Brevet FR2653824A1 — publié le 19910503

L'invention concerne une soupape d'admission pour un moteur à allumage par compression et un moteur comportant une telle soupape. On connaît des moteurs Diesel rapides comportant, associée à chacun de leurs cylindres, une préchambre de turbulence, par exemple une préchambre de type Ricardo. Le moteur comporte un bloc-cylindre au-dessus duquel est placée une culasse ; à l'intérieur de la culasse, sont disposées les préchambres de turbulence de forme approximativement sphérique. Les préchambres de turbulence sont destinées à assurer une bonne qualité de mélange entre le gazole injecté au sein de la chambre et l'air comburant refoulé dans la préchambre et animé d'un mouvement tourbillonnaire intense. Chacune des préchambres est reliée par un canal de transfert à une chambre principale qui est délimitée à l'intérieur du cylindre correspondant par la tête du piston et par une partie adjacente de la culasse. Le canal de transfert présente une faible section par rapport à la section du piston du cylindre moteur auquel est associée la préchambre. Pendant la course du piston correspondant à la compression, l~air provenant du cylindre circule dans le canal de transfert à une très grande vitesse si bien qu'un mouvement tourbillonnaire énergique se produit dans la préchambre. On effectue une injection de carburant grâce à un inJecteur fixé dans la culasse et débouchant dans la préchambre, pendant cette phase au cours de laquelle l'air est animé d'un mouvement tourbillonnaire. Le carburant est ainsi mélangé de manière efficace à I'air assurant la combustion. Pendant la phase de détente, au cours de laquelle a lieu la combustion, le canal de transfert permet d'alimenter le dessus du piston avec les gaz chauds de combustion issus de la préchambre. Ces gaz chauds ont une très grande vitesse au moment où ils parviennent dans la chambre principale au-dessus du piston. Le dessus du piston est généralement usiné pour présenter une cavité de faible épaisseur en forme de trèfle comportant deux lobes. Cette cavité reçoit les gaz chauds à très grande vitesse provenant de la préchambre par l'intermédiaire du canal de transfert et assure un mélange efficace de ces gaz chauds et de l'air comburant pénétrant dans le cylindre et se trouvant audessus du piston. La cavité en forme de trèfle assure la formation de deux écoulements contrarotatifs à partir du jet de gaz chauds à très grande vitesse provenant de la préchambre. Un des inconvénients de ce dispositif et du processus de circulation et de mélange des gaz correspondant réside dans les échanges thermiques intenses se produisant entre les gaz chauds et les parois de la chambre principale, lorsque le piston est au voisinage de son point mort haut, c'est-à-dire quand l'espace entre la culasse et le piston est très faible. Dans cette phase qui correspond au début de la détente, la vitesse d'éjection des gaz chauds dans la chambre principale est maximale et les fortes vitesses locales engendrées dans cette chambre conduisent à un refroidissement précoce des gaz, si bien que les réactions de recombustion des suies ne peuvent se produire, au moins dans certaines zones de la chambre délimitée à l'inté- rieur du cylindre par la paroi de la culasse et la partie supérieure du piston.En particulier, ces réactions de recombustion sont inhibées dans une large mesure au contact de la surface inférieure des soupapes d'admission qui constitue la zone la plus froide du fond de la culasse. En effet, pour chacun des cylindres, la ou les soupapes d'admission comportent une partie d'ex- trémité assurant la fermeture ou l'ouverture d'un conduit admission correspondant de la culasse qui est traversé par des gaz frais d'admission constitués par de l'air comburant, au moment de la détente. Ces gaz frais refroidissent la partie d'extrémité de la soupape, si bien qu'un flux thermique important est évacué par cette partie d'extrémité au contact de laquelle les gaz chauds se refroidissent jusqu'à une température à laquelle la recombustion des suies n'est plus assurée. Ce refroidissement des gaz de combustion entraîne une réduction du rendement du moteur et la formation de fumées dans les gaz d'échappement. De maniere classique, les soupapes d'un moteur et en particulier les soupapes d'admission comportent une tige ayant une extrémité élargie en forme de tulipe dont la surface terminale plane constitue la surface de fermeture de la paroi de la culasse Cette partie d'extrémité élargie est réalisée sous forme massive, si bien qu'elle présente une forte conductivité thermique et peut donc assurer l'évacuatiòn d'un flux de chaleur important. Le but de l'invention est donc de proposer une soupape d'admission pour un moteur à allumage par compression comportant une tige dont une partie d'extrémité élargie en forme de tulipe et délimitée par une surface terminale plane permet de fermer un conduit a'admission de la culasse du moteur, cette soupape permettant de réduire le refroidissement des gaz chauds au contact de la surface de la culasse délimitant la chambre d'un cylindre. Dans ce but, la partie élargie de la soupape suivant l-invention est constituée sous la forme d'un corps creux fermé par une plaque plane rapportée sur le corps creux dont la surface externe constitue la surface terminale plane de la soupape, le volume interne creux renfermant un gaz à une pression sensiblement inférieure à la pression atmosphérique. Afin de bien faire comprendre l-invention, on va maintenant décrire à titre exemple non limitatif, un moteur à allumage par compression comportant des soupapes d'admission suivant l'art antérieur et une soupape suivant l-invention pouvant être substituée aux soupapes d'admission du moteur suivant I'art antérieur. La figure 1 est une vue en coupe par un plan vertical d'un moteur Diesel de type classique comportant une préchambre de turbulence. La figure 2 est une vue schématique en coupe par un plan vertical suivant 2-2 de la figure 3, de la partie supérieure d'un cylindre et de la préchambre de turbulence d'un moteur Diesel de type classique. La figure 3 est une vue de dessus schématique du piston et des soupapes du cylindre du moteur représenté sur la figure 2. La figure 4 est une vue schématique en coupe par un plan vertical suivant 4-4 de la figure 5, de la partie supérieure d'un cylindre et de la préchambre de turbulence d'un moteur Diesel de type classique comportant deux soupapes d'admission par cylindre. La figure 5 est une vue de dessus schématique du piston et des soupapes du cylindre du moteur représenté sur la figure 4. La figure 6 et une vue en élévation avec coupe partielle d'une soupape d'admission suivant l'art antérieur. La figure 7 est une vue en élévation et en coupe partielle d'une soupape suivant l'invention. Sur les figures 1, 2 et 4, on voit une partie du bloc-cylindre 1 et de la culasse 2 d'un moteur à allumage par compression. Le bloc-cylindre 1 comporte des cylindres tels que 3 dans chacun desquels se déplace un piston 4. La culasse 2 est usinée au-dessus de chacun des pistons 3 de façon à délimiter une préchambre de turbulence 5 comportant un injecteur de carburant 6 et une bougie de préchauffage 7. La préchambre 5 de forme sensiblement sphérique est délimitée à sa partie supérieure par une paroi hémisphérique usinée à l-intérieur de la culasse 2. La partie inférieure de la préchambre 5 est usinée à l'in- térieur d'une pièce 9 rapportée et fixée à l'intérieur d'un logement de forme correspondante usiné dans la culasse 2. Un canal de transfert 10, de direction sensiblement tangentielle par rapport à la paroi de la préchambre 5, est usiné à l-intérieur de la pièce 9 et met en communication la partie supérieure du cylindre 3 audessus du piston 4 avec la partie inférieure de la préchambre 5. Sur les figures 3 et 5, on a représenté la surface supérieure du piston 4 dans laquelle est usinée une cavité 15 en forme de trèfle comportant deux lobes reliés à un canal rectiligne d'entrée 16 situé dans le prolongement du canal de transfert 10, lorsque le piston 4 est dans sa position haute, comme représenté sur la figure 1. La culasse 2 est usinée au niveau de chacun des cylindres 3 pour constituer un ou plusieurs conduits d'admission tels que 13 débouchant dans le cylindre 3 et dont I'ouverture et la fermeture sont assurés par une soupape d'admission telle que 14. Le moteur représenté sur les figures 2 et 3 ne diffère du moteur représenté sur les figures 4 et 5 que par le fait qu'il comporte un seul conduit d'admission 13 fermé par une seule soupape d'admission 14 au niveau du cylindre 3, alors que le moteur représenté sur les figures 4 et 5 comporte, au niveau de chacun de ses cylindres tels que le cylindre 3, deux conduits d'admission tels que le conduit 13 fermés par deux soupapes d'admission 14 et 14'. Sur les figures 3 et 5, on a représenté deux écoulements contrarotatifs 18a et 18b circulant à l'in- térieur de la chambre du cylindre 3, au-dessus du piston 4, au moment de la détente, ces écoulements contrarotatifs 18a et 18b étant produits à partir du jet de gaz chauds provenant de la préchambre 5 et résultant de la combustion du gazole injecté au sein de l'air comprimé dans la préchambre. Comme il est visible sur la figure 3, I'un des deux écoulements contrarotatifs, 18b, vient en contact avec la surface inférieure 22 de la soupape d'admission 14 assurant la fermeture du conduit 13 et constituant en position de fermeture une partie de la surface de la culasse 2 délimitant la chambre du cylindre 3. Comme il est visible sur la figure 5, les deux écoulements contrarotatifs 18a et 18b viennent en contact chacun avec la partie d'extrémité d'une des deux soupapes 14 et 14 - Dans le cas d'un moteur à une seule soupape d'admission par cylindre tel que représenté sur la figure 3, l'extrémité de la soupape d'échappement 19 vient en contact avec le second écoulement contrarotatif 18a. Dans le cas d'un moteur à deux soupapes d'admission par cylindre, la soupape d'échappement 19 reste en dehors de la zone balayée par les écoulements contrarotatifs 1a et 18b. Comme il est visible sur la figure 6, une soupape d'admission 14 suivant l'art antérieur comporte une tige 20 ayant une partie d'extrémité élargie en forme de tulipe 21 comportant une surface terminale d'extrémité plane 22 et une portée d'étanchéité 23 destinée à venir en contact avec un siège de soupape disposé à l'intérieur de la culasse 2, au niveau de l'extrémité du canal d'admission 13 débouchant dans la chambre du cylindre 3. Comme il est visible sur les figures 2 et 4. lorsque la soupape 14 est en position de fermeture du conduit d'admission 13, la partie terminale plane 22 de la soupape constitue une partie de la surface de la culasse 2 fermant la chambre du cylindre 3 à sa partie supérieure. A chaque cycle d'admission d'air comburant dans la chambre du cylindre 3, la tulipe 21 de la soupape 14 est balayée par de l'air frais et se trouve refroidie. La partie élargie 21 et la surface terminale plane 22 de la soupape sont donc à une température qui peut être sensiblement inférieure à la température de la paroi interne de la culasse 2 délimitant la chambre du cylindre 3. Pendant la phase de détente et tout particulièrement au début de cette phase, les gaz chauds provenant de la pré chambre de turbulence 5 pénétrant dans la chambre du cylindre 3 circulent à très grande vitesse sous la forme de deux écoulements contrarotatifs 18a et 18b qui viennent en contact avec la surface terminale plane 22 de la soupape d'admission (figure 3) ou avec les deux surfaces terminales 22 et 22' des deux soupapes d'admission 14 et 14 dans le cas d'un moteur à deux soupapes d'admission (figure 5). La partie terminale élargie 21 de la soupape limitée par la surface plane 22 de fermeture du conduit d'admission de la culasse est réalisée sous la forme d'une pièce massive en acier réfractaire ayant une bonne conductibilité thermique. Lorsque les gaz chauds pénétrant dans la chambre du cylindre 3 au-dessus du piston 4 viennent en contact avec la surface 22 de la soupape fermant le canal 13, il en résulte un flux thermique de refroidissement très important au niveau de la partie 21 de la soupape 14, dans la mesure où cette partie 21 est à une température sensiblement inférieure aux gaz chauds et à la paroi de la culasse. Ce flux thermique de refroidissement a été schématisé par les flèches 25 sur la figure 6. Dans le cas d'un cylindre comportant deux soupapes d'admission 14 et 14", comme représenté sur la figure 5, le flux thermique et la chaleur prélevée sur les gaz chauds dans la chambre du cylindre 3 sont sensiblement doublés par rapport au cas d'un cylindre à une seule soupape d'admission Les gaz de combustion qui circulent à grande vitesse et qui viennent au contact d'une paroi comportant des zones relativement froides sont alors susceptibles de se refroidir jusqu'à une température telle que les réactions de recombustion des suies en suspension dans les gaz ne se produisent plus ou se produisent de manière incomplète. Les émissions de fumées à l'échappement du moteur peuvent devenir importantes, en particulier lorsqu'on utilise le moteur à allumage par compression à faible charge avec une dilution importante des gaz chauds, c'est-à-dire avec un excès d'air élevé. Il en est ainsi en particulier lorsqu'on utilise un véhicule automobile comportant un moteur à allumage par compression en zone urbaine. Sur la figure 7, on a représenté une soupape 24 suivant l'invention comportant une partie d'extrémité 26 élargie en forme de tulipe réalisée sous la forme d'un corps creux comportant une cavité 27 dont la profondeur est maximale suivant la direction axiale 28 de la soupape. La cavité 27 du corps évidé 26 est fermée par une plaque plane circulaire 30 qui est engagée dans un embrèvement circulaire 31 usiné dans le corps 26 et soudée à sa périphérie sur le corps 26, suivant une zone annulaire continue 33. La surface extérieure plane 32 de la plaque 30 constitue la surface terminale de la soupape 24 analogue à la surface terminale 22 ou 22' des soupapes telles que la soupape 14 suivant lart antérieur. La fermeture par soudage suivant le cordon de soudure 33 de la cavité 27 peut être réalisée par tout moyen de soudage approprié pouvant être appliqué à des aciers réfractaires tels que les aciers utilisés pour la fabrication de soupapes monobloc suivant I'art antérieur Il est essentiel, pour la mise en oeuvre de l'invention, que la cavité 27 renferme un gaz sous une pression sensiblement inférieure à la pression atmosphérique, cette cavité 27 pouvant être mise sous vide ou sous un vide partiel après soudage de la plaque 30, par exemple en prévoyant un ajutage de raccordement à une installation de mise sous vide traversant la paroi de la cavité 27 au niveau du corps creux 26 ou de la plaque 30. Après mise sous vide de la cavité 27, on réalise le scellement étanche de l'ajutage, par exemple par soudage et donc la fermeture complète de la cavité 27. Il serait également possible d'envisager de réaliser la fermeture de la cavité 27 et le soudage de la plaque 30 dans une installation mise sous vide. Il résulte de la présence d'une très faible pression de gaz résiduels dans la cavité 27, une capacité très réduite de la partie terminale élargie de la soupape à transmettre un flux thermique, lorsque sa surface extérieure 32 est mise en contact avec des gaz chauds dans la chambre du cylindre d'un moteur à alluma ge par compression, de la même manière que les surfaces extérieures 22 et 22' des soupapes massives suivant l'invention qui ont été décrites ci-dessus. La surface 32 de la plaque 30 constituant la partie terminale de la soupape reste donc à une température élevée, pendant la phase de détente, iorsqu'on utilise une soupape telle que la soupape 24 suivant lJinvention dans un moteur à allumage par compression, par exemple tel que représenté sur les figures 2 et 3.La surface terminale 32 de la soupape 24 n'est plus susceptible de se refroidir rapidement grâce à la circulation de gaz frais dans le conduit d'admission correspondant, dans la mesure où la partie inférieure de la soupape présente une conductivité réduite par la présence de la cavité sous vide 27. Il ne se produit donc plus de refroidissement local des gaz de combustion dans la chambre du cylindre si bien qu'on évite le blocage des réactions de recombustion des suies et donc la formation de fumées à l'échappement du moteur. Cet effet et ces avantages sont particulièrement sensibles lorsque le moteur est utilisé sur un véhicule circulant en zone urbaine. Il est bien évident que l'invention ne se limite pas au mode de réalisation qui a été décrit. C est ainsi que le corps creux élargi constituant la partie inférieure de la soupape 24 peut avoir une forme différente de celle qui a été décrite, aussi bien en ce qui concerne sa surface externe que sa surface interne délimitant la cavité. La plaque plane circulaire de fermeture de la cavité du corps creux peut être rapportée sur ce corps creux par tout moyen réalisant une fermeture étanche de la cavité. En particulier, on pourra utiliser tout moyen de soudage avec ou sans métal d'apport assurant la for mat ion d'un cordon ou d'une zone de soudure de très faible largeur. La soupape suivant l'invention peut être réalisée en tout acier ou alliage réfractaire compatible avec ses conditions d'utilisation et en particulier en tout acier réfractaire habituellement utilisé pour la fabrication des soupapes. L'invention s'applique de manière générale à tout moteur à allumage par compression comportant une ou plusieurs soupapes d'admission par cylindre. REVENDICATIONS 1.- Soupape d'admission pour un moteur à allumage par compression comportant une tige (28) dont une partie d'extrémité élargie (26) en forme de tulipe et délimitée par une surface terminale plane (32) permet de fermer un conduit d'admission (13) de la culasse du moteur, caractérisée par le fait que la partie élargie (26) est constituée par un corps creux fermé par une plaque plane (30) rapportée sur le corps creux (26) dont la surface externe (32) constitue la surface terminale plane de la soupape (24), le volume interne creux (27) renfermant un gaz à une pression sensiblement inférieure à la pression atmosphérique. 2.- Soupape d'admission suivant la revendication 1, caractérisée par le fait que la plaque plane (30) de forme circulaire est engagée dans un embrèvement circulaire (31) du corps creux (26) et fixée par soudage de sa partie périphérique sur le corps creux (26), suivant une zone circulaire (33) 3.- Soupape suivant I'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisée par le fait que la tige (28), la partie élargie (26) et la plaque plane de fermeture (30) sont réalisées en acier réfractaire. 4.- Moteur à allumage par compression comportant au moins un cylindre (3) et une préchambre de turbulence (5) communiquant avec le cylindre (3) par l'in- termédiaire d'un canal de transfert (10) ainsi qu'au moins une soupape (14, 24) d'ouverture et de fermeture d'un canal d'admission (13) débouchant dans le cylindre (3), caractérisé par le fait que la soupape (24) est une soupape suivant I'une quelconque des revendications 1 à 3. 5.- Moteur suivant la revendication 4, caractérisé par le fait qu'il comporte, pour chaque cylindre 3, deux soupapes d'admission (24) suivant I"une quelconque des revendications 1 à 3. 6.- Moteur suivant l'une quelconque des revendications 4 et 5, caractérisé par le fait qu'il comporte un piston (4) monté mobile dans le cylindre (3) dont la surface supérieure présente une cavité (15) en forme de trèfle à deux lobes, située dans le prolongement du canal de transfert (10) dans la position haute du piston (4).