Brevet FR2950932A1 — publié le 20110408

MOTEUR A COMBUSTION ET PROCEDE DE FABRICATION D'UN TEL MOTEUR La présente invention concerne, de façon générale, 5 le domaine des moteurs à combustion. Plus particulièrement, l'invention concerne un moteur à combustion comportant un bloc cylindre, et une culasse, le bloc cylindre comportant au moins un cylindre adapté à recevoir un piston en coulissement dans ledit 10 cylindre, et la culasse comportant au moins une zone d'obturation d'une partie du dit cylindre, cette zone d'obturation étant en vis-à-vis d'une extrémité ouverte du dit au moins un cylindre, ladite au moins une zone d'obturation comportant des premier et second passages de 15 soupapes. L'invention concerne également un procédé de fabrication d'un moteur à combustion comportant un bloc cylindre, et une culasse, le bloc cylindre comportant au moins un cylindre adaptée à recevoir un piston en 20 coulissement dans ledit cylindre, et la culasse comportant au moins une zone d'obturation d'une partie du dit cylindre, cette zone d'obturation étant en vis-à-vis d'une extrémité ouverte du dit au moins un cylindre, ladite au moins une zone d'obturation comportant des premier et 25 second passages de soupapes. La présente invention a pour but de proposer un moteur à combustion et un procédé de fabrication d'un tel moteur permettant de réduire la perte de charge de fluide admis et/ou évacués du cylindre via un passage de soupape 30 afin de minimiser les pertes d'énergie et ainsi améliorer le rendement du moteur. A cette fin, le moteur de l'invention, par ailleurs conforme à la définition générique qu'en donne le préambule défini précédemment, est essentiellement caractérisé en ce que ladite zone d'obturation de ladite au moins une culasse comprend une première portion de la zone d'obturation s'étendant entre lesdits premier et second passages de soupapes, la première portion de zone ayant une rugosité absolue inférieure à la rugosité absolue d'une seconde portion de la zone d'obturation attenante à la première portion de la zone d'obturation. Pour la compréhension de l'invention, la rugosité absolue est la hauteur/profondeur moyenne « R » des aspérités de la paroi intérieure d'une enceinte ou d'une canalisation. La mesure de rugosité est effectuée préférentiellement selon la norme ISO 4287. Une portion des veines du fluide transitant via les passages de soupapes vient en en contact contre la zone d'obturation de la culasse et principalement entre les premier et second passages de soupapes. En réduisant localement la rugosité de la zone d'obturation entre les premier et second passages de soupapes (en l'occurrence dans la première portion de zone), on limite la perte de charge liée aux frottements contre la zone d'obturation sans avoir à réduire cette rigidité sur toute la zone d'obturation ce qui serait couteux à réaliser. Il est donc avantageux au moins financièrement de conserver une seconde portion de zone d'obturation de rugosité supérieure à la rugosité de la première zone. L'invention permet donc d'améliorer le rendement du moteur en particulier dans les phases de fonctionnement où les soupapes sont positionnées pour laisser passer une veine de fluide réduite via l'un au moins des passages de soupapes. Lorsque qu'une soupape est faiblement écartée de son siège, pour permettre le passage d'une veine fluide réduite, la veine fluide a alors tendance à venir en contact contre la zone d'obturation, l'utilisation d'une faible rugosité entre les passages de soupapes est donc utile à la réduction de perte de charge des veines fluides transitant par les chacune des soupapes. Typiquement la seconde portion de la zone d'obturation est obtenue par moulage et à donc une rugosité Ra importante qui est supérieure a 30 micromètres, alors que la première portion de la zone d'obturation possède une rugosité Ra au moins 5 fois inférieure à la rugosité de la seconde portion de la zone d'obturation. Préférentiellement la rugosité de la première portion de la zone d'obturation est inférieure à Ra 6 micromètres. On peut faire en sorte que le moteur de l'invention comporte un premier insert tubulaire disposé à l'intérieur du dit premier passage et un second insert tubulaire disposé à l'intérieur du dit second passage, chacun desdits premier et second passages comportant un chanfrein périphérique propre, chaque chanfrein périphérique entourant au moins partiellement l'un des inserts et ladite première portion de zone d'obturation étant attenante auxdits chanfreins. Chacun des inserts est utilisé comme siège de soupape et a pour cela des caractéristiques adaptées à cette fonction (matériau particulier). Les chanfreins sont utilisés pour faciliter l'insertion des inserts dans la culasse et le fait que la première zone d'obturation de cylindre s'étende entre les chanfreins permet : - d'une part d'atténuer les pertes de charges provoquées par les chanfreins ; et - d'autre part de créer un canal de faible rugosité reliant les passages de soupapes réduisant ainsi les pertes de charges lors de l'admission et de l'échappement. 5 10 On peut faire en sorte que la première portion de la zone d'obturation qui s'étend entre lesdits premier et second passages de soupapes a une forme de portion d'ellipsoïde. Cette forme est choisie car : - elle permet un guidage de fluide sans angles vifs qui engendreraient une perte de charge ; - elle est réalisable simplement et de façon économique à l'aide d'une fraise boule ou hémisphérique. On peut également faire en sorte que le moteur de l'invention comporte une soupape d'admission disposée à l'intérieur du premier passage et une soupape d'échappement disposée à l'intérieur du second passage, ces soupapes ayant chacune une tige propre allongée, ces 15 tiges étant inclinées l'une par rapport à l'autre. L'invention est particulièrement adaptée à ce type de moteur à soupapes inclinées (soupapes positionnées en V) puisque dans ce type de moteur l'écoulement de fluide entre les passages de soupape et le cylindre a tendance à 20 venir en contact contre la zone de culasse située entre les premier et second passages. La limitation de perte de charge obtenue grâce à la faible rugosité de la première zone inter soupapes favorise donc l'admission et l'échappement de fluide. 25 On peut également faire en sorte pour la mise en oeuvre du moteur selon l'invention que la zone d'obturation comporte des troisième et quatrième passages de soupapes, ladite zone d'obturation de ladite au moins une culasse comprenant en outre une troisième portion de la zone 30 d'obturation s'étendant entre lesdits troisième et quatrième passages de soupapes, cette troisième portion de zone ayant une rugosité absolue inférieure à la rugosité absolue de la seconde portion de la zone d'obturation, cette seconde portion de zone étant attenante aux première et troisième portions de la zone d'obturation. Ce mode de réalisation permet de réduire la perte de charge du moteur comportant quatre passages de soupapes par cylindre en réalisant deux portions de zones distinctes ayant une faible rugosité. La première de ces portions est entre les premier et second passages de soupapes et la seconde de ces portions est entre les troisième et quatrième passages de soupapes. Ainsi avec deux portions de zones de rugosités limitées entre les soupapes on réduit la perte de charge de la veine de fluide transitant par les passages de soupapes et on améliore ainsi le rendement du moteur. Pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention, on peut également faire en sorte que l'usinage de la première portion de la zone d'obturation soit réalisé par fraisage. L'opération de fraisage permet d'obtenir rapidement une surface usinée de rugosité inférieure que la portion de zone d'obturation moulée et non fraisée. Pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention, on peut également faire en sorte que le fraisage soit effectué avec une fraise boule ou hémisphérique. L'avantage de la fraise boule ou hémisphérique est qu'elle peut être utilisée pour former un profil usiné de faible rugosité et en forme de portion d'ellipsoïde. Pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention, on peut également faire en sorte que le fraisage soit réalisé par translation de fraise selon un axe rectiligne d'avancement de fraise relativement à ladite culasse. Ainsi la fraise peut être utilisée à la manière d'un forêt selon un seul axe de déplacement simplifiant ainsi l'opération d'usinage. Pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention, on peut également faire en sorte que la zone d'obturation comporte des troisième et quatrième passages de soupapes, et que l'on usine une troisième portion de la zone d'obturation s'étendant entre lesdits troisième et quatrième passages de soupapes de manière que cette troisième portion de zone possède une rugosité absolue inférieure à la rugosité absolue de la seconde portion de la zone d'obturation, et de manière que cette troisième portion de zone soit attenante à cette seconde portion de zone d'obturation. Ce mode de réalisation permet d'avoir un moteur doté d'au moins quatre passages de soupapes, ces passages étant séparés deux à deux par une portion de culasse de faible rugosité, ce qui en améliore le rendement. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront clairement de la description qui en est faite ci-après, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux dessins annexes, dans lesquels: la figure 1 représente une portion de moteur selon l'invention et en particulier une vue externe en perspective d'une partie haute d'un cylindre et d'une zone d'obturation du cylindre formée dans une culasse, cette zone d'obturation comportant des première et troisième portions de la zone d'obturation ayant une rugosité réduite et une seconde portion de zone avec une rugosité importante relativement à la rugosité des première et troisième zones ; la figure 2a représente un détail du moteur de l'invention et en particulier une vue en coupe d'une partie de zone d'obturation de cylindre où l'on voit la première portion de zone d'obturation de rugosité réduite qui est située entre deux passages de soupapes ; la figure 2b représente le détail de la figure 2a lors d'une étape de fraisage permettant de former la première zone d'obturation de rugosité réduite par déplacement d'une fraise boule ou hémisphérique selon son axe de rotation ; la figure 3 représente deux courbes de perméabilité P de moteurs en fonction d'une position de levée de soupape L en mm, la courbe A est issue de mesure de perméabilité d'un moteur ne comportant pas de première ou troisième portion de zone d'obturation à faible rugosité et la courbe B est issue de mesures de perméabilité d'un moteur selon l'invention doté des première et troisième zones de faible rugosité, ce moteur ayant une perméabilité supérieure pour de faibles levées de soupape. Comme annoncé précédemment, l'invention concerne 20 un moteur à combustion interne 1 comportant une chambre de combustion. Cette chambre est formée en partie dans un bloc cylindre 2 doté d'au moins un cylindre 2a. Le cylindre 2a est obturé d'un côté par un piston monté coulissant dans 25 le cylindre 2a (non visible sur les figures car ces figures ne représentent que la partie haute du bloc cylindre 2) et obturé d'un autre côté par une partie de culasse 3. Cette partie de culasse 3 est appelée zone d'obturation 5 d'une partie au moins du cylindre 2a. 30 L'extérieur de cette zone 5 est visible sur la figure 1 et plusieurs passages circulaires sont formés dans cette zone 5 pour permettre le passage de soupapes. Ainsi la zone d'obturation 5 possède des premier 7a, deuxième 8a, troisième 7b et quatrième 8b passages de 15 20 25 soupapes 14a chacun adapté à recevoir une soupape propre 14a ou 14b mobile en translation dans son passage de soupape (pour des raisons de clarté seules les soupapes 14a et 14b sont représentées sur la figure 1, mais il doit être compris que des soupapes sont également positionnées dans les passages 8a et 8b). Chaque soupape 14a, 14b est donc mobile en translation dans le passage associé et se déplace entre une position ouverte maximale dans laquelle l'extrémité évasée de la soupape est éloignée de la zone d'obturation 5 et une position fermée dans laquelle la soupape est rapprochée de la zone d'obturation 5 et obture le passage correspondant (la soupape est alors en contact sur son siège). L'éloignement de la soupape par rapport au siège de soupape porté par la zone d'obturation est nommé levée L, cette valeur étant exprimée en millimètres. Comme on le voit sur la figure 1, la zone d'obturation 5 comprend : - une première portion 9a de la zone d'obturation s'étendant entre lesdits premier et second passages de soupapes 7a, 8a (également visibles sur les figures 2a, 2b qui sont dans un plan de coupe longitudinale du cylindre passant par les axes des soupapes 14a, 14b) ; - une seconde portion 10a de la zone d'obturation 5 attenante à la première portion 9a de la zone d'obturation 5 ; et - une troisième portion 9b de la zone d'obturation 5 s'étendant entre lesdits troisième et quatrième passages 30 de soupapes 7b, 8b (visible uniquement sur la figure 1) et attenante à la seconde portion mais distante de la première portion. Les première et troisième portions ont chacune une forme propre arrondie creusée dans la zone d'obturation 5, chaque forme propre étant une portion d'ellipsoïde formée par fraisage comme cela apparaît sur la figure 2b. Ce fraisage est réalisé à l'aide d'une fraise boule ou hémisphérique déplacée selon son axe de rotation A-A jusqu'à réaliser des usinages entre les passages de soupape d'admission 14a et d'échappement 14b. Ainsi les première et troisième portions 9a, 9b de zone 5 ont des rugosités absolues respectives inférieures à la rugosité absolue de la seconde portion 10a de la zone d'obturation 5, cette seconde portion 10a étant formée par moulage et ayant donc une rugosité supérieure (R>30). Chaque usinage réalisé à l'aide de la fraise est réalisé pour venir en tangence avec un chanfrein formé autour des passages de soupapes, du côté de la zone d'obturation 5 en vis-à-vis du cylindre. Cet usinage particulier permet donc une diminution des pertes de fluides dans les zones inter passages de soupapes, sans avoir à usiner l'ensemble de la zone 5, ce qui serait particulièrement coûteux. Préférentiellement des zones de ces chanfreins sont usinées par le fraisage ce qui réduit localement ces chanfreins et diminue la perte de charge formée par ces chanfreins. Ces chanfreins sont utilisés pour insérer dans les passages de soupapes la culasse des inserts annulaires servant de sièges de soupapes. La perméabilité du moteur de l'invention est améliorée par rapport à un moteur ne comportant pas de telles zones usinées de faible rugosité. Ce point est visible sur la figure 3 où l'on voit que la courbe de perméabilité à l'air B du moteur de l'invention est au dessus de celle A d'un moteur ne comportant pas les première et troisièmes portions de faible rugosité. La perméabilité est une unité proportionnelle au débit d'air transitant par les passages de soupapes lorsque ceux-ci sont soumis à une dépression de valeur de pression fixée et pour une levée de soupape donnée. Ainsi pour une valeur de dépression fixe entre les passages de soupape et pour une valeur de levée donnée, plus la perméabilité est importante et plus le débit traversant le cylindre et important. Dans le cas présent plusieurs mesures de perméabilité sont réalisées pour des levées de soupapes variables indiquées en mm, ce qui constitue les courbes A et B de la figure 3. On constate que l'avantage de l'invention est essentiellement visible pour les faibles levées de soupapes inférieures à 5 mm. La chambre de combustion du moteur de l'invention a donc une perméabilité accrue ce qui améliore le rendement énergétique global du moteur par diminution des pertes de charge. Revendications1. Moteur à combustion (1) comportant un bloc cylindre (2), et une culasse (3), le bloc cylindre (2) comportant au moins un cylindre (2a) adapté à recevoir un piston (4) en coulissement dans ledit cylindre, et la culasse (3) comportant au moins une zone d'obturation (5) d'une partie du dit cylindre (2a), cette zone d'obturation (5) étant en vis-à-vis d'une extrémité ouverte (6) du dit au moins un cylindre (2a), ladite au moins une zone d'obturation (5) comportant des premier et second passages de soupapes (7a, 8a), caractérisé en ce que ladite zone d'obturation (5) appartenant à ladite au moins une culasse (3) comprend une première portion (9a) de la zone d'obturation s'étendant entre lesdits premier et second passages de soupapes (7a, 8a), la première portion de zone (9a) ayant une rugosité absolue inférieure à la rugosité absolue d'une seconde portion (10a) de la zone d'obturation (5) attenante à la première portion (9a) de la zone d'obturation (5). 2. Moteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moteur comporte un premier insert tubulaire (11) disposé à l'intérieur du dit premier passage (7a) et un second insert tubulaire (12) disposé à l'intérieur du dit second passage (8a), chacun desdits premier et second passages (7a, 8a) comportant un chanfrein périphérique propre (13a, 13b), chaque chanfrein périphérique entourant au moins partiellement l'un des inserts (11, 12) et en ce que ladite première portion (9a) de zone d'obturation (5) est attenante auxdits chanfreins (13a, 13b). 3. Moteur selon l'une au moins des revendications précédentes, caractérisé en ce que la première portion de la zone d'obturation (9a) s'étendant entre lesdits premier et second passages de soupapes (7a, 8a) a une forme de portion d'ellipsoïde. 4. Moteur selon l'une au moins des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte une soupape d'admission (14a) disposée à l'intérieur du premier passage (7a) et une soupape d'échappement (14b) disposée à l'intérieur du second passage (8a), ces soupapes (14a, 14b) ayant chacune une tige (15) propre allongée, ces tiges (15) étant inclinées l'une par rapport à l'autre. 5. Moteur selon l'une au moins des revendications précédentes, caractérisé en ce que la zone d'obturation comporte des troisième et quatrième passages de soupapes (7b, 8b), ladite zone d'obturation (5) de ladite au moins une culasse (3) comprend en outre une troisième portion (9b) de la zone d'obturation (5) s'étendant entre lesdits troisième et quatrième passages de soupapes (7b, 8b), cette troisième portion (9b) de zone ayant une rugosité absolue inférieure à la rugosité absolue de la seconde portion (10a) de la zone d'obturation (5), cette seconde portion (10a) de zone étant attenante aux première et troisième portions (9a, 9b) de la zone d'obturation. 6. Procédé de fabrication d'un moteur à combustion comportant un bloc cylindre (2), et une culasse (3), le bloc cylindre (2) comportant au moins un cylindre (2a) adaptée à recevoir un piston en coulissement dans ledit cylindre, et la culasse (3) comportant au moins une zone d'obturation (5) d'une partie du dit cylindre, cette zone d'obturation (5) étant en vis-à-vis d'une extrémité ouverte du dit au moins un cylindre (2a), ladite au moins une zone d'obturation (5) comportant des premier et second passages de soupapes (7a, 8a), caractérisé en ce que : - on réalise ladite culasse (3) par moulage ; puis - on usine une première portion (9a) de la zone d'obturation (5) s'étendant entre lesdits premier et 15 20 second passages de soupapes (7a, 8a) de manière à ce que cette première portion (9a) ait une rugosité absolue inférieure à la rugosité absolue d'une seconde portion (10a) de la zone d'obturation attenante à la première portion (9a) de la zone d'obturation (5), cette seconde portion (10a) étant préférentiellement obtenue lors du moulage de la culasse (3). 7. Procédé de fabrication d'un moteur selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'usinage de la 10 première portion (9a) de la zone d'obturation est réalisé par fraisage. 8. Procédé de fabrication d'un moteur selon la revendication 7, caractérisé en ce que le fraisage est effectué avec une fraise boule ou hémisphérique (16). 9. Procédé de fabrication d'un moteur selon l'une au moins des revendications 7 ou 8, caractérisé en ce que le fraisage est réalisé par translation d'une fraise (16) selon un axe rectiligne (A-A) d'avancement de fraise relativement à ladite culasse (3). 10. Procédé de fabrication d'un moteur selon l'une au moins des revendications 6 à 9, caractérisé en ce que la zone d'obturation (5) comporte des troisième et quatrième passages de soupapes (7b, 8b), et en ce que l'on usine une troisième portion (9b) de la zone d'obturation 25 s'étendant entre lesdits troisième et quatrième passages de soupapes (7b, 8b) de manière que cette troisième portion (9b) de zone (5) possède une rugosité absolue inférieure à la rugosité absolue de la seconde portion (10a) de la zone d'obturation, et de manière que cette 30 troisième portion (9b) de zone (5) soit attenante à cette seconde portion (10a) de zone d'obturation.