Brevet FR2666847A1 — publié le 19920320

L'invention concerne un moteur à allumage par compression à soupape d'admission perfectionnée. On connait 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 l'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 présente généralement 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 au-dessus 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'intérieur 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'extrémité assurant la fermeture ou l'ouverture d'un conduit d'admission correspondant de la culasse qui est traversé par des gaz frais d'admission constitués par de l'air comburant, au moment du remplissage du cylindre. 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 manière 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'ex trémité élargie est réalisée sous forme massive, si bien qu'elle présente une forte conductivité thermique et peut donc assurer l'évacuation d'un flux de chaleur important. Dans la demande de brevet 89-14066 déposée le 26 octobre 1989 par les Sociétés AUTOMOBILES PEUGEOT et AUTOMOBILES CITROEN, on a décrit et revendiqué une soupape d'admission ayant une partie d'extrémité élargie 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 corps creux renfermant un gaz à une pression sensiblement inférieure à la pression atmosphérique. On a également décrit et revendiqué dans cette demande de brevet, un moteur à allumage par compression comportant au moins un cylindre et une préchambre de turbulence communiquant avec le cylindre par l'intermédiaire d'un canal de transfert, le cylindre comportant au moins une soupape d'admission réalisée sous la forme d'un corps creux renfermant un gaz à une pression réduite. Cette forme de réalisation d'une soupape d'admission permet de limiter les transferts thermiques par l'intermédiaire de la soupape et donc le refroidissement de sa surface d'extrémité plane constituant, dans la position de fermeture de la soupape, une partie de la surface intérieure de la chambre du cylindre. On limite ainsi le blocage des réactions de recombustion des suies et la formation de fumées à l'échappement du moteur, ce qui est particulièrement avantageux lorsque le moteur est utilisé sur un véhicule circulant en zone urbaine. Cependant, la réalisation de soupapes creuses dont le volume interne contient un gaz à pression réduite présente certaines difficultés et nécessite la mise en oeuvre de procédures de fabrication complexes. Le but de l'invention est donc de proposer un moteur à allumage par compression comportant au moins un cylindre et une préchambre de turbulence communiquant avec le cylindre ainsi qu'au moins une soupape d'ouverture et de fermeture d'au moins un canal d'admission débouchant dans le cylindre, comportant une partie d'extrémité élargie délimitée par une surface terminale plane permettant de fermer le conduit d'admission, ce moteur permettant d'éviter dans une large mesure le blocage des réactions de recombustion des suies et la formation de fumées à l'échappement, en évitant de refroidir localement les gaz de combustion dans la chambre du cylindre. Dans ce but, la partie d'extrémité élargie de la soupape est réalisée au moins partiellement en un matériau isolant thermique. Afin de bien faire comprendre l'invention, on va maintenant décrire, à titre d'exemple non limitatif, un moteur à allumage par compression suivant l'art antérieur et un moteur à allumage par compression suivant l'invention. 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 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 est une vue en élévation avec coupe partielle d'une soupape d'admission d'un moteur suivant l'art antérieur. La figure 7 est une vue en élévation et en coupe partielle d'une soupape d'admission d'un moteur 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'intérieur 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 l'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, l'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 contrarotatif s 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 18a 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 préchambre 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 d'admission 24 d'un moteur suivant l'invention, une soupape telle que la soupape 24 représentée sur la figure 7 pouvant être substituée à une soupape d'admission suivant l'art antérieur, dans un moteur à allumage par compression tel que représenté sur les figures 1 à 5. La soupape d'admission 24 selon l'invention comporte une tige 26 et une partie d'extrémité 27 élargie en forme de tulipe délimitée à sa partie inférieure par une surface plane 28 et comportant une portée d'étanchéité 29 destinée à venir en contact avec un siège de soupape disposé à l'intérieur de la culasse du moteur, au niveau de l'extrémité du canal d'admission débouchant dans la chambre du cylindre. Selon l'invention, la partie élargie 27 en forme de tulipe de la soupape d'admission 24 est usinée suivant sa surface plane d'extrémité 28 et sur une certaine épaisseur pour constituer un embrèvement dans lequel est ensuite déposée une couche 30 d'un matériau isolant thermique tel qu'une céramique. La surface extérieure du dépôt 30 est plane et constitue la plus grande partie de la surface plane d'extrémité de la soupape venant en contact avec les gaz de combustion chauds, à l'intérieur du cylindre, dans la position de fermeture de la soupape d'admission 24. Toutefois, un talon annulaire 31 est ménagé dans le métal de la soupape, à la périphérie de l'embrèvement dans lequel on réalise le dépôt 30, de manière à assurer la rigidité et la tenue mécanique de la soupape. La tige 26 de la soupape, la surface supérieure 27a de la tulipe 27 et la portée d'étanchéité 29 ne sont pas recouvertes de matière céramique dont le dépôt se limite à la surface plane d'extrémité 28. On évite ainsi d'altérer le remplissage du moteur en air, la bonne étanchéité de la soupape et le guidage de la tige de soupape à l'intérieur de la culasse. Le dépôt 30 de matière céramique en forme de disque comporte un chanfrein 30a destiné à faciliter le dépôt par projection de la matière céramique, ce dépôt pouvant être réalisé par un plasma, et à assurer un accrochage efficace de la couche déposée. L'embrèvement réalisé par usinage de la soupape préalablement au dépôt comporte donc un chanfrein périphérique évasé en direction de l'extrémité de la soupape. L'épaisseur du dépôt 30 est relativement faible et généralement inférieure à 1,5 mm, de façon à éviter un décollement de la couche déposée dû aux différences de coefficient de dilatation thermique entre l'acier et la matière céramique. On va maintenant décrire, à titre d'exemple, la réalisation d'un dépôt sur la surface d'extrémité d'une soupape utilisée comme soupape d'admission dans un moteur à allumage par compression suivant l'invention comportant une préchambre de turbulence. Dans un premier temps, la partie d'extrémité de la soupape est usinée pour réaliser un embrèvement de forme circulaire délimité par un talon annulaire périphérique chanfreiné intérieurement. La profondeur de l'embrèvement et l'épaisseur de la matière céramique déposée par plasma est de 1,1 mm, l'épaisseur finale de la couche de matière céramique 30 de la soupape étant de 1 mm, après rectification de la soupape. Pour réaliser le dépôt de matière céramique, on utilise une installation de revêtement par plasma et la matière céramique déposée est constituée par de la zircone yttriée, la proportion de zircone ZrO2 dans la couche céramique étant de 93 % pour une proportion de 7 % d'oxyde d'yttrium Y203. La couche de zircone yttriée est déposée sur une sous-couche en alliage NiAl d'une épaisseur de 0,10 mm réalisée sur les parois de l'embrèvement préalablement au dépôt de la matière céramique. L'examen micrographique du dépôt montre qu'il présente une structure saine sur toute sa surface, sans fissuration ni décollement. Le dépôt présente une porosité de l'ordre de 8 à 10 %. Le dépôt d'une couche en matière céramique sur une partie substantielle ou éventuellement sur la totalité de la surface d'extrémité de la soupape permet d'obtenir une isolation thermique efficace de cette surface. Lorsqu'une ou plusieurs soupapes telles que la soupape 24 sont utilisées comme soupapes d'admission d'un cylindre d'un moteur à allumage par compression à préchambre de turbulence tel que représenté sur les figures 1 à 5, les températures de surfaces de la ou des soupapes d'admission à couche de matière céramique sont fortement accrues, pendant le fonctionnement du moteur, si on les compare aux températures obtenues dans le cas de soupapes non isolées telles que représentées sur la figure 6. On obtient ainsi, dans le cas des moteurs suivant l'invention, une diminution sensible des émissions de suies et d'hydrocarbures imbrûlés à ltéchappe- ment du moteur. En outre, l'isolation thermique obtenue grâce à la ou aux soupapes d'admission n'est mise en oeuvre que dans la chambre principale du cylindre, si bien qu'on ne modifie pas les conditions de combustion dans la préchambre. Du fait que la température maximale de combustion n'est pas accrue, les émissions d'oxydes d'azote restent les mêmes que dans le cas des moteurs suivant l'art antérieur. Il est connu d'utiliser, dans les moteurs à allumage par compression, des soupapes d'échappement revêtues de matière céramique et, dans ce cas, le revêtement permet uniquement de protéger la soupape contre les gaz d'échappement à haute température, les soupapes d'échappement revêtues ne permettant pas d'éviter le refroidissement local de la paroi de la chambre du cylindre. De préférence, dans le cas d'un moteur suivant l'invention, les parois de la préchambre et la ou les soupapes d'échappement ne sont pas revêtues de matière céramique. On obtient ainsi des performances satisfaisantes du moteur, tout en limitant les difficultés liées à la conception et à la réalisation de ce moteur. L'invention ne se limite pas au mode de réalisation qui a été décrit. C'est ainsi qu'on peut utiliser un matériau isolant thermique différent d'une céramique pour revêtir la surface d'extrémité de la ou des soupapes d'admission des cylindres du moteur. Ce matériau sera choisi parmi les matières isolantes présentant une résistance suffisante au gaz chauds présents dans le cylindre d'un moteur à allumage par compression, pendant son fonctionnement. La matière isolante peut être déposée sur la totalité de la surface d'extrémité de la soupape aussi bien qu a l'intérieur d'un embrèvement occupant une partie substantielle de cette surface et permettant de maintenir un talon annulaire métallique autour de la couche isolante déposée. Le matériau isolant thermique peut également constituer une partie de la tulipe de la soupape d'admission qui ne vient pas en contact avec les gaz chauds du moteur. On peut ainsi limiter la conductivité thermique de la soupape d'admission en utilisant des isolants qui ne présentent pas des propriétés exceptionnelles de tenue à la corrosion et de résistance aux températures élevées. 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.- Moteur à allumage par compression comportant au moins un cylindre (3) et une préchambre de turbulence (5) communiquant avec le cylindre par l'intermédiaire d'un canal de transfert (10) ainsi qu'au moins une soupape (14, 14', 24) d'ouverture et de fermeture d'au moins un canal d'admission (13) débouchant dans le cylindre (3), comportant une partie d'extrémité élargie (27) délimitée par une surface terminale plane (28) permettant de fermer le conduit d'admission (13), caractérisé par le fait que la partie d'extrémité élargie (27) de la soupape (24) est réalisée au moins partiellement en un matériau isolant thermique. 2.- Moteur suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que la soupape d'admission (24) comporte une couche (30) en une matière céramique dont la surface externe constitue une partie substantielle de la surface terminale plane (28) de la soupape (24). 3.- Moteur suivant la revendication 2, caractérisé par le fait que la couche (30) en matière céramique a une épaisseur inférieure à 1,5 mm. 4.- Moteur suivant l'une quelconque des revendications 2 et 3, caractérisé par le fait que la couche (30) en matière céramique est déposée à l'intérieur d'un embrèvement usiné dans la partie élargie (27) de la soupape d'admission (24) et entouré par un talon annulaire (31) en un matériau métallique, ménagé dans la partie élargie (27) de la soupape, pendant l'usinage de l'embrèvement et à la périphérie de cet embrèvement. 5.- Moteur suivant la revendication 4, caractérisé par le fait que la couche de matière céramique (30) comporte un chanfrein périphérique (30a) en contact avec une partie chanfreinée délimitant l'embrèvement à sa partie périphérique. 6.- Moteur suivant l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisé par le fait que la matière céramique est constituée principalement par de l'oxyde de zirconium ou zircone. 7.- Moteur suivant la revendication 6, caractérisé par le fait que la matière céramique est déposée sur une sous-couche constituée par un alliage métallique de nickel et d'aluminium. 8.- Moteur suivant l'une quelconque des revendications 2 à 7, caractérisé par le fait que la couche de matière céramique est déposée par un procédé de revêtement au plasma. 9.- Moteur à allumage par compression comportant au moins un cylindre (3) et une préchambre de turbulence (5) communiquant avec le cylindre (3) par l'intermédiaire d'un canal de transfert (10), au moins une soupape (14, 14', 24) d'ouverture et de fermeture d'au moins un canal d'admission (13) débouchant dans le cylindre (3) comportant une partie d'extrémité élargie (27) délimitée par une surface terminale plane (28) permettant de fermer le conduit d'admission (13) et au moins une soupape d'ouverture et de fermeture d'au moins un canal d'échappement débouchant dans le cylindre (3), caractérisé par le fait que la surface terminale plane (28) de la soupape d'admission (24) est revêtue d'une couche de matière céramique (30), la préchambre de turbulence (5) et la soupape d'échappement ne comportant aucun revêtement de matière céramique.