrement chaude du fait de la présence du canal de transfert 10 dans Lequel circulent Les gaz de combustion avec des vitesses élevées (250m/s). Un second pont thermique existe également à la partie supérieure de la préchambre. Il s'agit du contact entre le fourreau d'injecteur 3 et la culasse 2. Selon la présente invention, la périphérie du fourreau est revêtue d'une couche de céramique 9 de 0,5mm. Les caractéristiques de ce dépôt sont les memes que celles du dépôt inférieur. Sur la figure 1, la référence 22 désigne un joint en cuivre. Dans ce qui précède et dans ce qui suit, les notions de positionnement supérieur et inférieur, notamment, des couches d'isolement thermique sont à considérer relativement à la position du cylindre concerné du moteur, celui-la est supposé définir la référence basse. La figure 2 représente, en coupe, une variante du dispositif précédent. La partie inférieure de la préchambre est identique à la précédente. Le fourreau d'injecteur est cependant remplacé par deux pièces distinctes 11 et 12. La première pièce sera qualifiée d'écrou et la deuxième de pièce de fixation de l'injecteur 14. En effet, dans le cas présenté sur la figure 1, il subsiste un passage de chaleur entre la préchambre et l'air ambiant en dépit des dépôts de céramique qui n'isolent la préchambre que de la culasse. Ce transfert de chaleur s'effectue par la liaison entre la préchambre 1 et le fourreau 3. Dans le cas de la figure 1, cette liaison est réalisée par un système vis-écrou portant la référence 13 sur la figure 1. Dans le cas de la figure 2, L'écrou 11 réalisé en acier réfractaire assure le maintien de la préchambre 1 dans la culasse. L'isolation thermique de cette pièce vis-å-vis de la culasse 2 est assurée au moyen d'une couche de céramique 15 et de la lame d'air 16. La face supérieure de L'écrou 11 est également revêtue d'une couche de céramique 17 qui limite les pertes thermiques vers l'injecteur 14. La deuxième pièce 12 est rapportée sur la culasse 2 pour permettre la mise en place de l'injecteur 14. Elle peut être réalisée en matériau peu isolant. Dans le cas de la figure 2, l'écrou 11 est fixé à la préchambre 1 au moyen d'un système à vis-écrou portant la référence 18. C'est d'ailleurs ce système qui va assurer la fixation de la préchambre 1 sur la culasse 2. La figure 3 représente, en coupe, l'invention sous une troisième forme. La fixation de la préchambre 1 sur la culasse 2 est assurée de la même façon que dans le cas de la figure 2 au moyen de l'écrou 11. La lame d'air 4 est également identique. L'isolation thermique de la partie inférieure de la préchambre peut être réalisée d'une part avec une couche 8 de céramique Zr02 de 0,Smm d'épaisseur située à la périphérie de la préchambre et d'autre part avec une rondelle 19 en acier réfractaire revêtue de 0,5mm de céramique Zrû2 sur la face inférieure 7. Un procédé analogue est utilisé au niveau de l'écrou 11 à L'aide d'une autre rondelle céramisée portant la référence 20. La rondelle céramisée 20 isole l'écrou i1 de la culasse 2 et une troisième rondelle céramisée 21 isole l'écrou 11 de l'injecteur 14. Les avantages de telles rondelles céramisées sont de plusieurs ordres. Tout d'abord, le dépôt de céramique est facilité, car il s'agit de pièces de forme simple. Les risques de fissuration du dépôt, en particulier dans les zones anguleuses, sont évités. Il est possible de procéder à un dépôt de céramique sur chacune des faces de ta rondelle, ce qui permet facilement d'accroitre la résistance thermique des contacts. Selon la présente invention, la partie de la préchambre sur laquelle repose le joint d'étanchéité au gaz 23 est recouverte d'une couche de matériaux isolants. Bien entendu, on ne sortira pas du cadre de la présente invention si la partie du nez de l'injecteur en contact avec les gaz chauds est recouverte d'une couche de matériaux isolants telles certaines céramiques. REVENDICATIONS 1. - Méthode d'isolation thermique d'un organe en relation avec les gaz contenus dans un cylindre (1) d'un moteur à combustion interne par rapport au reste dudit moteur, cet organe comportant une paroi interne en relation avec lesdits gaz contenus dans la chambre de combustion, une paroi externe (5) définie par des surfaces qui ne sont pas en relation avec les gaz contenus dans ledit cylindre et des surfaces de contact entre Ledit organe et le reste du moteur, caractérisée en ce que ladite isolation est réalisée par l'interposition d'une lame de gaz (4) entre une partie au moins des parois externes (5) et le reste du moteur, et par la mise en place d'un matériau isolant thermique (8) sur au moins certaines desdites surfaces de contact. 2. - Méthode selon la revendication 1, caractérisée en ce que ledit gaz est de l'air. 3. - Méthode selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que ledit matériau isolant thermique est un matériau comportant de la céramique. 4. - Méthode selon la revendication 1, caractérisée en ce que ledit matériau isolant thermique comporte du dioxyde de zircone. 5. - Dispositif d'isolation thermique d'un organe en relation avec tes gaz contenus dans un cylindre d'un moteur à combustion interne par rapport au reste dudit moteur, ledit organe coopérant avec un logement aménagé dans Le reste dudit moteur, ledit organe comportant au moins une paroi interne en relation avec lesdits gaz contenus dans ledit cylindre, une paroi externe (5) définie par les surfaces qui ne sont pas en relation avec les gaz contenus dans ledit cylindre et des surfaces de contact entre ledit organe et le reste dudit moteur, caractérisé en ce que ledit organe, sur une portion au moins de sa paroi externe (5), est sensiblement inférieure à la dimension dudit logement (6) et en ce que certaines au moins des surfaces de contact entre ledit organe et le reste dudit moteur comportent un matériau isolant thermique (8). 6. - Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que ledit matériau isolant thermique est un matériau comportant de la céramique. 7. - Dispositif selon la revendication 5 appliqué à L'isolation d'une préchambre de combustion, comportant une extrémité solidaire d'un fourreau (3) destiné à recevoir un injecteur, caractérisé en ce que les surfaces de contact entre ledit fourreau (3) et le reste dudit moteur comportent un matériau isolant thermique (9). 8. - Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que ledit fourreau comporte deux pièces S11, 12) dont l'une seulement (11) est en contact avec un matériau isolant (15, 17), ledit matériau étant placé sur les surfaces de contacts entre ladite pièce (11) et le reste dudit moteur, et entre ladite pièce (11) et l'injecteur (14). 9. - Dispositif selon les revendications 7 ou 8, caractérisé en ce que le matériau isolant thermique est supporté par au moins une rondelle (19, 20, 21). 10. - Dispositif selon l'une des revendications 6 à 8, caractérisé en ce que la partie de l'injecteur en relation avec les gaz contenus dans ledit cylindre est recouverte d'un matériau isolant thermique. 11. - Dispositif selon l'une des revendications 7 à 10 comportant un joint (23) d'étanchéité intercalé entre la préchambre (1) et ledit injecteur (14), caractérisé en ce que l'une au moins des deux surfaces d'appui dudit joint (23) comporte un revêtement d'un matériau isolant thermique.