EP2102478A1 - Culasse de moteur a combustion interne - Google Patents

Culasse de moteur a combustion interne

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EP2102478A1
EP2102478A1 EP07847792A EP07847792A EP2102478A1 EP 2102478 A1 EP2102478 A1 EP 2102478A1 EP 07847792 A EP07847792 A EP 07847792A EP 07847792 A EP07847792 A EP 07847792A EP 2102478 A1 EP2102478 A1 EP 2102478A1
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EP
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cylinder head
passage
oil
tube
head according
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EP07847792A
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EP2102478B1 (fr
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Jacques Delegue
Serge Ravary
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Renault SAS
Original Assignee
Renault SAS
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01M—LUBRICATING OF MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; LUBRICATING INTERNAL COMBUSTION ENGINES; CRANKCASE VENTILATING
    • F01M5/00—Heating, cooling, or controlling temperature of lubricant; Lubrication means facilitating engine starting
    • F01M5/002—Cooling
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01M—LUBRICATING OF MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; LUBRICATING INTERNAL COMBUSTION ENGINES; CRANKCASE VENTILATING
    • F01M11/00—Component parts, details or accessories, not provided for in, or of interest apart from, groups F01M1/00 - F01M9/00
    • F01M11/02—Arrangements of lubricant conduits
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F1/00—Cylinders; Cylinder heads 
    • F02F1/24—Cylinder heads

Definitions

  • the present invention relates to an internal combustion engine cylinder head comprising a lubricating oil circuit, this circuit comprising at least one passage for the gravity-lowering of the oil towards a cylinder block associated with the cylinder head in the engine, this passage comprising at least one inner wall portion disposed in heat transfer relationship with a hot spot the cylinder head.
  • the body of an internal combustion engine whether of the diesel type or the spark-ignition type, conventionally comprises a cylinder head mounted on a crankcase, these two parts being cooled and lubricated by means of circulations. water (or air) and oil, respectively.
  • the oil follows a circuit which passes into the cylinder head, in particular to lubricate bearings of camshafts for controlling the cylinder valves. This oil then returns by gravity into the crankcase via so-called “oil redes- ters” passages integrated into the cylinder head, in particular for reasons of compactness.
  • Diagram 1 is shown diagrammatically in FIG. 1 of the appended drawing, in vertical section.
  • This passage comprises an inlet chute 2, a tubular central portion 3 and an outlet chute 4. It is shaped so as to deviate as much as possible from hot spots such as that, referenced 5, created by a conduit 6 of Exhaust gas outlet, shown in cross section. Indeed overheating of the dripping oil, according to the arrow F, on an inclined inner wall portion 7 of such a passage adjacent to the duct 6, accelerates the degradation of its lubricating properties and therefore the interval between oil changes. 'oil.
  • a typical solution of this problem is to cool the hot spot by passing the cooling water circuit.
  • the present invention aims to provide an internal combustion engine cylinder head designed to allow a particularly compact embodiment of the engine, however preventing overheating of the lubricating oil passing in the abovementioned oil recesses.
  • the present invention also aims to achieve this result without going through an expensive revision of the geometry of the cylinder head.
  • an internal combustion engine cylinder head comprising a lubricating oil circuit, this circuit comprising at least one passage for the descent by gravity of the oil to a cylinder block associated with the cylinder head in the engine, this passage comprising at least one inner wall portion disposed in heat transfer relationship with a hot spot of the cylinder head, the latter being remarkable in that this passage is equipped with a screen means preventing any run-off oil descending on this wall portion.
  • this passage is equipped with a screen means preventing any run-off oil descending on this wall portion.
  • the screen means takes the form of a tube in which the oil goes back down, away from the inner wall portion adjacent to the hot spot,
  • the tube is attached and fixed in the passage, the tube is fixed in the passage by hooping
  • the tube is fixed by hooping in a complementary part of the passage machined for this purpose
  • the tube is fixed by screwing or by gluing
  • the wall portion of the passage in heat transfer relationship with the hot spot comprises at least a portion of an entrance trough of the passage, the shield means extending into this inlet trough to prevent oil run-off on this part of the entrance chute,
  • the screen means is made of a material with a low thermal conductivity
  • the invention also provides an internal combustion engine comprising a crankcase and a cylinder head according to the present invention.
  • FIG. 1 is a schematic representation, in vertical section, of a descent pass lubricating oil in an internal combustion engine cylinder head of conventional design, this figure being described in the preamble of the present patent application, and
  • FIGS. 2 and 3 are diagrammatic representations, similar to that of FIG. 1, of first and second embodiments, respectively, of an oil drop passage in a cylinder head according to the present invention.
  • FIGS. 2 and 3 reference numerals identical to references used in FIG. 1 identify identical or similar elements or members.
  • this request is satisfied, while protecting the lubricating oil from overheating degradation, by preventing run-off of oil in the passage 1, on the wall part 7 of this passage. heat transfer relationship with hot spot 5.
  • this screen means takes the form of a tube 8 of substantially vertical axis, reported and fixed in the central part 3 of the passage 1 and extending from this central part at the bottom of the outlet chute 4 of this passage.
  • the tube 8 has a cross section complementary to that of the central portion 3 of the passage 1 so as to fit exactly therein.
  • the tube collects the oil collected by the inlet chute 2, including that which flows on its walls, and channels it vertically in the outlet channel 4 by preventing this oil from running off the walls of the tank.
  • this chute including the wall portion 7 superheated by the high temperature exhaust gas flowing in the duct 6, due to the conductive heat transfer which takes place through the metal material of which the body is made.
  • the cylinder head in particular in the narrow space which separates the duct 6 from the wall portion 7. This avoids any overheating of the oil in the passage through the passage 1, in accordance with the purpose of the present invention.
  • the tube 8 is integrated in a pre-existing passage.
  • the tube 8 is fixed by hooping in the central portion 3, then of complementary section, of the passage 1, so in a tight fit.
  • the tube 8 is made of a relatively low thermal conductivity material.
  • this material may be a stainless steel, whose thermal conductivity is 7 to 8 times lower than that of the aluminum constituting the cylinder head.
  • the screen effect established by the tube 8 is reinforced.
  • this problem is solved by doubling the wall of the passage 1 over its entire height, by extending the screen means in the inlet trough 2, as shown schematically in FIG. 3.
  • This extension 1 1 can take the shape of the inlet chute 3 and be dimensioned so as to be installed behind the wall of this chute, as shown.
  • the extension 11 comprises a cylindrical portion 12 formed at its base to be inserted into the upper part of the tube 8, which it doubles at the central part 3 of the passage 1.
  • the part 12 is fixed in the upper part of the tube 8 by any suitable means.
  • the extension 11 of the screen collects the lubricating oil which enters by gravity into the passage 1 and channels it to and into the tube 8, thus keeping this oil constantly spaced from the wall of the passage 1, and therefore parts of this wall which are in heat transfer relationship with hot spots 10, 5 and 9.
  • the invention makes it possible to achieve the goals announced, namely to prevent the overheating degradation of the lubricating oil in the oil recesses of the cylinder head and this without major revision of the geometry of the cylinder head and without increasing its size.
  • the invention is thus particularly well suited to implementation in a small-sized motor design that nevertheless has high performance in terms of power and / or efficiency.
  • the isolation established by the present invention between the oil and the exhaust gas avoids cooling thereof by this oil.
  • the exhaust gases then maintain a high temperature which enhances the effectiveness of the treatment means for these gases conventionally installed in the engine exhaust line to rid them of the harmful chemical species they contain.
  • the invention is not limited to the embodiments described and shown which have been given by way of example only.
  • the tube 8 could be fixed in the oil down passage by means other than shrinking, for example by screwing or gluing.
  • this tube could have a cross section other than circular, for example square, rectangular or elliptical.
  • the invention is applicable to the treatment of hot spots created in a downflow oil by a heat source other than an exhaust gas outlet conduit.

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Description

CULASSE DE MOTEUR A COMBUSTION INTERNE
La présente invention est relative à une culasse de moteur à combustion interne comportant un circuit d'huile de lubrification, ce circuit comportant au moins un passage pour la redescente par gravité de l'huile vers un carter cylindre associé à la culasse dans le moteur, ce passage comportant au moins une partie de paroi interne disposée en relation de transfert thermique avec un point chaud la culasse.
On sait que le corps d'un moteur à combustion interne, qu'il soit du type Diesel ou du type à allumage commandé, comprend classiquement une culasse montée sur un carter-cylindre, ces deux parties étant refroidies et lubrifiées par des circulations d'eau (ou d'air) et d'huile, respectivement. L'huile suit un circuit qui passe dans la culasse, notamment pour lubrifier des paliers d'arbres à cames de commande des soupapes des cylindres. Cette huile revient ensuite par gravité dans le carter-cylindre via des passages dits "redescentes d'huile" intégrés à la culasse, notamment pour des raisons de compacité.
On a représenté schématiquement un tel passage 1 à la figure 1 du dessin annexé, en coupe verticale. Ce passage comprend une goulotte d'entrée 2, une partie centrale tubulaire 3 et une goulotte de sortie 4. Il est profilé de manière à s'écarter autant que possible de points chauds tels que celui, référencé 5, créé par un conduit 6 de sortie de gaz d'échappement, représenté en coupe transversale. En effet une surchauffe de l'huile ruisselant, selon la flèche F, sur une partie de paroi interne inclinée 7 d'un tel passage adjacente au conduit 6, accélère la dégradation de ses propriétés lubrifiantes et par conséquent l'intervalle entre les vidanges d'huile.
Une solution classique de ce problème consiste à refroidir le point chaud en y faisant passer le circuit d'eau de refroidissement.
Une autre solution consiste à ménager entre le passage et le conduit de sortie de gaz d'échappement une chambre isolant thermiquement ce passage de ce conduit, comme proposé par exemple dans le document de brevet JP1 1072041.
Ces deux solutions ont en commun l'inconvénient d'accroître l'encombrement du moteur. Or on cherche actuellement à réaliser des moteurs de plus en plus compacts et présentant néanmoins des performances améliorées en terme de puissance et/ou de rendement. Elles ne peuvent donc être adoptées par le concepteur d'un tel moteur alors que l'amélioration des performances précitées implique un accroissement des contraintes thermiques à supporter. La présente invention a donc pour but de fournir une culasse de moteur à combustion interne conçue pour autoriser une réalisation particulièrement compacte de ce moteur, prévenant cependant toute surchauffe de l'huile de lubrification passant dans les redescentes d'huile précitées. La présente invention a aussi pour but d'atteindre ce résultat sans passer par une révision coûteuse de la géométrie de la culasse.
On atteint ces buts de l'invention, ainsi que d'autres qui apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, avec une culasse de moteur à combustion interne comportant un circuit d'huile de lubrification, ce circuit comprenant au moins un passage pour la redescente par gravité de l'huile vers un carter-cylindre associé à la culasse dans le moteur, ce passage comportant au moins une partie de paroi interne disposée en relation de transfert thermique avec un point chaud de la culasse, celle-ci étant remarquable en ce que ce passage est équipé d'un moyen formant écran empêchant tout ruissellement d'huile en redescente sur cette partie de paroi. Comme on le verra plus loin en détail, on évite ainsi une surchauffe dommageable de l'huile de lubrification, sans accroissement de l'encombrement de la culasse et sans révision coûteuse de sa géométrie. L'invention permet ainsi de réaliser un moteur à combustion interne très compact, de puissance et/ou de rendement néanmoins élevés, conformément aux buts poursuivis par la présente invention.
Selon d'autres caractéristiques de celle-ci :
- le moyen formant écran prend la forme d'un tube dans lequel passe l'huile en redescente, à l'écart de la partie de paroi interne voisine du point chaud,
- le tube est rapporté et fixé dans le passage, - le tube est fixé dans le passage par frettage,
- le tube est fixé par frettage dans une partie complémentaire du passage usinée à cet effet,
- en variante, le tube est fixé par vissage ou par collage,
- la partie de paroi du passage en relation de transfert thermique avec le point chaud comprend au moins une partie d'une goulotte d'entrée du passage, le moyen formant écran se prolongeant dans cette goulotte d'entrée pour empêcher tout ruissellement d'huile sur cette partie de la goulotte d'entrée,
- le moyen formant écran est réalisé en un matériau à faible conductivité thermique,
- le point chaud est adjacent à un conduit de sortie de gaz d'échappement du moteur. L'invention fournit aussi un moteur à combustion interne comprenant un carter-cylindre et une culasse suivant la présente invention.
D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre et à l'examen du dessin annexé dans lequel : - la figure 1 est une représentation schématique, en coupe verticale, d'un passage de redescente d'huile de lubrification dans une culasse de moteur à combustion interne de conception classique, cette figure étant décrite en préambule de la présente demande de brevet, et
- les figures 2 et 3 sont des représentations schématiques, analogues à celle de la figure 1 , de premier et deuxième modes de réalisation respectivement, d'un passage de redescente d'huile dans une culasse suivant la présente invention.
Sur ces figures 2 et 3 des références numériques identiques à des références utilisées sur la figure 1 repèrent des éléments ou organes identiques ou analogues.
On se réfère à la figure 2 du dessin annexé où il apparaît que le passage 1 de redescente d'huile de lubrification est disposé par rapport au conduit 6 de sortie de gaz d'échappement sensiblement comme sur la figure 1.
On se place dans la situation suivant laquelle la proximité du conduit 6 et de la partie de paroi interne 7 du passage 1 est telle que le point chaud 5 créé entre ce conduit et cette partie 7 par les gaz d'échappement circulant dans ce conduit, est susceptible de provoquer une surchauffe et donc un vieillissement accéléré de l'huile qui ruissellerait sur la partie de paroi 7 pendant sa redescente vers le carter-cylindre (non représenté), du fait de la relation de transfert thermique existant entre ce point chaud et cette partie de paroi, à travers la matière métallique conductrice de la chaleur constituant la culasse. Une telle situation peut résulter, comme on l'a vu plus haut, d'une demande pour un moteur particulièrement compact obligeant le concepteur de ce moteur à rapprocher, autant que faire se peut, les différents organes ou éléments constituant la culasse d'un tel moteur.
Suivant la présente invention, on satisfait à cette demande, tout en protégeant l'huile de lubrification d'une dégradation par surchauffe, en empêchant tout ruissellement d'huile en redescente dans le passage 1 , sur la partie de paroi 7 de ce passage en relation de transfert thermique avec le point chaud 5.
Pour ce faire l'invention propose d'installer, dans ce passage, un moyen formant écran vis-à-vis d'un tel ruissellement et donc propre à le détourner de cette partie de paroi, vers un espace où l'huile ne subit pas une telle surchauffe. Suivant un mode de réalisation préféré de l'invention illustré par la figure 2, ce moyen formant écran prend la forme d'un tube 8 d'axe sensiblement vertical, rapporté et fixé dans la partie centrale 3 du passage 1 et s'étendant de cette partie centrale au bas de la goulotte de sortie 4 de ce passage. Le tube 8 présente une section droite complémentaire de celle de la partie centrale 3 du passage 1 de manière à s'ajuster exactement dans celle-ci.
On comprend qu'ainsi le tube recueille l'huile collectée par la goulotte d'entrée 2, y compris celle qui ruisselle sur ses parois, et la canalise verticalement dans la goulotte de sortie 4 en empêchant que cette huile ne ruisselle sur les parois de cette goulotte, y compris sur la partie de paroi 7 surchauffée par les gaz d'échappement à haute température qui circulent dans le conduit 6, du fait du transfert thermique par conduction qui s'opère à travers la matière métallique dont est constitué le corps de la culasse, en particulier dans l'espace étroit qui sépare le conduit 6 de la partie de paroi 7. On évite ainsi toute surchauffe de l'huile dans la traversée du passage 1, conformément au but poursuivi par la présente invention.
On remarquera que ce résultat est obtenu sans modification de la géométrie du corps de la culasse puisque le tube 8 est intégré dans un passage préexistant. C'est là un avantage marqué sur les solutions de la technique antérieure évoquées ci-dessus, à savoir le passage du circuit de refroidissement dans le point chaud ou l'aménagement d'une chambre d'isolation au niveau de ce point chaud. En effet ces deux solutions impliquent une révision lourde de la géométrie du corps de la culasse et aboutissent à un accroissement de son encombrement. Le concepteur d'un moteur compact appréciera d'échapper à ces deux inconvénients en adoptant la solution très simple proposée par la présente invention. Suivant un mode de réalisation préféré de l'invention, le tube 8 est fixé par frettage dans la partie centrale 3, alors de section complémentaire, du passage 1 , donc selon un ajustement serré. Si le tube est de section droite circulaire, il faut alors usiner un alésage de diamètre précisément ajusté dans cette partie centrale pour que la fixation du tube par frettage soit possible. Or un tel usinage est le plus souvent prévu dans les culasses de conception classique. En effet on sait que ces culasses sont réalisées ordinairement en fonderie d'aluminium. C'est ainsi que les goulottes d'entrée et de sortie 2 et 4 respectivement, sont venues de moulage, la partie centrale 3 étant usinée pour faire communiquer ces goulottes. L'installation du tube 8 dans le passage 1 est donc bien adaptée au procédé de fabrication classique des culasses. Avantageusement, suivant la présente invention, le tube 8 est réalisé en un matériau à conductivité thermique relativement faible. A titre d'exemple illustratif et non limitatif seulement, ce matériau peut être un acier inoxydable, dont la conductivité thermique est de 7 à 8 fois plus faible que celle de l'aluminium constituant la culasse. L'effet d'écran établi par le tube 8 en est renforcé.
Le mode de réalisation de l'invention décrit ci-dessus en liaison avec la figure 2 est parfaitement efficace quand le point chaud est d'étendue relativement limitée, ne touchant par exemple qu'une partie 7 de la paroi de la goulotte de sortie 4 du passage 1. Or, dans certaines géométries de culasse, ce point chaud peut connaître une plus grande extension, comme schématisé à la figure 3.
Sur cette figure il apparaît que le conduit de sortie de gaz d'échappement 6 est plus rapproché de la goulotte d'entrée 10 et de la partie centrale 3 du passage 1 qu'il ne l'est dans le mode réalisation de l'invention illustré par la figure 2. Une telle configuration peut se trouver dans une conception de culasse particulièrement compacte, conception à laquelle s'adresse plus particulièrement l'invention.
Dans la configuration schématisée à la figure 3, on trouve alors trois points chauds sur la paroi du passage 1 , à savoir les points chauds 10, 9 et 5 qui intéressent des parties de paroi du passage se trouvant dans la goulotte d'entrée 2, dans la partie centrale 3 et dans la goulotte de sortie 4 respectivement. Le tube 8 ne suffit plus alors à empêcher un ruissellement d'huile sur toutes les parties de paroi affectées par ces points chauds.
Suivant la présente invention, on résout ce problème en doublant la paroi du passage 1 sur toute sa hauteur, par prolongement du moyen formant écran dans la goulotte d'entrée 2, comme représenté schématiquement sur la figure 3. Ce prolongement 1 1 peut prendre la forme de la goulotte d'entrée 3 et être dimensionné de manière à pouvoir y être installé en retrait de la paroi de cette goulotte, comme représenté. Le prolongement 11 comprend une partie cylindrique 12 formée à sa base pour être insérée dans la partie haute du tube 8, qu'elle double au niveau de la partie centrale 3 du passage 1. La partie 12 est fixée dans la partie haute du tube 8 par tout moyen convenable. On comprend que le prolongement 11 de l'écran recueille l'huile de lubrification qui entre par gravité dans le passage 1 et la canalise vers et dans le tube 8, en maintenant ainsi cette huile constamment écartée de la paroi du passage 1 , et donc des parties de cette paroi qui sont en relation de transfert thermique avec les points chauds 10, 5 et 9. II apparaît maintenant que l'invention permet bien d'atteindre les buts annoncés, à savoir empêcher la dégradation par surchauffe de l'huile de lubrification dans les redescentes d'huiles de la culasse et ceci sans révision lourde de la géométrie de cette culasse et sans accroissement de son encombrement. L'invention est ainsi particulièrement bien adaptée à une mise en œuvre dans une conception de moteur de faible encombrement présentant néanmoins des performances élevées en termes de puissance et/ou de rendement.
On remarquera en outre que l'isolement établi par la présente invention entre l'huile et les gaz d'échappement permet d'éviter un refroidissement de ceux-ci par cette huile. Les gaz d'échappement conservent alors une température élevée qui renforce l'efficacité des moyens de traitement de ces gaz classiquement installés dans la ligne d'échappement du moteur pour les débarrasser des espèces chimiques nocives qu'ils contiennent.
Bien entendu l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits et représentés qui n'ont été donné qu'à titre d'exemple. C'est ainsi que le tube 8 pourrait être fixé dans le passage de redescente d'huile par d'autres moyens que le frettage, par exemple par vissage ou par collage. C'est ainsi encore que ce tube pourrait présenter une section droite autre que circulaire, par exemple carrée, rectangulaire ou elliptique. C'est ainsi également que l'invention est applicable au traitement de points chauds créés dans une redescente d'huile par une source de chaleur autre qu'un conduit de sortie de gaz d'échappement.

Claims

REVENDICATIONS
1. Culasse de moteur à combustion interne comportant un circuit d'huile de lubrification, ledit circuit comprenant au moins un passage (1 ) pour la redescente par gravité de ladite huile vers un carter-cylindre associé à ladite culasse dans ledit moteur, ledit passage (1 ) comportant au moins une partie (7) de paroi interne disposée en relation de transfert thermique avec un point chaud (5) de ladite culasse, caractérisée en ce que ledit passage (1 ) est équipé d'un moyen (8) formant écran empêchant tout ruissellement d'huile en redescente sur ladite partie (7) de paroi.
2. Culasse conforme à la revendication 1 , caractérisée en ce que ledit moyen
(8) prend la forme d'un tube dans lequel passe l'huile en redescente, à l'écart de ladite partie (7) de paroi.
3. Culasse conforme à la revendication 2, caractérisée en ce que ledit tube (8) est rapporté et fixé dans ledit passage (1 ).
4. Culasse conforme à la revendication 3, caractérisée en ce que ledit tube (8) est fixé dans ledit passage (1 ) par frettage.
5. Culasse conforme à la revendication 4, caractérisée en ce que ledit tube (8) est fixé par frettage dans une partie (3) dudit passage (1 ) usinée à cet effet.
6. Culasse conforme à la revendication 3, caractérisé en ce que ledit tube (1 ) est fixée par vissage.
7. Culasse conforme à la revendication 3, caractérisée en ce que ledit tube (1 ) est fixé par collage.
8. Culasse conforme à l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que ladite partie de paroi en relation de transfert thermique avec ledit point chaud comprend au moins une partie d'une goulotte d'entrée (2) dudit passage (1 ), ledit moyen (8,1 1 ) formant écran se prolongeant dans ladite goulotte d'entrée (2) pour empêcher tout ruissellement d'huile sur ladite partie de ladite goulotte d'entrée (2).
9. Culasse conforme à l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que ledit moyen formant écran (8;8,11 ) est réalisé en un matériau à faible conductivité thermique.
10. Culasse conforme à l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que ledit point chaud (5,9,10) est situé entre un conduit 6) de sortie de gaz d'échappement dudit moteur et ladite partie de paroi dudit passage (1 ).
11. Moteur à combustion interne comprenant un carter-cylindre et une culasse, caractérisé en ce que ladite culasse est conforme à l'une quelconque des revendications précédentes.
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