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BREVET D'INVENTION " CHAMBRE DE COMBUSTION DE MOTEURS A COMBUSTION
INTERNE"
La présente invention est relative. de façon géné- rale aux moteurs à combustion interne et a trait, plus parti- culièrement à des perfectionnements aux chambres de combus- tion de ces moteurs.
C'est un fait bien établi que le rendement et le fonctionnement des moteurs à combustion interne dépendent dans une grande mesure de l'allure de la combustion et aussi que la façon dont sont faites les chambres de combus- tion commande, dans une grande mesure, l'allure de la com- bustion. Il en résulte nécessairement, par suite, que la chambre de combustion est un point critique dans l'obtention du rendement maximum du moteur et la présente invention a principalement pour but de remplacer le procédé empirique très peu satisfaisant d'établissement des chambres de com- bustion pratiqué jusqu'ici, par une détermination réelle préalable des facteurs essentiels d'établissement de la chambre d'après certaines caractéristiques du moteur, que l'on sait avoir un effet sensible sur la combustion.
En
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d'autres termes, la présente invention est relative à une chambre de combustion dans laquelle les facteurs d'établis- sement de cette chambre, réglant la combustion, sont déter- minés par rapport aux caractéristiques du moteur affectant la combustion de sorte que l'on peut être maître au mieux de la combustion.
Conformément à la présente invention, les facteurs importants d'établissement, agissant sur la combustion dans la chambre, sont mathématiquement déterminés d'après les caractéristiques du moteur connues comme agissant sur la combustion de façon à obtenir l'action exercée par ces ca- ractéristiques. La façon dont ceci est réalisé ressortira de la description qui va suivre, faite en se référant au dessin annexé dans lequel
La fig.l est une vue partielle en plan d'un corps de cylindre avec la culasse enlevée.
La fig. 2 est une coupe transversale, faite sen- siblement suivant l'axe de l'alésage du cylindre, montrant la culasse en place sur le corps.
La fig.3 est une vue en plan par dessous d'une chambre de combustion, conforme à l'invention et montrant la façon dont sont disposés les uns par rapport aux autres l'a- lésage du cylindre et les soupapes d'admission et d'échap- pement.
La fig.4 est un schéma dont la description sera faite plus loin.
La fig. 5 est également un schéma représentant deux courbes d'augmentation de la pression, en combinaison avec la chambre de combustion et le vilbrequin d'un moteur.
Sur la fig.2, on a représenté un moteur à combustion
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interne comportant un corps 10 et une culasse 11 fixée sur le sommet du corps à la façon habituelle, avec une garniture 12 interposée entre les deux. Dans le corps 10, se trouve l'alésage 13 du cylindre dans lequel est monté un piston 14 à mouvement alternatif, des ouvertures de soupapes d'admis- sion et d'échappement 15 et 16, respectivement, se trouvant au voisinage de l'alésage du cylindre. Le piston va et vient dans les cylindres sous l'action d'une bielle 19, visible sur la fig. 4, dont l'extrémité supérieure est fixée au piston et l'extrémité inférieure au vilbrequin 20 qui a un rayon suffisant pour donner la course déterminée, représen- tée sur cette figure par S.
Comme d'habitude, les ouvertures de soupapes d'admission et d'échappement sont commandées par des soupapes à champignon 17 et 18 respectivement dont la tête est disposée obliquement par rapport à la face su- périeure du corps et vient en prise sur des sièges de sou- papes inclinés de façon correspondante entourant les ouvertu- res. La culasse 11 ferme le cylindre pratiqué dans le corps et comporte une chambre de combustion 21 sur sa face infé- rieure, assurant la communication entre les ouvertures de soupapes et le cylindre.
Au début de la description on a indiqué que cer- taines caractéristiques du moteur ont un effet direct sur la combustion du mélange combustible dans la chambre de combustion 21 et que la façon dont celle-ci est établie dépend de ces caractéristiques de façon à donner le réglage de la combustion influencé par ces caractéristiques. Etant donné que le temps de combustion est représenté par la lon- gueur effective L de la chambre de combustion 21, cette lon-
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gueur est en rapport défini avec la course S du moteur et
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peut être déterminée par la formule s = L dans le5 à le5s laquelle S est la course, L est la longueur de la chambre de combustion ou la distance entre les points d'allumage de la bougie et l'extrémité de la chambre et les valeurs (1,5 à 1,55) représentent une constante déterminée.
En donnant à la longueur effective de la chambre une grandeur proportion- née à la course du moteur, la propagation de la flamme se fait en concordance avec le mouvement du piston et ceci est évidemment à souhaiter puisque on aide ainsi matériellement à obtenir le maximum d'efficacité de la combustion.
D'après ce qui précède, il résulte nécessairement que l'endroit où est placée la bougie dans la chambre est important pour la déterminationdu temps de la combustion et, quoique l'empla- cement exact de la bougie puisse varier conformément au ré- sultat désiré, on a constaté toutefois, selon la présente invention, que l'on obtient un fonctionnement particulièrement satisfaisant en plaçant les points d'allumage de la bougie sensiblement à 70% de la distance comprise entre les centres des soupapes à partir de la soupape d'admission et sensible- ment sur une ligne passant par les centres des soupapes.
Le réglage du taux de la combustion, en concordance avec la course du piston, n'est pas suffisant en lui-même pour obtenir l'effet maximum de la combustion, étant donné que les caractéristiques de remplissage et l'augmentation de pression par degrés de rotation de la manivelle sont inséparablement liés avec le moment de la combustion dans le cycle de tra- vail. On obtient dans la chambre 21, les caractéristiques idéales de remplissage et l'augmentation de pression idéale par degré de rotation de la manivelle en déterminant les
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dimensions des parties critiques de la chambre d'après le déplacement volumétrique qui a lieu dans le cylindre.
A titre d'explication de ce qui précède, on peut indiquer que la vitesse d'écoulement du mélange combustible dans la cham- bre est déterminée dans une grande mesure par la surface de l'orifice de la soupape d'admission et, pour obtenir le pas- sage d'une quantité suffisante de mélange combustible par l'orifice d'admission, de façon à remplir convenablement le cylindre, la surface de cette ouverture est proportionnée au déplacement. Toutefois, simplement en proportionnant exacte- ment la surface de l'ouverture d'admission par rapport au déplacement, on n'a pas nécessairement un remplissage com- plet du cylindre puisque certaines caractéristiques de la chambre ont leur influence sur l'écoulement du mélange com- bustible depuis l'orifice d'admission jusqu'au cylindre.
Par e- xemple, la surface étranglée A de la chambre commande, dans une certaine mesure, l'écoulement du mélange combustible de l'orifice d'admission au cylindre et, en conséquence, cette surface est proportionnée à la surface de l'orifice d'admission ou au déplacement volumétrique du cylindre de façon à coopérer, en permettant le débit voulu, pour remplir complètement le cylindre. Dans le cas actuel, la surface é- tranglée de la chambre est déterminée entre des limites pratiques, par la formule : A2 = D3/17,5 à 18,5, A est la surface étranglée de la chambre, D3 est la cylin- drée et les quantités 17,5 à 18,5 représentent une constante /à l'aplomb déterminée.
La surface/du bord de l'alésage, désignée par B, affecte également l'écoulement du mélange combustible et peut être déterminé par une formule analogue : B2 = D3/19 à 20 ou 0 désigne la surface dans la chambre à l'aplomb du bord de
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/D3 la l'alésages/cylindrée et les quantités (19 à 20) représentent la constante déterminée. En proportionnant ces différentes surfaces très critiques de la chambre par rapport à la cy- lindrée, on obtient un réglage efficace de la vitesse du mé- lange combustible, et, par suite, on aide de façon sensible à obtenir les caractéristiques de remplissage maximum.
La surface K de la partie 22 de la chambre qui se trouve au-dessus de l'ouverture 13 du cylindre est également un facteur important pour donner l'efficacité volumétrique maxima et elle peut être déterminée mathématiquement par la formule D3 K2 dans laquelle D3 est la cylindrée
12 à 13 K est la surface de la partie 22 de la chambre et les va- leurs 12 à 13 indiquent une constante déterminée. La sur- face de la partie restante de la chambre 21, désignée sur la fig. 3 par 23, est déterminée par le diamètre des soupapes et la relation entre les soupapes et l'alésage du cylindre.
Le volume total de la chambre est déterminé en fonction du rapport de compression particulier désiré et le volume de la /21 partie 22 de la chambre'/est de préférence compris entre 30 à 35% du volume total, étant donné que l'on a constaté que ce pourcentage de voiume par rapport a l'alesage au cylindre assure la commande maxima de l'augmentation de pression par degrés de rotation de la manivelle. Sur la fig.4, on a re- présenté la courbe approximative de l'augmentation de pres- sion par rapport à. la chambre de combustion 21. On voit sur cette figure la ligne a correspondant à l'allumage, b cor- respondant au point mort supérieur et la ligne c correspondant à la pression maxima.
Il ressort de cette figure que du fait de la division de volume mentionnée ci-dessus, la pression maxima est atteinte pour un angle plus grand au-delà de la position de point mort supérieur de la manivelle. Ceci est
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évidemment à souhaiter puisque le couple appliqué au vile- brequin augmente avec l'angle d'application de la pression maxima au-delà du point mort.
Il y a d'autres caractéristiques de chambre ayant quelqu'effet sur les caractéristiques de remplissage ou d'écoulement de la chambre de combustion et ces caractéris- tiques ont été soigneusement déterminées pour se combiner avec les précédentes en vue d'obtenir l'efficacité volumé- trique maxima. En détail, la paroi 25 de la chambre de com- bustion, au voisinage de l'orifice d'admission, est sensi- blement en ligne droite depuis l'orifice d'admission jusqu'au cylindre ou, en d'autres termes, aucune partie de cette paroi n'est en saillie sur le parcours normal du mélange combusti- ble de la soupape d'admission jusqu'au point d'arrivée dans le cylindre et, en conséquence, il n'y a pas de gêne dans l'écoulement du liquide qui arrive.
En outre, dans un moteur du genre représenté ici, comportant,des soupapes inclinées, l'angle J que fait le dessus de la soupape d'admission et la surface intérieure de la paroi supérieure 26 de la cham- bre est tel qu'il assure l'écoulement relativement libre du mélange combustible pénétrant dans la chambre, sur le coté de la soupape d'admission le plus éloigné du cylindre. On a constaté au moyen d'expériences réelles qu'un angle de 10 entre le dessus de la soupape d'admission et la surface voisi- ne du dessus de la chambre est suffisant pour donner des ré- sultats particulièrement satisfaisants. L'angle compris entre le dessus de la soupape d'échappement et la surface voisine de la chambre de combustion est de préférence le même en vue d'obtenir l'efficacité maxima pour le balayage.
Le jeu M autour de la soupape d'admission agit
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également sur l'écoulement du mélange combustible sur les côtés de la soupape les plus éloignés du cylindre. Ce jeu varie en fonction du diamètre de la soupape d'admission et, en pratique, on peut obtenir des résultats particulièrement @ satisfaisants au moyen d'un jeu qui est sensiblement un dizième (1/10) du diamètre de la soupape. Le jeu autour de la soupape d'échappement est de préférence légèrement moindre , que celui qui existe autour de la soupape d'admission sans nuire à l'efficacité. du balayage puisque, dans la construc- tion habituelle des moteurs, la lumière de la soupape d'é- chappement a un plus faible diamètre que la lumière de la soupape d'admission.
Pour mieux montrer encore la possibilité de la mise en pratique de ce qui précède dans l'établissement d'une chambre de combustion pour un moteur particulier, on suppose- ra que l'on veut faire une chambre de combustion ayant un rapport de compression de 6,3 à 1 pour un moteur ayant un diamètre intérieur de 76mm, une course de 100 mm et une cy- lindrée de 492 cm3. Connaissant les caractéristiques ci-des- sus du moteur, la longueur effective L de la chambre est dé-
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terminée par la formule a où S représente la le5 à 1955 course du moteur qui, dans l'exemple actuel est de 100 mm. En divisant la course 100 par l'une ou l'autre des constantes indiquées dans la formule, on détermine la longueur effective de la chambre.
Dans un moteur ayant une course approximative de 100 mm, la constante 1,5 est préférable et, en conséquence, la longueur effective L de la chambre de combustion est ap- proximativement de 66 mm.
La section d'étranglement de la chambre de combus- tion, qui convient le mieux pour le type de moteur ci-dessus,
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peut être déterminé en divisant la cylindrée, 492 cm3 par une valeur constante que l'on a indiquée ci-dessus comme comprise entre 17,5 et 18,5. En déterminant la section d'é- tranglement des chambres de combustion pour des moteurs ayant une course d'approximativement 100 mm, la constante 17,5 est préférable et lorsque l'on se sert de cette derniè- re valeur dans la formule, on a une section d'étranglement de 11 cm2. La surface de la chambre de combustion à l'aplomb du bord de l'alésage est déterminée en divisant la cylindrée 492 cm3 par une constante comprise entre les valeurs 19 à 20 incluses.
Etant donné la course relativement faible du moteur en question, la constante 19 est préférable et il en résulte comme section à l'aplomb du bord de l'alésage environ
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10,3 Cnà.
En tenant compte des valeurs limitatives ci-dessus, le plan général de la chambre est déterminé en fonction de la distance particulière comprise entre les centres des soupapes d'admission et d'échappement et la relation de ces soupapes avec l'alésage du cylindre. En déterminant le plan général de la chambre, il faut prendre soin, en parti- culier, de faire que la paroi au voisinage de la soupape d'admission soit sensiblement rectiligne de façon à ne pas créer d'obstacle à l'écoulement du combustible pendant son passage de la lumière d'admission au cylindre. En outre, il faut avoir soin de laisser le jeu nécessaire autour des sou- papes de la façon indiquée ci-dessus et de donner l'angle préféré de 10 entre les soupapes et la paroi supérieure de la chambre.
Le volume total de la chambre de combustion est d'environ 84,5 cm3 et il est déterminé de façon à donner-le rapport de compression 6,3 à 1 mentionné ci-dessus. La chambre
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de combustion a une forme telle que 30 à 35% de son volume se trouve au-dessus de l'alésage du cylindre, ce qui assure l'obtention d'une augmentation de pression efficace par de- . gré de rotation de la manivelle.
Bien que, en décrivant l'invention, on,ait insisté particulièrement sur l'emploi de certaines constantes en vue d'obtenir une chambre de combustion donnant le maximum de réglage de la combustion, il doit être bien entendu que ces constantes varient suivant différentes conditions . Les constantes données son basées sur l'emploi d'essence con- tenant environ 70% d'octane, opérant dans un moteur ayant un rapport de compression de 6,3 à 1. Par exemple, si l'on se sert d'un combustible contenant une proportion d'octane plus -élevée que 70, la longueur effective de la chambre de com- bustion doit être plus courte pour assurer la combustion maxima, étant donné que ce combustible brûle plus lentement que le combustible contenant 70% d'octane pour lequel les constantes spécifiques mentionnées ci-dessus ont été calcu- lées.
Ce qui précède sera peut être plus évident si l'on considère que, bien que le temps de la combustion varie en proportion directe des variations de vitesse de la manivelle, /en,,- il est constant par degré de rotation de la manivelle et,/con- séquence le taux de combustion du combustible est très cri- tique au point de vue de l'obtention de caractéristiques d'augmentation de pression désirée. A titre d'exemple de ce qui précède, on se reportera à la figure 5 dans laquelle on voit une courbe d'augmentation de pression 60 pour un moteur fonctionnant à grande vitesse, ayant un rapport de 6,3 à 1 et utilisant de l'essence à 70 doctane et une courbe d'au- mentation de pression 61 pour le même moteur fonctionnant à vitesse relativement lente.
Les lignes d et d' désignent les
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allumages correspondants et e et elles pressions maxima correspondantes. On remarquera d'après ce qui précède que la pression maxima est atteinte en e' pour la faible vitesse, pour un angle plus grand au-delà du point mort supérieur de la manivelle que dans,,le cas de la grande vitesse. Par suite, si l'on se sert d'un combustible à combustion plus lente ou, en d'autres termes, si l'on désire se¯servir d'un combusti- ble contenant une proportion plus élevée d'octane, le temps de combustion ou la longueur effective S de la chambre, doi- vent être réduits de façon correspondante en vue d'obtenir la même liaison entre les points de pression maxima et la position de point mort supérieur de la manivelle.
D'autre part, si le taux de combustion du combustible est augmenté en augmentant le taux de compression, par exemple, la lon- gueur effective L de la chambre de combustion doit être rallongée en vue d'obtenir la relation désirée mentionnée ci-dessus entre les points de pression maxima et le point mort supérieur de la manivelle.
Pour les raisons ci-dessus, la présente invention ne doit pas être considérée comme limitée par une constante particulière ou un jeu de constantes et il est possible d'ef- fectuer des changements dans la chambre de combustion tout en restant dans le cadre de l'invention.