Brevet FR2515728A1 — publié le 19830506

La présente invention concerne une soupape-champignon pour un moteur à combustion interne. Dans la conception des moteurs à combustion interne, il existe deux objectifs principaux L'un d'eux consiste à produire la plus grande économie possible en carburant-tandis que l'autre consiste à produire une puissance aussi élevée que possible pour un poids donné Il existe deux solutions principales à ces problèmes, dont l'une consiste à augmenter le taux de compression total par exemple par turbo-alimenta- tion tandis que l'autre consiste à réduire autant qu'il est possible le poids des parties animées d'un mouvement alterna- tif. La première solution augmente inévitablement la tempéra- ture à laquelle sont soumises les parties du moteur formant la chambre de combustion et, parmi ces composants, les soupa- pes d'échappement sont soumises aux conditions les plus extrêmes. L'aptitude de ces soupapes à résister à des conditions de fonctionnement de plus en plus sévères a constitué un facteur de limitation du développement de ce type de moteur. La seconde solution nécessite que les composants animés d'un mouvement alternatif soient réduits en poids Les soupapes-champignons ont une influence efficace sur le poids puisqu'une soupape lourde nécessite en correspondance une timonerie d'entraînement qui est lourde On pourrait par conséquent obtenir des avantages substantiels si les soupapes pouvaient être aussi que possible. A l'heure actuelle, les soupapes pour moteurs de hautes performances sont formées d'alliages à base de nickel forgeables Des tentatives d'amélioration des performances de ces soupapes ont consisté à utiliser des compositions d'alliages mieux forgeables, à utiliser un refroidissement par sodium et à faire intervenir une isolation thermique qui réduit l'entrée de chaleur dans le métal Ces expédients ont rencontré un certain succès, mais il subsiste toujours une obligation d'améliorer les soupapes. L'utilisation d'un métal coulé pour des soupapes-champi- gnons de hautes performances n'a pas semblé être applicable en pratique En effet, des pièces coulées sont caractérisées par une fragilité et par un mauvais contrôle de qualité, qui peuvent conduire à des variations considérables des propriétés du fait d'inclusions, de cavités, de porosités et d'autres défauts Ces caractéristiques sont contraires à l'impératif imposé à de telles soupapes qui sont soumises à un martelage répété très puissant. On a constaté que, dans un procédé de coulée, on fait intervenir un contrôle de qualité très poussé et en outre, on peut obtenir de très bonnes propriétés du métal en utili- sant un procédé faisant intervenir des alliages choisis avec soin Ce procédé de coulée consiste en un procédé de coulée de monocristal et son utilisation permet de produire des mono- cristaux dont les propriétés sont différentes des pièces coulées normalement Ainsi, en choisissant correctement l'alliage, il est possible-d'atteindre une très haute résis- tance à des températures élevées, une bonne résistance à la corrosion et une ductilité se rapprochant de celles des maté- riaux les mieux forgés. Conformément à la présente invention, il est prévu une soupape-champignon pour moteur à combustion interne, qui comprend un monocristal d'un métal résistant à haute tempéra- ture possédant une structure cristalline cubique à centrage par une face, l'axe du cristal étant orienté dans la direction longitudinale de la soupape. De préférence, la soupape est formée d'un superalliage à base de nickel et la tige de la soupape peut être creuse pour réduire le poids et par conséquent les charges parasites dûes au métal. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention ressortiront de la description qui va suivre, en référence aux dessins annexés dans lesquels: les figures 1 à 3 montrent des étapes successives d'utilisation de l'appareil servant à la fabrication de soupapes conforme à l'invention, la fig 4 est une coupe de la soupape fabriquée dans l'appareil des figures 1 à 3, et la figure 5 représente le moule utilisé dans un autre mode de réalisation. Sur la fig 1, on a représenté en coupe un appareil pour produire une pièce coulée monocristalline, se composant de trois chambres, à savoir une chambre supérieure de fusion , une chambre centrale de coulée 11 et une chambre infé- rieure de décharge 12 La chambre supérieure de fusion comprend un creuset 13 qui contient une charge de métal 14, constitué dans le cas considéré par un superalliage à base nickel Le creuset comporte un trou de coulée 15 qui est obturé par un tampon fusible 16 et qui est entouré par l'axe 17 d'un dispositif de chauffage par induction. Le trou de coulée 15 du creuset 13 colncide avec le passage d'entrée 18 de la chambre de coulée 11 La chambre 11 se compose fondamentalement d'un four, comportant des parois isolées 19 et des éléments électriques de chauffage La voûte 21 du four comporte le passage d'entrée 18 tandis que la sole 22 du four comporte une ouverture qui est dimensionnée de manière à permettre le passage d'un élément porteur 24 refroidi par eau Cet élément porteur est monté sur un piston 25 de façon à déplacer verticalement avant la chambre de coulée 11 et la chambre de décharge 12 En service, l'élément porteur 24 supporte un moule qui sera décrit en détail dans la suite. La chambre de décharge 12 comprend une paroi 26 équipée de tubes de refroidissement par eau 27 On voit que, lorsque les éléments chauffants 20 et les tubes de refroidissement 27 sont en service, un front de chaleur est produit au voisinage de l'ouverture 23 entre la chambre chaude de coulée 11 et la chambre de décharge 12 refroidie Le fonctionnement de l'appareil dépend de l'existence de ce front de chaleur. La sortie finale de l'appareil comprend le moule 28 en céramique Ce moule est réalisé de la manière normale pour un moule en coquille, un modèle en cire ayant la forme requise étant formé et étant revêtu d'une coquille constituée d'un matériau-céramique On fait ensuite fondre la cire et le moule est chauffé pour acquérir sa résistance. Le moule est formé de quatre sections, à savoir une section d'amorçage 29, un sélecteur 30, une cavité de moulage proprement dite 31 et une cuvette de coulée 32 La section d'amorçage 29 est ouverte à sa partie inférieure et elle coincide avec la surface supérieure de l'élément porteur 24 qui obture la section d'amorçage A-l'intérieur de la section d'amorçage, comme cela sera décrit de façon plus détaillée dans la suite, une structure à grains en colonnes est formée. La partie du moule située au-dessus de la section d'amorçage comprend un passage hélicoïdal étroit qui forme un sélecteur 30 La fonction du sélecteur est de ne laisser continuer à grossir que l'un des différents grains grossis- sant dans la section d'amorçage 29 Au-dessus du sélecteur , il est prévu la cavité principale de moule 31 Comme on pourrait s'y attendre, cette cavité a la forme de la soupape à fabriquer, c'est-à-dire qu'elle délimite une partie-tige qui s'évase graduellement pour former une partie-tête élargie. Dans le cas considéré, la tige est située en bas de la cavité tandis que la tête est située en haut Finalement une cuvette de coulée 32 est formée au-dessus de la cavité de moulage et elle créee un passage en forme d'entonnoir permettant l'introduction du métal en fusion. Lors de l'utilisation de l'appareil, le moulage 28 est initialement placé dans la chambre chaude de coulée 11, comme indiqué sur la fig 1, une charge de métal 14 étant placée dans le creuset 13 Les enroulements 17 sont excités de façon à faire fondre la charge de métal, qui fait fondre à son tour le tampon-fusible 16 de manière à parvenir par l'intermé- diaire du trou de coulée 15, du passage d'entrée 18 et de la cuvette de couleée 32 dans le moule 28 Le métal en fusion remplit correctement le moule. Le piston 25 est ensuite actionné de manière à faire sortir lentement le moule rempli de la chambre de coulée 11 et à la faire pénétrer dans la chambre refroidie de décharge 12, tandis que simultanément l'élément porteur 24 est refroidi. Il en résulte que de la chaleur est évacuée de la base du moule et, du fait du mouvement du moule au travers du front de chaleur existant entre les chambres 11 et 12, le métal en fusion se trouvant dans le moule se solidifie progressive- ment à partir de la base et vers le haut Cela établit les conditions nécessaires pour la production de grains en colon- ne dans la chambre d'amorçage 29. Ces grains en colonne grossissent dans la chambre d'amorçage 29 à mesure que le front de solidification progresse et jusqu'à ce qu'il atteigne le passage sélecteur hélicoidal 30 (cela correspond à la condition indiquée sur la fig 2) La conformation du passage permet le grossisement d'un des grains qui arrête alors celui des autres, d'o il en résulte la correction de seulement un grain qui grossit au travers du passage et dans la cavité principale 31 o il continue à grossir avec le profil désiré et sous la forme d'un monocristal Le cristal est obligé par ce processus de grossir de manière que son axe soupape produite. Le transfert du moule dans la chambre 12 est poursuivi jusqu'à ce qu'il soit complètement sorti et que le métal fondu soit complètement solidifié Le moule et son contenu peuvent alors être soulevés de l'élément porteur et le moule est enlevé mécaniquement ou autrement du métal coulé Il est alors nécessaire de séparer la soupape coulée des parties auxiliaires de métal coulé qui ont rempli le sélecteur et la cuvette de coulée et on peut alors effectuer un usinage additionnel La figure 4 montre la soupape quand elle est terminée. Il est souhaitable de réaliser la soupape avec une tige creuse Ce problème peut être résolu, comme indiqué sur la fig 5, en disposant un noyau en céramique 33 à l'intérieur du moule Le noyau 33 définit la cavité à former dans la sou- pape produite finalement et il doit être enlevé de la soupape après coulée. Il est à noter qu'on peut utiliser d'autres procédés de production, par exemple en utilisant des cristaux d'ense- mencement à la place du sélecteur des figures 1 à 3 Egalement le profil spécifique de la soupape peut être modifié par rapport à celui représenté et le métal utilisé n'a pas besoin d'être obligatoirement un superalliage à base de nickel. Il est à noter que les soupapes conformes à l'invention, combinant d'autres caractéristiques, permettent d'isoler le cylindre d'un moteur pour réduire les pertes de chaleur dans le fluide de refroidissement Cela augmente évidemment la température des soupapes et il est par conséquent nécessaire d'appliquer la présente invention Cependant cette diminution de la chaleur perdue permet d'augmenter les rapports puisssance/poids et puissance/volume unitaire dont on obtient également une très grande amélioration du rendement d'utili- sation du carburant. REVENDICATIONS 1 Soupape-champignon pour un moteur à combustion interne, caractérisée en ce qu'elle comprend un monocristal formé d'un métal résistant à haute température et présentant une structure cristalline cubique à centrage sur face, l'axe du cristal étant orienté dans la direction longitudinale de la soupape. 2 Soupape-champignon selon la revendication 1, caracté- risée en ce que ledit métal comprend un superalliage à base de nickel. 3 Soupape-champignon selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce qu'elle comporte une tige creuse.