Brevet FR2554167A1 — publié le 19850503

La présente invention concerne les construc- tions de moteurs, notamment les moteurs à combustion in- terne. L'invention peut être appliquée à tous les mo- teurs à pistons à combustion interne des moyens de trans- ports: automobiles, bateaux, locomotives Diesel, etc., ainsi qu'aux moteurs de générateurs, compresseurs et au- tres machines fixes, ayant entre le bloc-cylindres et la culasse un joint avec des orifices de cylindres plus grands que les alésages de cylindres du moteur, dans les *cas o il est nécessaire de diminuer la consommation spé- cifique de combustible, d'abaisser la teneur en fumées et la toxicité des gaz d'échappement, ainsi que d'accro - tre la fiabilité et la longévité du joint de culasse. A l'heure actuelle, les problèmes de la diminu- tion de la consommation spécifique de combustible, de l'abaissement de la teneur en fumées et de la toxicité des gaz d'échappement des moteurs à combustion interne sont de très grande actualité. De nombreux travaux théo- riques et expérimentaux et de nombreuses inventions sont consacrés à la résolution de ces problèmes. L'une des orientations pour résoudre les pro- blèmes indiqués est l'augmentation du rapport entre le volume de la chambre de combustion et le volume de com- pression. L'augmentation de ce rapport est obtenue en di-. minuant le volume de compression, ce qui, à son tour, est obtenu en diminuant le volume conditionné par la pré- sence d'un écartement entre le piston et la culasse, du volume des évidements de soupapes dans la culasse, du volume formé par le jeu entre piston et cylindre et du volume libre du joint bloc-culasse, dû au fait que, pour- des cons idérations de conception et de fabrication, les orifices de cylindres ménagés dans le joint de culasse ont un diamètre plus grand que l'alésage du cylindre. En règle générale, les volumes énumérés ci-dessus sont choi- sis au cours de la mise au point expérimentale du moteur, et ils ne peuvent être diminués que dans le cas de la mi- se en application de certaines nouveautés de conception. L'un des objets de l'utilisation de ces nouveautés est le joint bloc-culasse du moteur. On connaît des moteurs à combustion interne (cf., par exemple, certificat d'auteur d'invention d'URSS nO 482 561, classe F 02 B 11/00), dans lesquels, en vue de diminuer la consommation spécifique de combustible, d'abaisser l'émission de fumées et la toxicité, ainsi que d'accroître la fiabilité et la longévité des joints de culasse, on usine dans la face supérieure de la che- mise un évidement circulaire, dans lequel on place un an- neau métallique de forme spéciale. Une telle conception n'assure pas un remplissa- ge complet du volume libre du joint bloc-culasse, car il reste un espace libre entre la culasse et la face supé- rieure du bourrelet de feu de la chemise. En outre, l'ap- plication d'une telle conception requiert une modifica- tion de la chemise de cylindre, c'est-à-dire qu'elle ne peut être appliquée aux moteurs se trouvant en service. On connaît aussi des moteurs à combustion in- terne (cf', par exemple, certificat d'auteur d'invention d'URSS N 848722, classes FO2F 11/00 et F161 15/06), dans lesquels, pour atteindre le même but, on place sur le bourrelet de la chemise un anneau en matériau mou, des sillons spiraux étant prévus sur le bourrelet de la chemise. Au montage de la culasse le matériau de l'an- neau est refoulé dans ces sillons. L'application de cette conception ne permet pas non plus de remplir tout le volume libre du joint bloc- culasse, car l'espace entre la culasse et la face supé- rieure du bourrelet de feu de la chemise reste libre. En outre, son application nécessite l'emploi d'une chemise spéciale à sillons spiraux. On connaît aussi un moteur à combustion interne (cf., pari exemple, brevet des Etats-Unis N 3 606 361), dans lequel le volume libre du joint bloc-culasse est rempli à l'aide d'un anneau d'acier, placé dans l'ori- fice de cylindre du joint de culasse, ledit anneau ayant des saillies aiguës aux faces-supérieure et inférieure. Dans ce cas aussi, l'anneau ne remplit pas com- plètement le volume libre du joint bloc-culasse, car, entre les faces de l'anneau, la culasse et le bloc-dy- lindres, il reste un espace libre; les saillies aiguës, qui pénètrent dans la culasse et le bloc-cylindres à pro- ximité de l'alésage du cylindre, peuvent provoquer une ovalisation importante de cet alésage; en outre, au re- montage de la culasse, les saillies de l'anneau peuvent ne pas s'engager dans les creux formés au premier monta- ge, ce qui nuira à la fiabilité de l'étanchéité du joint bloc-culasse. On s'est proposé de diminuer le volume de com- pression du moteur à combustion interne, en remplissant complètement le volume libre du joint bloc-culasse, ce qui permettrait de diminuer la consommation de combusti- ble, d'abaisser l'émission de fumées et la toxicité, ainsi que d'accroître la fiabilité du joint de culasse. La solution consiste en un moteur à combustion interne, comprenant un bloc-cylindres, une culasse mon- tée sur ce bloc-cylindres et un joint de culasse placé entre eux, ce joint ayant des orifices de cylindres plus grands que les alésages des cylindres et des cerclages circulaires continus ou fendus desdits orifices, moteur dans lequel, d'après l'invention, chaque cerclage est constitué par un corps déformable avec un élément le fi- xant au joint de culasse, le volume de ce corps déforma- ble correspondant au volume libre du joint bloc-culasse, limité par la culasse, le joint de culasse, le bloc-cy- lindres et le prolongement de l'alésage du cylindre, et ledit corps déformable du cerclage étant en contact avec les surfaces de la culasse et du bloc-cylindres se trou- vant entre l'orifice de cylindre du joint de culasse et l'alésage du cylindre du moteur à combustion interne. Quand le cerclage est ainsi réalisé, oh obtient un remplissage complet du volume libre du joint bloc-cu- lasse, ce qui diminue le volume de compression dans le moteur et, par conséquent, accroît le rapport du volume de la chambre de combustion au volume de compression. En outre, les surfaces de la culasse et du bloccylindres en contact avec le corps déformable du cerclage sont ex- clues du processus d'échange thermique actif entre le gaz de travail et la surface de la chambre de compres- sion, ce qui accroît le taux d'utilisation de la cha- leur dans le moteur. Tout ce qui vient d'être dit se tra- duit par un abaissement de la consommation spécifique de combustible, une diminution de l'émission de fumées et de la toxicité, ainsi que par un accroissement de la fia- 1-5 bilité et de la longévité du joint de culasse. Pour diminuer l'échange thermique entre le gaz de travail et le cerclage, il est souhaitable de réali- ser le cerclage en isolant thermique, par exemple en po- lytétrafluoréthylène. Selon les résultats des investigations, publiés par la revue "Avtomobilnaya promyshlennost" No 7, 1981, dans l'article "Influence du rapport entre le volume de la chambre de combustion et le volume de compression sur les indices du processus de fonctionnement du moteur Diesel", le remplissage total du volume libre du joint bloc-culasse se traduit par une diminution de la con- sommation spécifique de combustible de 3,8 %, de pair avec un abaissement notable de l'émission de fumées et de la toxicité du moteur à combustion interne. Selon les résultats des essais d'utilisation, les moteurs à combustion interne réalisés, d'après l'in- vention, avec des cerclages en polytètrafluoréthylène, ont une fiabilité et une longévité du joint de culasse de 3 à 4 fois plus grandes que celles des moteurs ordinaires. Dans le cas de réalisation de;moteurs à combus- tiodr interne'avec un bloc-cylindres ayant des chemises de cylindres munies de bourrelets de feu, il est avanta- geux que le corps déformable du cerclage soit réalisé étagé, sa partie plane étant mise en contact avec la cu- lasse, un étage de sa partie étagée étant mis en contact avec la face de la chemise, et le second étage de sa par- tie étagée, avec la surface supérieure du bourrelet de feu. Une telle réalisation du corps de cerclage per- met de remplir complètement le volume libre du joint bloc- culasse, limité par le bourrelet de feu et la culasse et, en outre, d'éviter l'ovalisation de la chemise au montage de la culasse. Pour simplifier le montage du cerclage dans les orifices de cylindres du joint de culasse, il est avan- tageux que les éléments de fixation du cerclage au joint de culasse soient réalisés sous la forme de triangles espacés avec des évidements pour le joint de culasse. Une particularité de la conception du moteur à combustion interne, suivant l'invention, consiste en ce qu'elle peut facilement être appliquée non seulement aux moteurs à combustion interne nouvellement conçus, mais aussi aux moteurs qui sont en service, en ajoutant à la conception ordinaire des cerclages appropriés, sans modification des pièces principales du moteur. Dans ce qui suit, l'invention est expliquée par des exemples de réalisation avec référence aux dessins annexés, dans lesquels: - la Fig. 1 représente un moteur à combustion interne suivant l'invention; - - les Fig. 2, 3, 4, 5 représentent diverses va- riantes de réalisation du cerclage placé dans le joint de culasse, suivant l'invention; - la Fig. 6 représente un joint de culasse avec son cerclage placé sur le bloc-cylindres; - la Fig. 7 représente une version de moteur à combustion interne avec des chemises de cylindres, suivant l'invention; - la Fig. 8 représente un bloc-cylindres avec une chemise et sur lequel est placé un joint de culasse assemblé avec un cerclage étagé, suivant l'invention; - la Fig. 9 représente une variante de réali- sation des éléments de fixation du cerclage au joint de culasse à l'aide d'attaches spéciales en forme de trian- gles, suivant l'invention; - la Fig. 10 représente la variante de la figure 9 en vue de dessus. Le moteur à combustion interne (figure 1) suivant l'invention comprend un bloc-cylindres 1, sur lequel est montée une culasse 2. Entre le bloc-cylindres 1 et la cu- lasse 2 est interposé un joint de culasse 3, ayant un orifice de cylindre plus grand que l'alésage du moteur. Dans l'orifice de cylindre du joint de culasse 3 est pla- cé un cerclage circulaire 4, constitué par des éléments 5, le fixant au joint de culasse 3, et par un corps déforma- ble 6. Le volume du corps 6 du cerclage 4 est choisi de façon qu'il corresponde au volume libre du joint bloc- culasse du moteur, limité par le bloc-cylindres 1, la cu- lasse 2, le joint de culasse 3 et le prolongement de l'a- lésage du cylindre 7 du moteur. Le corps 6 déformé du cer- clage 4 est en contact avec les surfaces de la culasse 2 et du bloc-cylindres 1 se trouvant entre l'orifice de cy- lindre du joint de culasse 3 et le prolongement de l'a- lésage du cylindre 7 du moteur. La position du cerclage 4 montrée sur la figure 1 est obtenue sur le moteur à combustion interne assemblé grâce à la réalisation constructive et à la déformation de son corps 6 au cours de l'assemblage du moteur à com- bustion interne, lQrs du serrage de la culasse 2. Pour que le remplissage du volume libre du joint bloc-culasse soit le plus complet possible avec des efforts de montage minimaux, le cerclage 4 est réalisé en matériau malléable à froid sous des pressions spécifiques inférieures à 1500 kg/cm2 et ayant une température maximale de service en utilisation prolongée d'au moins 230 C, par exemple en polytétrafluoréthylène. On va examiner des variantes de réalisation du cerclage 4 placé dans le joint 3 de culasse, ce cerclage pouvant être un anneau continu ou fendu. Comme le fait apparaître la figure 2, le cercla- ge 4 est constitué par un corps 6 avec des éléments de fixation au joint de culasse 3, sous la forme de collets de montage 8 dont la hauteur "h" et la largeur "a" sont choisies selon la distribution souhaitée des efforts sur lé bloc-cylindres 1 (figure 1) et la culasse 2 au montage de- la culasse 2 sur le moteur à combustion interne. Les collets 8 (figure 2) ont une hauteur "h" et une largeur "a" pouvant avoir diverses valeurs. Dans certaines varian- tes, conformément aux considérations exposées plus haut, les collets 9 (figure 3) du cerclage 4 sont réalisés de hauteurs et de largeurs différentes, c'est-à-dire que "hl" est plus grand que "h2 " et "a1" plus grand que "a2". Les collets 8, 9 (figures 2, 3, 4 et 5) sont liés au corps 6, , 11 du cerclage 4, dont le volume correspond au volume libre du joint bloc-culasse du moteur à combustion interne. Pour que le remplissage du volume libre du joint bloc-culasse soit total avec des efforts de serrage mini- maux de la culasse 2 (figure 1) au montage et pour abais- ser la pression radiale à-l'interface de l'orifice de cy- lindre du joint 3 de culasse, la section des corps défor- mables 10, 11 (figures 4,5) du cerclage 4 peut avoir une hauteur "H" plus grande dans sa partie coté alésage du cy- lindre 7 (figure 1) du moteur à combustion interne. La hauteur "H" du corps 6, 10, l l'épaisseur "H1i" du joint 3 de culasse. Quand le cerclage 4 est ainsi réalisé, son corps 6, 10, 11 se déforme au montage de la culasse 2 (figure 1), en assurant une étanchéité fiable du cylindre 7 du moteur à combustion interne et en prévenant l'action des gaz à température et pression élevées sur la surface de l'orifi- ce de cylindre du joint 3 de culasse, ce qui accroit sa fiabilité et sa longévité. Le cerclage 4 (figure 6) se monte dans l'orifice de cylindre du joint de culasse 3 à l'aide des éléments de fixation, puis, en commun avec le joint de culasse 3 il se place sur le bloc-cylindres 1. Lors du montage de la culasse 2 (figure 1) et lors de son serrage, le corps 6 du cerclage 4 se déforme et remplit le volume libre du joint bloc-culasse, en oc- cupant la position montrée à la figure 1. Le moteur à combustion interne fonctionne comme les moteurs ordinaires. Au temps de compression, le piston monte vers le point mort haut en comprimant l'air dans le cylindre 7 (figure 1) jusqu'au volume de compression- Etant donné que le volume libre du joint bloc-culasse est rempli par le corps 6 déformé du cerclage 4, le volume de compression est plus petit de la valeur du volume libre - du joint bloc-culasse, et, comme le volume de la chambre de combustion est resté inchangé, le rapport du volume de la chambre de combustion au volume de compression s'est accru; l'air qui aurait dû se trouver dans le volume li- bre du joint bloc-culasse sans participer à la formation du mélange combustible et, par conséquent, sans entretenir la combustion du combustible, a été chassé dans la cham- bre de combustion o il peut participer activement à la formation du mélange combustible et à la combustion, ce qui diminue la consommation spécifique de combustible, abaisse l'émission de fumées et la toxicité du moteur à combustion interne. En outre, grâce au corps déformé 6 du cerclage 4 les surfaces du bloccylindres 1 et de la culasse 2 avec lesquelles il est en contact sont complètement exclues du processus d'échange thermique actif entre le gaz de tra- vail et la surface de la chambre de compression, ce qui accroît le taux d'utilisation de la chaleur dans le moteur à combqstion interne, c'est-à-dire abaissé la consomma- tion spécifique de combustible. L'emploi d'un isolant thermique, par exemple du polytétrafluoréthylène, pour la fabrication du cerclage 4 accrott aussi le taux d'utilisation de la chaleur dans le moteur à combustion interne, car il diminue la perte de chaleur par la surface du cerclage 4 se trouvant du côté de la surface du cylindre 7. En étant en contact avec les surfaces du bloc- cylindres 1 et de la culasse 2, le corps 6 déformé du cer- clage 4 isole d'une manière sûre la surface de l'orifice de cylindre du joint de culasse 3 contre l'action des gaz à température et pression élevées se formant lors de la marche du moteur à combustion interne, de sorte que la fiabilité et la longévité du joint 3 de culasse s'accrois- sent. Ainsi, l'objectif de l'invention est entièrement atteint. L'efficacité de l'invention a été analysée dans divers moteurs à combustion interne fabriqués en série et se trouvant en utilisation, ainsi que dans divers proto- types. Selon la-valeur du volume libre du joint bloc-cu- lasse, l'abaissement de la consommation spécifique de com- bustible aux régimes nominaux s'est élevé à 2,5 - 5 %, et l'abaissement de l'émission de fumées à 15 - 25%, de pair avec un abaissement de la concentration d'oxydes d'azote, d'hydrocarbures et d'oxyde de carbone dans les gaz d'é- ' chappement. La fiabilité et la longévité du joint de culasse, déterminées d'après les résultats des essais d'utilisation, se sont accrues de 3 à'4 fois. Le moteur à combustion interne peut être réali- sé avec un bloc-cylindres 12 (figure 7) ayant des chemrii- ses 13 avec un bourrelet de.feu 14. Le bourrelet de feu 14 se trouve sur la face de la chemise 13, au-dessus de laquelle il dépasse en formant une surface en bout étagée. Dans ce cas, le corps déformable 15, du cerclage 16 peft être réalisé étagé, sa partie plane étant en contact avec ' la culasse 2, l'un des étages de sa partie étagée étant en contact avec la face de la chemise 13, et le second étage, avec la surface supérieure du bourrelet de feu 14. Un tel cerclage 16 (figure 8) à corps étagé 15 doit être réalisé de telle façon que la hauteur "H2" du grand étage 17 soit plus grande que la hauteur "H3" du joint de culasse 3, et la hauteur "H4" du petit étage 18, plus grande que la différence entre l'épaisseur "H3" du joint de culasse 3 et la hauteur "H5" du bourrelet de feu 14. La réalisation du corps 15 du cerclage 16 de for- me étagée et en polytétrafluoréthylène permet le remplis- sage total du volume libre du joint bloc-culasse, dont la configuration est compliquée dans ce cas, et d'éviter l'o- valisation de la chemise 13 au montage de la culasse 2 (figure 7). Pour simplifier le montage du cerclage 19 (fi- gures 9, 10) dans l'orifice de cylindre du joint 3 de cu- lasse, les éléments de fixation du cerclage 19 au joint de culasse 3 peuvent être réalisés sous la forme de trian- gles 20 espacés avec des évidements pour le joint de cu- lasse 3. Les triangles 20 sont disposés sur le corps 21 du cerclage 19, du côté attenant à l'orifice de cylindre du joint de culasse 3. Une telle réalisation des éléments de fixation du cerclage 19 permet d'automatiser l'assem- blage du cerclage 19 avec le joint de culasse 3. Il est important de noter que la conception du moteur à combustion interne suivant l'invention peut être appliquée avec succès tant aux moteurs nouvellement con- çus qu'aux moteurs en cours de fabrication et en utilisa- tion, car sa mise en oeuvre consiste à ajouter à la struc- ture traditionnelle du moteur une seule pièce, le cerclage, dont le montage ne requiert aucune modification des pièces du moteur. 4 ll R E V E N D I C A T I 0 N S REVENDICATIONS -- - Moteur à combustion interne comprenant un bloc-cylindres (1, 12), une culasse (2) montée sur ce bloc-cylindres (1, 12) et un joint (3) de culasse placé entre eux, ce joint (3) de culasse ayant des orifices de cylindres plus grands que les alésages des cylindres (7) et des cerclages circulaires (4, 16, 19) continus ou fen- dus desdits orifices, caractérisé en ce que chaque cer- clage (4, 16, 19) est constitué par un corps déformable (6, 10, 11, 15) avec des éléments (5, 20) le fixant au joint de culasse (3), le volume de ce corps déformable (6, 10, 11, 15) correspondant au volume libre du joint bloc-culasse, limité par la culasse (21, le joint de cu- lasse (3), le bloc-cylindres (1, 12) et le prolongement de l'alésage (7) du cylindre du moteur à combustion inter- ne, et ledit corps déformable (6, 10, 11, 15) du cercla- ge (4, 16, 19) étant en contact avec les surfaces de la culasse (2) et du bloc-cylindres (1, 12) se trouvant en- tre l'orifice de cylindre du joint (3) de culasse et le prolongement de l'alésage du cylindre (7) du moteur à combustion interne. 2 - Moteur à combustion interne avec un bloc-cy- lindres (12) ayant des chemises (13) munies de bourrelets de feu (14), caractérisé en ce que le corps déformable (15) du cerclage (16) est réalisé étagé, sa partie plane étant mise en contact avec la culasse (2), l'étage (17), de sa partie étagée étant mis en contact avec la face de la chemise (13), et le second étage {18) de sa partie e- tagée, avec la surface supérieure du bourrelet (14) de feu. 3 - Moteur à combustion interne selon le-s reven- dications 1 et 2, caractérisé en ce que le cerclage (4, 16, 19) est réalisé en isolant thermique, par exemple en polytétrafluoréthylène. 4 - Moteur à combustion interne selon les reven- dications 1, 2, caractérisé en ce que les éléments' (5, 20) de fixation du cerclage au joint de culasse '(3) sont réa- lisés sous la forme de triangles (20) espacés avec les évidements pour le joint (3) de culasse.