FR2718192A1 - Cylinder head for IC engine for improved fuel-air mixing - Google Patents
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Abstract
Description
CULA88E POUR MOTEUR A CONBU8TION INTERNE A
ALLUMAGE COMMANDE
La présente invention concerne une culasse pour moteur à combustion interne à allumage commandé, et plus particulièrement une construction de chambre de combustion pour un moteur à allumage commandé favorisant la turbulence du mélange carburé.CULA88E FOR INTERNAL CONBU8TION ENGINE
IGNITION CONTROL
The present invention relates to a cylinder head for an internal combustion engine with positive ignition, and more particularly to a combustion chamber construction for a positive ignition engine promoting the turbulence of the fuel mixture.
Les normes concernant la pollution et la consommation des moteurs à combustion interne équipant les véhicules automobiles et en particulier des moteurs à essence ou à allumage commandé, se sévérisent chaque jour davantage dans l'ensemble des pays industrialisés. L'industrie automobile est donc aujourd'hui occupée à trouver des solutions techniques pour répondre à ces obligations et ce, sans trop pénaliser ni les performances des moteurs ni leur prix de revient. The standards concerning pollution and consumption of internal combustion engines fitted to motor vehicles and in particular petrol or spark-ignition engines, are becoming more stringent every day in all industrialized countries. The automotive industry is therefore now busy finding technical solutions to meet these obligations, without penalizing either the performance of the engines or their cost price.
Une technique connue pour favoriser la combustion aux faibles charges des moteurs à allumage commandé, consiste à générer une forte turbulence du mélange air-combustible dans les chambres de combustion. La turbulence du mélange gazeux à l'instant de l'allumage améliore en effet la stabilité de la combustion, du fait de la réduction du délai d'initiation et d'une augmentation de la vitesse de combustion. A known technique for promoting combustion at low loads of spark-ignition engines, consists in generating a strong turbulence of the air-fuel mixture in the combustion chambers. The turbulence of the gas mixture at the time of ignition improves the stability of combustion, due to the reduction of the initiation time and an increase in the combustion speed.
Classiquement le procédé adopté pour générer une turbulence favorable à la stabilité de la combustion consiste à donner un mouvement de rotation d'ensemble au mélange combustible admis dans la chambre de combustion. Conventionally, the method adopted for generating turbulence favorable to the stability of combustion consists in giving an overall rotational movement to the combustible mixture admitted into the combustion chamber.
De tels mouvements de rotation d'ensemble, encore appelés rotation solide, sont principalement de deux types : le "Swirl" ou le "Tumble" : le
Swirl correspond à un mouvement organisé colinéaire à l'axe de la chambre de combustion tandis que le
Tumble correspond à un mouvement organisé d'axe perpendiculaire à l'axe de la chambre de combustion.Such overall rotation movements, also called solid rotation, are mainly of two types: the "Swirl" or the "Tumble": the
Swirl corresponds to an organized movement collinear to the axis of the combustion chamber while the
Tumble corresponds to an organized movement with an axis perpendicular to the axis of the combustion chamber.
De nombreux systèmes ont été développés pour générer de tels mouvements d'ensemble, on peut citer les pipes d'admission hélicoïdales, les soupapes à déflecteur, les systèmes de jets d'air. Many systems have been developed to generate such overall movements, such as helical intake pipes, deflector valves, air jet systems.
Parmi les différentes solutions existantes, l'utilisation d'un masque entourant partiellement l'orifice d'aspiration débouchant dans la chambre de combustion offre un bon compromis entre l'efficacité dans la mise en rotation des gaz admis dans la chambre et la facilité de mise en oeuvre, puisqu'il est possible de réaliser un tel masque soit, directement brut de fonderie soit, lors de l'usinage des logements des sièges de soupapes.Among the various existing solutions, the use of a mask partially surrounding the suction orifice opening into the combustion chamber offers a good compromise between the efficiency in the rotation of the gases admitted into the chamber and the ease of implementation, since it is possible to produce such a mask either directly from the foundry or during the machining of the seats of the valve seats.
Ainsi le document FR-A-2.349.033 divulgue une culasse pour moteur à combustion interne comprenant une surface intérieure définissant une chambre de combustion qui comporte des orifices d'admission et d'échappement respectivement obturables par des soupapes d'admission et d'échappement. Une paroi de guidage entoure partiellement l'orifice d'admission et s'étend parallèlement à la ligne de déplacement de la soupape d'admission jusqu'à une hauteur sensiblement supérieure à la levée maximale de la soupape d'admission. Le mélange introduit dans la chambre de combustion est allumé par une bougie qui est disposée dans une partie évidée hémisphérique définie par la paroi intérieure de la culasse et disposée entre le l'orifice d'admission et l'orifice d'échappement dans le sens de circulation des gaz. Thus the document FR-A-2,349,033 discloses a cylinder head for an internal combustion engine comprising an interior surface defining a combustion chamber which has intake and exhaust ports respectively closable by intake and exhaust valves . A guide wall partially surrounds the intake port and extends parallel to the line of movement of the intake valve to a height substantially greater than the maximum lift of the intake valve. The mixture introduced into the combustion chamber is ignited by a candle which is arranged in a hemispherical recessed part defined by the interior wall of the cylinder head and disposed between the intake port and the exhaust port in the direction of gas circulation.
La mise en oeuvre d'une telle chambre de combustion est toutefois délicate notamment en ce qui concerne les problèmes de cliquetis engendrés par le volume relativement faible de la partie évidée au fond de laquelle est logée la bougie d'allumage. The implementation of such a combustion chamber is however delicate in particular as regards the knocking problems generated by the relatively small volume of the hollowed out part at the bottom of which is housed the spark plug.
Le but de la présente invention est de proposer une culasse de moteur à combustion interne définissant une chambre de combustion du type à masque particulièrement simple à réaliser et favorisant la préparation du mélange carburé par une forte turbulence des gaz aspirés et la propagation de la flamme lors de la combustion. The object of the present invention is to propose an internal combustion engine cylinder head defining a combustion chamber of the mask type which is particularly simple to produce and which favors the preparation of the fuel mixture by a high turbulence of the gases sucked in and the propagation of the flame during of combustion.
La culasse pour moteur à combustion interne à allumage commandé selon l'invention, comprend une surface intérieure définissant une chambre de combustion destinée à venir recouvrir un alésage cylindrique d'un bloc moteur correspondant, dans laquelle sont ménagés une ouverture pour le passage de la bougie d'allumage et des orifices d'admission et d'échappement disposés sensiblement diamétralement opposés, ces orifices étant commandés par l'intermédiaire de soupapes respectives d'admission et d'échappement. The cylinder head for an internal combustion engine with spark ignition according to the invention comprises an inner surface defining a combustion chamber intended to cover a cylindrical bore of a corresponding engine block, in which are formed an opening for the passage of the spark plug. ignition and intake and exhaust ports arranged substantially diametrically opposite, these ports being controlled by means of respective intake and exhaust valves.
Selon l'invention, la culasse est caractérisée en ce qu'une paroi de guidage entoure partiellement l'orifice d'admission pour provoquer la rotation du mélange carburé pénétrant dans la chambre de combustion à travers l'orifice d'admission et en ce que la paroi de guidage est prolongée en direction de l'orifice d'échappement, dans le sens opposé à la rotation des gaz, par une surface convexe tournée vers l'alésage cylindrique à la base de laquelle est disposée l'ouverture pour la bougie. According to the invention, the cylinder head is characterized in that a guide wall partially surrounds the intake orifice to cause the rotation of the fuel mixture entering the combustion chamber through the intake orifice and in that the guide wall is extended in the direction of the exhaust orifice, in the direction opposite to the rotation of the gases, by a convex surface facing the cylindrical bore at the base of which is the opening for the spark plug.
On comprendra mieux les buts, aspects et avantages de la présente invention, d'après la description donnée ci-après d'un mode de réalisation de l'invention, présenté à titre d'exemple non limitatif, en se référant au dessin annexé, dans lequel
la figure 1 est une vue partielle en plan de dessous d'une culasse pour moteur à combustion interne selon l'invention.The aims, aspects and advantages of the present invention will be better understood from the description given below of an embodiment of the invention, presented by way of nonlimiting example, with reference to the appended drawing, in which
Figure 1 is a partial plan view from below of a cylinder head for an internal combustion engine according to the invention.
Conformément à la figure 1, seules les parties caractéristiques de la culasse nécessaire à la compréhension de l'invention ont été figurées. In accordance with FIG. 1, only the characteristic parts of the cylinder head necessary for understanding the invention have been shown.
La surface intérieure 1 de la culasse définit une chambre de combustion 8 sensiblement concave par exemple du type en dôme, destinée à venir recouvrir un alésage cylindrique du bloc moteur dans lequel un piston est animé d'un mouvement alternatif. The inner surface 1 of the cylinder head defines a substantially concave combustion chamber 8, for example of the dome type, intended to cover a cylindrical bore of the engine block in which a piston is driven in an alternating movement.
A travers la paroi de la chambre de combustion s'étend un orifice d'admission 2 et un orifice d'échappement 3 disposés sensiblement diamétralement opposés suivant la disposition classique des conduits respectifs d'amenée du mélange carburé et d'évacuation des gaz brûlés ménagés dans la culasse, dite "à flux transversal" ou "crossflow". Ces orifices 2 et 3 sont commandés par l'intermédiaire de soupapes respectives d'admission et d'échappement actionnées de manière connue par l'intermédiaire d'un ou plusieurs arbre à cames. Through the wall of the combustion chamber extends an intake orifice 2 and an exhaust orifice 3 arranged substantially diametrically opposite according to the conventional arrangement of the respective conduits for supplying the fuel mixture and for evacuating the burnt gases provided in the cylinder head, called "transverse flow" or "crossflow". These orifices 2 and 3 are controlled by means of respective intake and exhaust valves actuated in a known manner by means of one or more camshafts.
Une paroi de guidage 5 ou masque encercle partiellement l'orifice d'admission pour servir de prolongement à ce dernier. Ce masque a pour effet de provoquer la rotation du mélange carburé pénétrant dans la chambre de combustion à travers l'orifice d'admission 2 (dans le sens contraire des aiguilles d'une montre, cf figure 1). Cette rotation est donc sensiblement hélicoïdale de type
Swirl, c'est-à-dire colinéaire à l'axe de la chambre de combustion.A guide wall 5 or mask partially encircles the intake orifice to serve as an extension thereof. This mask has the effect of causing the rotation of the fuel mixture entering the combustion chamber through the intake orifice 2 (counterclockwise, see Figure 1). This rotation is therefore substantially helical of the type
Swirl, i.e. collinear with the axis of the combustion chamber.
La hauteur de la paroi de guidage 5 de la soupape qui croit dans le sens contraire des aiguilles d'une montre, est limitée par le plan de joint de culasse sur le bloc moteur, de façon à ne pas venir au contact de la surface supérieure du piston lorsque ce dernier est au P.M.H. (point mort haut). La forme de la chambre de combustion 8 et l'implantation de l'orifice d'admission 2 sont étudiées pour que la hauteur maximale de la paroi de guidage soit sensiblement supérieure à la levée de la soupape d'admission correspondante. The height of the guide wall 5 of the valve which grows anti-clockwise, is limited by the plane of the cylinder head gasket on the engine block, so as not to come into contact with the upper surface of the piston when the latter is at TDC (top dead center). The shape of the combustion chamber 8 and the location of the intake orifice 2 are studied so that the maximum height of the guide wall is substantially greater than the lifting of the corresponding intake valve.
La paroi de guidage 5 est préférentiellement disposée le plus près possible de l'orifice d'admission 2 pour favoriser la mise en rotation des gaz. Ainsi, on a pu montrer qu'une distance comprise entre 0,2 mm et 0,6 mm entre la surface de paroi 5 et la périphérie extérieure de la soupape d'admission, obtenue après usinage du siège de la soupape, offre un bon compromis entre l'importance du tourbillonnement provoqué et la facilité de mise en oeuvre. The guide wall 5 is preferably arranged as close as possible to the intake orifice 2 to promote the rotation of the gases. Thus, it has been shown that a distance between 0.2 mm and 0.6 mm between the wall surface 5 and the outer periphery of the intake valve, obtained after machining the seat of the valve, provides good compromise between the importance of the swirl caused and the ease of implementation.
La paroi de guidage 5 qui s'étend parallèlement au déplacement de la soupape d'admission est prolongée en direction de l'orifice d'échappement 3, dans le sens des aiguilles d'une montre, par une surface convexe 6 dont la convexité est tournée vers l'alésage cylindrique. A la base de cette surface convexe 6 est disposée l'ouverture pour la bougie 4 de façon à faire sensiblement face à l'orifice d'échappement 3 et en aval de ce dernier dans le sens de l'écoulement du tourbillon à l'intérieur de la chambre de combustion. The guide wall 5 which extends parallel to the movement of the intake valve is extended in the direction of the exhaust orifice 3, in the clockwise direction, by a convex surface 6 whose convexity is facing the cylindrical bore. At the base of this convex surface 6 is arranged the opening for the spark plug 4 so as to substantially face the exhaust orifice 3 and downstream of the latter in the direction of flow of the vortex inside of the combustion chamber.
Une zone de chasse 7 est agencée diamétralement opposée à la bougie d'allumage, cette zone de chasse est formée par une surface 7 plane s'étendant dans le plan de joint de la culasse 1 et destinée à jouxter la surface supérieure du piston lorsque ce dernier est au
P.M.H. Cette zone de chasse a pour fonction de provoquer en fin de cycle le reflux des gaz vers le centre de la chambre de combustion et donc vers la bougie d'allumage. La surface 7 doit être suffisamment importante pour obtenir une forte turbulence. I1 apparait qu'une surface formant entre 20 et 30 % de la section maximale de la chambre de combustion (correspondant sensiblement à la section du cylindre correspondant), forme le meilleur compromis entre l'importance de la turbulence et le maintien d'un volume résiduel suffisant à la chambre de combustion 8.A hunting zone 7 is arranged diametrically opposite the spark plug, this hunting zone is formed by a flat surface 7 extending in the joint plane of the cylinder head 1 and intended to adjoin the upper surface of the piston when this last one is at
TDC This hunting zone has the function of causing the end of the cycle to reflux the gases towards the center of the combustion chamber and therefore towards the spark plug. The surface 7 must be large enough to obtain strong turbulence. I1 appears that a surface forming between 20 and 30% of the maximum section of the combustion chamber (corresponding substantially to the section of the corresponding cylinder), forms the best compromise between the importance of the turbulence and the maintenance of a volume sufficient residual in the combustion chamber 8.
En fonctionnement, le mélange d'air et de carburant pénétrant dans la chambre de combustion 8 est canalisé par la paroi de guidage 5. Le mélange carburé s'écoule alors préférentiellement dans la zone diamétralement opposée à cette paroi pour engendrer à l'intérieur de la chambre de combustion un mouvement tourbillonnaire (dans le sens contraire des aiguilles d'une montre conformément à la flèche représentée sur la figure 1). Ce mouvement de rotation ordonné généré pendant la phase d'admission va se poursuivre lors de la phase de compression. In operation, the mixture of air and fuel entering the combustion chamber 8 is channeled through the guide wall 5. The fuel mixture then preferably flows into the zone diametrically opposite this wall to generate inside the combustion chamber a vortex movement (anticlockwise in accordance with the arrow shown in Figure 1). This ordered rotational movement generated during the intake phase will continue during the compression phase.
Cet écoulement gazeux, de type Swirl, est forcé lors de la remontée du piston à l'encontre de la paroi convexe 6 disposée en aval de la bougie. This gas flow, of Swirl type, is forced during the ascent of the piston against the convex wall 6 disposed downstream of the spark plug.
I1 en résulte une importante dissipation de l'énergie potentielle de la charge gazeuse en énergie cinétique turbulente peu avant le P.M.H. This results in a significant dissipation of the potential energy of the gaseous charge into turbulent kinetic energy shortly before the P.M.H.
Cette forte turbulence qui se trouve être obtenue sensiblement au droit de la bougie entraine alors un début de combustion tres rapide ce qui améliore de manière très sensible la stabilité de la combustion.This strong turbulence which is found to be obtained substantially at the level of the spark plug then causes a very rapid start of combustion, which very significantly improves the stability of combustion.
De plus, comme au-delà du noyau de haute turbulence formé au droit de la bougie, le reste de la chambre reste plus calme, la propagation de la combustion se trouve alors être ralentie, ce qui a pour effet d'améliorer les émissions d'oxydes d'azote en faisant baisser la température et d'hydrocarbures imbrûlés. In addition, as beyond the core of high turbulence formed at the level of the candle, the rest of the chamber remains quieter, the propagation of combustion is then slowed down, which has the effect of improving the emissions of 'nitrogen oxides by lowering the temperature and unburnt hydrocarbons.
Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée au mode de réalisation décrit et illustré qui n'a été donné qu'à titre d'exemple non limitatif. Of course, the invention is in no way limited to the embodiment described and illustrated, which has been given only by way of nonlimiting example.
Au contraire, l'invention comprend tous les équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons si celles-ci sont effectuées suivant son esprit. On the contrary, the invention includes all the technical equivalents of the means described and their combinations if these are carried out according to the spirit.
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| FR9403864A FR2718192B1 (en) | 1994-04-01 | 1994-04-01 | Cylinder head for internal combustion engine with positive ignition. |
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| FR2718192A1 true FR2718192A1 (en) | 1995-10-06 |
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1994
- 1994-04-01 FR FR9403864A patent/FR2718192B1/en not_active Expired - Fee Related
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| FR2718192B1 (en) | 1996-04-26 |
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