Brevet FR2554168A1 — publié le 19850503

- 1- La présente invention concerne des moteurs à pistons et plus particulièrement des moteurs d'avions comportant une paroi de cylindre résistant à la rouille et possédant de très bonnes propriétés pour l'appui des segments de pistons. Des moteurs à pistons, et en particulier des moteurs à combustion interne, comprennent typiquement une multiplicité d'ensembles de cylindres. Ces ensembles de cylindres comprennent classiquement au moins une culasse et au moins un cylindre en acier fixé sur la culasse. Du fait que le poids du cylindre constitue un facteur ayant une influence importante sur les perfor- mances et le rendement du moteur, des tentatives ont été souvent faites pour réduire le poids total du moteur. Dans des moteurs d'avions par exemple, la ou les culasses sont souvent fabriquées en aluminium, en alliage d'aluminium ou en un autre alliage. Pour diffé- rentes raisons, l'acier reste le matériau de choix pour le cylindre proprement dit. Un problème se posant avec les cylindres en acier classiquement utilisés dans des moteurs d'avions consiste en ce que les cylindres sont sujets à un rouillage ou une corrosion du type rouillage de leurs alésages, notamment en cours de stockage ou bien pendant les premières heures de marche du moteur. Le problème est particulièrement aigu lorsque le moteur fonctionne brièvement, par exemple après assemblage et lorsqu'il est ensuite laissé au repos pendant un certain temps. Si on laisse cette corrosion se développer, des piqûres peuvent alors être créées dans la surface d'alésage du cylindre. Cette corrosion est parfois suffisamment forte pour influencer défavorablement le piston en ce qui concerne l'usure des segments et le contrôle d'huile. -2- Il existe évidemment plusieurs moyens pour empêcher la formation de rouille sur une surface d'acier mais la nature des ensembles de cylindres de moteurs d'avions ne permet pas leur application correcte. Une peinture des parois de cylindres peut nuire à la fonction d'étanchéité des segments de pistons et peut être enlevée de la paroi par abrasion pendant les premières heures de marche. Le dépôt d'un revêtement d'oxyde sur les chemises de cylindres peut être impossible, à cause de la nature des procédés de fabrication de moteurs d'avions typiques. Une des premières étapes d'assemblage d'un moteur consiste à monter le ou les cylindres en acier sur la culasse en aluminium. Les substances chimiques utilisées pour former une couche d'oxyde sur la surface de chemise sont souvent corrosives pour l'aluminium et leur emploi est par consé- quent interdit. Le dépôt d'une couche de phosphate cristallin sur une surface ferreuse est connu, par exemple, pour une culasse de chambre de combustion d'un moteur en acier, comme décrit dans le brevet US n 3.082.128, o on décrit la phosphatation de la culasse en vue de réduire l'accumu- lation de carbone sur la culasse pendant le fonctionnement du moteur. Cependant, on n'a trouvé aucune référence o la chemise de cylindre, et en particulier la culasse, sont traitées par phosphatation. En outre, comme indiqué par Blum et Al. dans le brevet US n 3.297.493, colonne 1, lignes 28 à 33, des revêtements de type phosphate sont usuellement caracté- risés comme étant relativement fragiles. On pourrait s'attendre à ce qu'un revêtement phosphoreux d'une paroi de cylindre soit enlevé par usure pendant la marche du moteur, sous l'effet du frottement abrasif des segments de piston ou bien on pourrait s'attendre à ce qu'il - 3- provoque une usure des segments. On pourrait également s'attendre à ce qu'un tel revêtement affecte la fonction d'étanchéité desdits segments. La présente invention a pour but de remédier à ces inconvénients et à d'autres en créant un moteur com- portant un ensemble de cylindre qui soit résistant au rouillage et qui possède également des caractéristiques supérieures d'étanchéité et de résistance à l'usure. L'ensemble de cylindre comprend une culasse en aluminium sur laquelle est fixée une chemise de cylindre. La surface d'au moins la paroi intérieure du cylindre est convertie en une couche homogène de phosphate cristallin après la fixation de la chemise de cylindre sur la culasse. L'expression "couche homogène de phosphate cristallin" désigne la couche existant sur une surface de paroi d'un cylindre ferreux après un traitement par le procédé de phosphatation décrit dans la suite ou bien par un autre procédé de phosphatation connu maintenant ou découvert par la suite. Le procédé de phosphatation em- ployé dans la présente invention consiste à: rendre la culasse en aluminium inerte à une phosphatation, fixer un cylindre en acier sur elle; et déposer une solution d'eau, de zinc et d'acide phosphorique sur l'ensemble de cylindre ainsi formé. Le procédé de fabrication du moteur consiste à fixer au moins un cylindre en acier sur au moins une culasse correspondante, à déposer une solution de phos- phatation sur l'ensemble de cylindre ainsi formé et à insérer un piston et son segment associé dans le cylindre correspondant. Le procédé de mise en service d'un moteur consiste à exécuter les étapes de fabrication du moteur décrites ci-dessus puis à contrôler le fonctionnement du moteur pendant sa période d'utilisation initiale. -4- D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mis en évidence dans la suite de la description, donnée à titre d'exemple non limitatif, en référence au dessin unique annexé qui est une coupe schématique partielle du mode préféré de réalisation de l'invention. Un moteur à piston 10 conforme à l'invention comprend au moins un ensemble de cylindre 12, chaque ensemble comportant une culasse 14 sur laquelle est fixé au moins un cylindre en acier 16. Dans la suite, la des- cription du moteur et des procédés de l'invention sera limitée à l'exemple d'un moteur d'avion comprenant une multiplicité d'ensembles de cylindres, chaque ensemble se composant d'une culasse en aluminium fixée sur un seul cylindre en acier. Il est clair que les possibilités d'utilisation de l'invention ne sont pas limitées à ce type de moteur mais qu'elle peut cependant être appliquée à un moteur comportant une ou plusieurs culasses, chaque culasse étant associée à un ou plusieurs cylindres fixés sur elle. Une des premières étapes de construction d'un moteur d'avion consiste à monter le cylindre en acier 16 sur la culasse en aluminium 14. L'ensemble de cylindre 12 ainsi formé est soumis à des opérations ultérieures, par exemple le rodage d'une paroi de cylindre 18. Le diamètre intérieur du cylindre 16 est légèrement supérieur au dia- mètre d'un piston 20 à insérer dans celui-ci, pendant la construction ultérieure du moteur. Le piston 20 porte au moins un segment 22 qui est destiné à assurer l'étanchéité d'une chambre de combustion 24 créée par la paroi du cy- lindre 12, la culasse 14 et le piston 20. La nouvelle particularité caractérisant la structure de moteur et les procédés de la présente - 5 - invention concerne la formation d'une couche de phosphate cristallin 26 sur une surface intérieure de paroi ou d'a- lésage 28 du cylindre en acier. Cette couche est réalisée comme suit: 1 ) la culasse 14 en aluminium est séparément rendue inerte à une phosphatation, de préférence en la pourvoyant, d'une manière connue, d'un revêtement de con- version de chromate. En variante, la culasse 14 peut être rendue inerte par anodisation ou par un autre procédé; 2 ) le cylindre en acier 16 est fixé sur la culasse en aluminium 14 pour former un ensemble de cy- lindre 12. Cet ensemble est rodé et lavé après cette fixation. De préférence, ce lavage consiste à frotter à la brosse l'alésage 28 du cylindre en utilisant une solu- tion détergente. On peut utiliser tout détergent, savon ou solution ou fluide de nettoyage qui ne corrode pas l'ensemble de cylindre 12 et qui ne laisse pas de résidu sur celui-ci. La concentration de la solution ou fluide de nettoyage doit être suffisante pour rendre l'alésage de cylindre exempt de substances contaminantes. De préfé- rence, la solution détergente contient 14 g/l de Ridoline n 53 (un produit de Amchem Products, Inc.), ou l'équiva- lent, dans de l'eau à environ 65 C, 3 ) (a) lors d'un stockage ou d'un transport des ensembles de cylindres 12, ceux-ci peuvent être pro- tégés par un dépôt d'huile. De préférence une huile con- forme à la Spécification militaire VV-L-800 est déposée sur la périphérie intérieure de l'alésage de cylindre 28, bien que d'autres huiles puissent être utilisées, (b) l'huile de protection doit être enlevée de l'ensemble de cylindre 12 avant un traitement ultérieur des ensembles de cylindres. On utilisera un détergent, un savon ou bien une solution ou fluide de nettoyage qui ne - 6 - corrode par l'ensemble de cylindre 12, qui ne laisse pas de résidu sur celui-ci et qui enlève suffisamment l'huile de protection pour que celle-ci ne gene pas les étapes de phosphatation. L'huile protectrice préférée peut avanta- geusement être enlevée par immersion de l'ensemble de cylindre 12 pendant environ 5 minutes dans une solution contenant environ 32 à 48 g/1 de Ridoline n 53, ou un produit de nettoyage équivalent, à une température d'en- viron 65 C à 70 C. Ce produit de nettoyage peut en variante être déposé au moyen d'un appareil approprié ou de tout autre manière, (c) de préférence, lorsqu'on utilise un produit de nettoyage à base d'eau ou soluble dans l'eau, l'ensemble de cylindre 12 est soigneusement rincé dans de l'eau froide après l'opération de lavage, 4 ) l'ensemble de cylindre 12 nettoyé est ensuite immergé dans une solution de phosphatation pendant un temps suffisant pour produire une couche cristalline grise uni- forme sur l'ensemble. De préférence, la solution contient au moins un sel de zinc dans une solution d'acide phospho- rique d'un pH d'environ 2,8 à 3,0, qui est maintenue à une température d'environ 68 à 77 C. La solution de phospha- tation peut aussi contenir un ou plusieurs accélérateurs, tels que du nickel et analogue. Un concentré préféré pour la solution de phosphatation est Turco 4333, un produit fabriqué par Turco Products, qui est un Département de Purex Corporation. Une solution à 3 % de Turco 4333 pourra former une couche phosphatée d'environ 100 mg/dm2 de surface, lorsque l'ensemble est immergé pendant environ 5 à 8 minutes, ) l'ensemble de cylindre 12 est ensuite rincé dans l'eau, pour terminer la phosphatation de l'alésage de cylindre 28. Ce rinçage peut se faire à l'eau chaude -7 à environ 80 C puis l'ensemble de cylindre 12 est séché à l'air, s'il doit être peint après phosphatation. Cepen- dant de préférence, le rinçage s'effectue à l'eau froide et le cylindre 12 est protégé avec de l'huile comme décrit ci-dessous, 6 ) l'ensemble de cylindre 12 peut être protégé avec de l'huile par immersion dans une solution d'huile soluble dans l'eau à la température ambiante. De préfé- rence, la solution d'huile soluble dans l'eau contient environ 10 % en volume de Turco 4454, une huile soluble dans l'eau fabriquée par Turco Products, un Département de Purex Corporation. En variante, l'ensemble de cylindre 12 peut être protégé par application d'une huile préserva- trice hydrofuge. Le moteur 10 conforme à la présente invention, comporte l'ensemble de cylindre 12 réalisé conformément à ce processus. Ce moteur, lorsqu'il est ainsi construit, possède des propriétés inhabituelles et inattendues. La couche homogène de phosphate cristallin 28 résiste à l'usure par abrasion par le segment 22 du piston, en contradiction avec le fait attendu que la couche de phosphate relativement molle s'userait facilement. Au contraire, les cristaux de phosphate restent visibles lors d'une inspection de la paroi intérieure 28 du cylindre au bout d'une longue période de marche du moteur ainsi construit. Toute la partie de la paroi de cylindre se trouvant sur le parcours de segment présente typiquement une couche de phosphate visible pendant au moins environ une centaine d'heures de marche. Au bout d'environ 200 heures de marche, des cristaux de phosphate restent typiquement visibles dans des creux et des stries de la partie hachurée de la zone de déplacement du segment. En outre, le moteur construit conformément à la présente - 8 - invention possède des propriétés supérieures en ce qui concerne la consommation d'huile et un meilleur maintien des segments de pistons pendant la période de rodage grace à cette couche de phosphate. Un autre mode de réalisation de l'invention con- cerne un perfectionnement aux procédés de rodage de moteurs. Des procédés de rodage consistent classiquement à assembler un moteur et ensuite à l'utiliser de façon contrôlée pen- dant une certaine période de temps. Le perfectionnement apporté à ces procédés comprend l'étape consistant à former une couche homogène de phosphate cristallin sur la paroi de cylindre avant l'assemblage du moteur. Plus spécifiquement, le perfectionnement consiste à former une telle couche avant l'insertion du ou des pistons dans le ou les cylindres ainsi traités. La formation de la couche de phosphate est réalisée de préférence comme décrit ci-dessus. La présente invention permet ainsi de réaliser un moteur comportant un ensemble de cylindre résistant à la rouille et qui possède également des caractéristiques améliorées en ce qui concerne le maintien des segments de pistons et la consommation d'huile. -9- R E V E N D I C A T I ON S 1.- Moteur à pistons, comprenant: - au moins une culasse (14); - au moins un cylindre en acier (16) fixé sur la culasse correspondante, ledit cylindre (16) compor- tant une paroi intérieure (18) délimitée par une surface; - un piston (20) disposé dans chaque cylin- dre (16); - un segment disposé entre ledit piston (20) et ladite paroi de cylindre (18); caractérisé en ce que ladite paroi de cy- lindre (18) porte une couche homogène de phosphate cris- tallin sur ladite surface. 2.- Moteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la surface de la culasse est exempte de corrosion par le processus utilisé pour la formation de ladite couche homogène de phosphate cristallin. 3.- Moteur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il constitue un moteur d'avion. 4.- Moteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la surface de la culasse est exempte de corrosion par la composition utilisée pour la formation de ladite couche homogène de phosphate cristallin (26). 5.- Moteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche homogène de phosphate cristallin (26) est caractérisée par une bonne résistance à l'usure par ledit segment de piston pendant la marche du moteur. - 10 - 6.- Moteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite couche homogène (26) est du type assis- tant le maintien du segment de piston dans ledit cylindre. 7.- Moteur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il constitue un moteur à combustion interne. 8.- Moteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la culasse (14) est en aluminium. 9.- Moteur selon la revendication 8, caractérisé en ce que ladite culasse (14) en aluminium porte un revête- ment de conversion de chromate. 10.- Procédé de fabrication du moteur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à fixer au moins un cylindre en acier (16) non traité par phosphatation sur une culasse en alu- minium (14) correspondante en formant ainsi un ensemble de cylindre (12); à rectifier la paroi dudit cylindrencnphosphaté et ensuite à convertir la surface de ladite paroi en une couche homogène de phosphate cristallin. 11.- Procédé selon la revendication 10, caracté- risé ence que ladite étape de conversion consiste à - (a) déposer une solution de phosphatation sur ledit ensemble de cylindre (12); ladite solution contenant de l'eau, du zinc et de l'acide phosphorique, et ayant un pH d'environ 2,8 à 3,0; à une température d'envi- ron 68 à 77 C; (b) faire entrer en contact ladite solution avec ledit ensemble de cylindre pendant au moins environ cinq minutes; et - 11 - (c) enlever par lavage ladite solution dudit ensemble de cylindre. 12.- Procédé selon la revendication 11, caracté- risé en ce qu'il comprend l'étape préliminaire de lavage de l'ensemble de cylindre (12) avant ladite étape de dépôt. 13.- Procédé selon la revendication 10, caracté- risé en ce qu'il comprend l'étape suivante d'application d'huile sur ledit ensemble de cylindre (12). 14.- Procédé selon la revendication 13, caracté- risé en ce que l'étape d'application d'huile consiste à immerger ledit ensemble de cylindre (12) dans une solution d'huile soluble dans l'eau. 15.- Procédé de rodage d'un moteur, comprenant les étapes consistant à construire ledit moteur et à contrôler le fonctionnement de ce moteur pendant sa période d'utilisation initiale; ladite étape de construction comportant l'insertion d'un piston (20) et d'un segment associé dans un ensemble de cylindre (12) dudit moteur, et ledit ensemble de cylindre comprenant au moins une culasse (14) et au moins un cylindre en acier (16) relié à la culasse Correspondante, caractériséenc qu'on dépose une couche de phosphate homogène sur la surface du cylindre après son assemblage avec ladite culasse, mais avant l'insertion dudit piston et dudit segment dans le cylindre.