Brevet FR2596458A1 — publié le 19871002

! La présente invention concerne un moteur à piston alternatif comprenant un bloc-cylindre, au moins une culasse -de cylindre et au moins une chemise de cylindre amovible, -dans lequel un piston alternatif est disposé dans chaque chemise de cylindre de façon à pouvoir coulisser et il est prévu une chambre de combustion limitée par la culasse, la chemise et le piston alternatif, la chemise de cylindre s'appuyant sur l.e bloccylindre au moyen d'une collerette de chemise et la face frontale de la collerette de la chemise 10 située du côté de l-a culasse ayant, dans la zone voisine de la chambre de combustion, un collet pare-feu et, dans la zone restante, un évidement ouvert en sens radial vers l'extérieur avec une couronne s'élevant en direction de la culasse, dans lequel pénètre ou est placé un joint de culasse plat situé 15 entre la culasse et le bloccylindre et constitué par du métal massif. Dans tes moteurs à piston alternatif à chemises de cylindre humides amovibles, il est connu, pour assurer l'étanchéité contre la fuite de gaz de combustion entre les chemi20 ses et la culasse correspondante, d'utiliser des joints de culasse plats. Ces-joints plats sont constitués, en général, par une matière molle à renforcements métalliques et ils nt, dans la zone des chambres de combustion, une bordure métallique à section droite en U. Lorsqu'on serre la culasse 25 sur le bloc-cylindre, la bordure du joint plat du côté de la chambre de combustion est pressée contre la surface d'appui correspondante de la collerette de la chemise, avec l'obligation d'une compression minimale déterminée si l'on veut obtenir une étanchéité parfaite de la chambre de combustion. La 30 concentration nécessaire de la compression dans la zone de la bordure du joint par rapport au reste de la surface de ce dernier qui assure l'étanchéité des canaux de passage de l'eau et de l'huile entre le bloccylindre et la culasse est obtenue en général par une portée à tolérance aussi exacte que possible de la surface d'appui de la bordure d'étanchéité de la chemise de cylindre et de la surface d'étanchéité du bloc-cylindre. Cette solution présente les inconvénients suivants: - Il faut, en particulier dans la mesure o la collerette de la chemise de cylindre se trouve dans la zone de la face supérieure du bloc-cylindre, des tolérances extrêmement précises et difficiles à respecter de la profondeur du logement dans le bloc-cylindre, ainsi que de la hauteur de la collerette de la culasse. 0 - Les épaisseurs du joint de culasse, se composant souvent de plusieurs couches, dans la zone de la bordure d'étanchéité et du reste de la surface du joint, nécessitent des tolérances aussi précises que possible. - La force de tension des goujons de culasse doit être contrôlée avec des tolérances aussi étroites que possible. - Les tolérances résiduelles inévitables relatives aux dimensions et aux forces de serrage entraînent une très forte dispersion des forces de compression, en particulier 20 dans la zone de la bordure d'étanchéité. Les compressions élevées qui en résultent peuvent entraîner des déformations de la surface de glissement du piston dans la chemise de cylindre, la zone d'appui sur le bloccylindre (pour la collerette de la chemise) subissant en même temps une contrainte 25 exagérée et risquant de s'endommager, cependant que par ailleurs, la compression de la zone restante de la surface du joint est réduite, ce qui peut entraîner une étanchéité insuffisante vis-à-vis de l'eau et de l'huile. Inversement, une addition des tolérances correspondant à des forces de serrage moindres et à une faible saillie ou même à un léger retrait dûs aux tolérances, de la collerette de chemise qui s'appuie sur le bloc-cylindre, conduisent à un manque d'étanchéité vis-àvis des gaz. L'agencement décrit ne représente donc qu'un com35 promis s'accompagnant d'inconvénients considérables, en particulier pour les moteurs modernes de grande puissance et de construction légère présentant un excédent forcément réduit de force de tension des goujons de culasse, avec, en même temps, des pressions élevées dans La chambre de combustion On peut obtenir une amélioration appréciable de l'étanchéité de la chambre de combustion en utilisant, au lieu du joint de culasse composé mentionné ci- dessus, une tôle d'étanchéité massive d'épaisseur constante, qui est enfoncée,dans la zone d'étanchéité de la chemise, dans une rainure périphérique prévue dans la culasse, par une couronne 10 prévue en saillie sur la collerette d'étanchéité de la che-mise de cylindre qui s'appuie sur le bloc-cylindre, de sorte que l'étanchéité aux gaz est encore améliorée par la compression qui a lieu sur la collerette d'étanchéité de la chemise. En même temps,comme cela est en principe possible, même dans le 15 cas de l'agencement décrit précédemment l'étanchéité des canaux de passage de l'eau et de l'huile entre le bloc- cylindre et la culasse peut être obtenue de manière mieux appropriée par des éléments à élastomère incorporé. Cet agencement permet, tout en évitant le défaut d'étanchéité vis-à-vis de l'eau et 20 de l'huile grâce à l'élasticité des éléments d'étanchéité,de garantir l'étanchéité de la chambre de combustion avec,déjà, des forces de serrage réduites des goujons de culasse. Le montage décrit en dernier lieu a pour inconvénient que, de même que dans le cas de l'agencement décrit précédemment, en raison des tolérances il peut aussi apparaitre fâcheusement de fortes compressions localisées sur la surface d'appui du joint de la chemise de cylindreavec les conséquences négatives déjà mentionnées de la déformation de la surface de glissement du piston et de contraintes exa30 gérées du bloc-cylindre. En outre, la rainure pratiquée dans le fond de la culasse exige une opération coûteuse d'usinage au tour. Il faut aussi un centrage précis, également coûteux, de la culasse par rapport à la chemise, pour que la couronne en saillie sur la chemise et la rainure de 35 la culasse soient en correspondance. Un appui partiel de la culasse dans la zone restante de la surface du joint ne se produit qu'après la déformation de la culasse sous l'effet du serrage des goujons, de sorte qu'il n'y a pas de conditions définies sans ambiguité de L'appui de la culasse dans la zone restante de la surface du joint. En conséquence, l'invention a pour but principal de supprimer les inconvénients mentionnés ci-dessus, dans le cas d'un moteur à piston alternatif du type précité, et de supprimer ainsi, en même temps, les mesures coûteuses de res10 pect de tolérances serrées; en d'autres termes, l'invention cherche à garantir constamment une étanchéité sûre de la chambre de combustion, tout en permettant des tolérances larges de fabrication, c'est-à-dire des tolérances convenant à la fabrication en série des pièces coopérantes, de même qu'au 15 serrage des goujons de culasse. Ce but est atteint, selon l'invention, par le fait que la couronne est seule à présenter, dans la zone de l'évidement, c'est-à-dire sur la face frontale de- la chemise du cylindre située du côté de l'étanchéité, une partie en sail20 lie par rapport à La face frontale supérieure du bloccylindre, et cette couronne est en concordance avec le joint de culasse qui a une résistance à la compression définie, de sorte que, lorsque la culasse est serrée sur le bloc-cylindre, -le joint de culasse est toujours comprimé au-delà de sa limite 25 d'élasticité et s'assemble par encastrement de formes avec La couronne par suite de sa déformation plastique, si bien que la pénétration de la couronne dans le joint de culasse est interrompue dès que la zone restante du joint vient s:appuyer sur la face supérieure du bloc-cylindre, le joint de culasse ayant une courbe caractéristique contrainte-déforma tion telle qu'elle présente, après le dépassement de La limite d'élasticité, une zone de déformationhorizontale (c'est-à-dire à valeur constante de La pression) aussi étendue que possible. On évite ainsi que des forces de compression inds&- rablement élevées soient appliquées à la chemise et au bloccylindre, le joint de culasse prenant dans toute sa zone restante un appui défini sur la face frontale supérieure (face d'étanchéité) du bloc-cylindre sans déformation sup5 plémentaire de la culasse. La force de compression exercée sur la couronne de la chemise de cylindre est déterminée seulement par la résistance à la compression définie, que l'on peut obtenir dans des limites de tolérance étroites, du joint de culasse en acier, étant donné qu'après le dépas10 sement de la limite d'élasticité, la résistance à la compression du joint métallique et, par suite, la force de compression transmise à la chemise, restent pratiquement constantes, indépendamment de la dispersion de la valeur de la profondeur de pénétration résultant des tolérances (saillie 15 de la couronne). De plus, grâce à l'encastrement de la couronne de la chemise avec le joint de culasse, on obtient une immobilisation supplémentaire de la chemise en sens transversaL. D'autres caractéristiques de l'invention, 20 ainsi que ses avantages, ressortiront de la description donnée maintenant de plusieurs exemples de réalisation non limitatifs de l'invention; on se référera aux dessins annexes dans lesquels: - - la figure 1 est une vue en coupe longitudi25 nale d'un moteur à piston alternatif dans la zone d'un cylindre avec la chemise de cylindre et la culasse correspondantes et un dispositif d'étanchéité disposé entre ces pièces; - la figure 2 est une vue partielle agrandie 30 de la figure 1, qui correspond à la zone limitée par un cercle II sur La figure 1, montrant, après la:mise en place de la culasse, un dispositif d'étanchéilté connu placé entre la culasse et la chemise ou le bloccylindre, dans lequel une couronne prévue en saillie sur la colterette d'étanché35 ité de la chemise de cylindre enfonce un joint dans une l rainure annulaire correspondante pratiquée dans la culasse; - la figure 3 est une vue analogue à la figure 2 d'un dispositif d'étanchéité conforme à l'invention, en liaison avec une chemise mise en butée à sa partie infé5 rieure; - la figure 4 montre une variante du dispositif d'étanchéité de la figure 3; - la figure 5 est un graphique montrant la relation entre la pression et l'écrasement du joint de culasse utilisé comme représenté sur les figures 3 et 4. La figure 1 représente un moteur à piston à course alternative comprenant un bloc-cylindre 1, une culasse 2 et une chemise de cylindre 3. Celle-ci est tenue centrée dans des portées à ajustements serrés 4, 4a du bloccylindre 15 1 et elle est, en outre, rendue étanche vis-à-vis d'une enveloppe de refroidissement 6 au moyen de joints 5, 5a. Un piston 7 est monté de façon à pouvoir coulisser dans la chemise 3 et il est relié, de la façon habituelle, par l'intermédiaire d'une bielle non représentée, à un vilebrequin non représenté. Il est en ouvre prévu dans le fond de piston 7a une cavité de combustion non représentée dans laquelle du carburant est injecté de la façon usuelle par l'intermédiaire d'un injecteur non représenté. Les: soupapes représentées 8 et 9 servent, en outre, à la distribution des gaz pour la mar- 25 che du moteur à piston à course alternative. Par ailleurs, une chambre de combustion non représentée est délimitée par le fond de piston 7a, la culasse 2 et la surface de la paroi intérieure 10 correspondante (c'est-à-dire la surface de glissement du piston) de la chemise 3. Du côté de la culasse 2, la chemise 3 a une collerette 11 qui repose sur une surface radiale 12 d'un évidement 13 pratiqué dans le bloc-moteur 1 (à l'état précontraint). Entre la surface extérieure de la collerette.et la surface intérieure correspondante de l'évidement, il 35 existe unintervalle. La face de la collerette 11 de la chemise située du côté de la culasse comporte, dans la zone voisine de la chambre de combustion, un collet pare-feu 14 qui n'a qu'un Léger jeu par rapport à la culasse 2. La zone qui l'entoure en sens radial vers l'extérieur présente un évidement ouvert à configuration annulaire 15 dans lequel est placé un joint de culasse 16. La figure 2 montre un dispositif d'étanchéité connu disposé entre la culasse 2 et la chemise 3 ou le bloc10 cylindre 1, que l'on a décrit plus haut. Dans ce cas, est utilisé un joint de culasse 16 qui est en tôle métallique massive (tôle d'acier) d'épaisseur constante. En outre, la totalité de la surface 17 d'appui de joint de la chemise 3, c'est-à-dire la zone de l'évidement ouvert 15 de la colle15 rette 11 de la chemise est en saillie par rapport à la face frontale supérieure du bloc-cylindre. Sur la surface 17 d'appui de joint, il existe une couronne 18 concentrique à une rainure circulaire 19 pratiquée dans la culasse 2. Comme le montre la figure 2, Lorsqu'on serre les goujons de culasse, 20 le joint métallique 16 se déforme sur la couronne 18 dans la zone 19 de la rainure creusée dans la culasse 2, jusqu'à ce qu'il repose sur la surface 17 d'appui de joint. Avec un tel mode de réalisation, on n'obtient un appui partiel de la culasse dans la zone restante du joint, c'est-à-dire dans la 25 partie du joint située à l'extérieur de la collerette de la chemise (ou, autrement dit, dans la partie du joint comprise entre le bloc-cylindre 1 et la culasse 2), qu'après la déformation de la culasse 2 sous l'effet du serrage des goujons Il n'y a donc pas de conditions définies de l'appui de la 30 culasse dans la zone restante de La surface du joint Pour obtenir une meilleure etanchéité des passages 20 d'eau et d'huile entre le bloc-cylindre I e. La culasse 2, la figure 2 montre encore des éléments 21 à basa d'éiastomère, connus en soi, le dessin en trait =nterroripu les montrant à l'état 35 non comprimé. f Le dispositif d'étanchéité conforme à t'invention est représenté sur la figure 3. Du fait qu'il présente des avantages particuLiers pour un type de moteur à chemise 3 supportée "par le bas", on décrira L'invention en se repor5 tant à cette figure relative à un tel mode de réaLisation. La figure 3 montre, comme La figure 2, une tôle métaLlique massive d'épaisseur constante, utilisée comme joint de culasse 16. Elle peut être de La ttôle d'acier ou une autre matière de même caractéristique. Par rapport b la figure 2, seule la couronne 18, en saillie sur la colterette 11 de la chemise, a une partie saillante x par rapport à la face frontale supérieure la du bloc-cylindre. Lorsqu'on serre les goujons de maintien de la culasse, la couronne 18 pénètre dans la tôle d'acier, jusqu'à ce que le reste de la surface du joint 16 (c'est-à-dire la partie du joint comprise entre le bloc-cylindre 1 et la culasse 2) vienne s'appliquer sur la face frontale supérieure la du bloc-cylindre (autrement dit le joint 16 ne vient pas s'appuyer sur La zone de la surface du fond de l'évidement 15). Ainsi, ta tôle d'acier D 16 est déformée plastiquement, en toutes circonstances, audelà de sa limite d'élasticité, indépendamment des tolérances de la partie saillante x et de l'épaisseur du joint. Selon l'invention, [a force de compression appliquée à la couronne 18 de la collerette de la chemise est telle que la tôle 25 d'acier atteint la limite de sa résistance au-delà de sa limite d'élasticité, de sorte que la force de compression a une valeur comprise à l'intérieur des limites du tracé horizontal 30 de la courbe caractéristique 31 de la matière sur le graphique pression-écrasement de- la figure 5 o La pres30 sion est portée en ordonnées et l'écrasement en abscisses. Du fait qu'après le dépassement de la limit1e d'élasticité, la résistance à La compression de la tôle d'acier 16 et, par suite, la force de compression transmise à la chemise 3, reztent pratiquement constantes, indépendamment de la disper35 sion due aux tolérances de la profondeur réelle de pénétra tion de la partie saillante x, la force de compression transmise par l'intermédiaire de la couronne 18 est déterminée uniquement par la résistance définie à la compression de la t6le d'acier 16, que l'on peut obtenir de façon économique5 ment rentable même avec des limites étroites de tolérance. On fixe la résistance à la compression de la tôle d'acier 16, plus faible que celle de la couronne 18, ainsi que la largeur de cette dernière, de façon que la pression superficielle correspondante soit un multiple de la pression maximale à l'intérieur du cylindre, ce qui est nécessaire pour assurer une parfaite étanchéité aux gaz de la chambre de combustion. En même temps, la chemise de cylindre 3 est immobilisée en sens transversal dans le carter-moteur 1 par suite de son encastrement avec la couronne 18. Si une telle immobilisation n'est pas souhaitée, on peut réaliser, selon la variante de la figure 4, l'étanchéité de la chambre de combustion dans la zone de la chemise par un anneau d'étanchéité 2 2 séparé du reste de la surface du joint 23. Les deux éléments d'étanchéité 2 2, 23 20 peuvent être en des matières différentes. Ils peuvent avoir aussi des épaisseurs différentes. L'avantage de ce type de construction du moteur à chemise de cylindre 3 à l'état contraint supportée par le bas dans le bloc-cylindre 1 par la surface radiale 12, 25 consiste en ce que le risque d'une déformation inadmissible par les forces de compression appliquées par l'intermédiaire du joint de culasse 16, est exclu, par suite de la suppression conformément à l'invention des forces de compression élevées résultant des tolérances. Ainsi, on assure non seulement une bonne étanchéité de la chambre de combustion, mais également un "cylindricité" parfaite de la surface de glissement du piston. Quand le dispositif d'étanchéité est soumis à une charge dynamique par l'effet de la pression des gaz, il 35 se produit, par suite de la tendance au soulèvement de la 1 0 culasse 2, une réduction de la pression sur la couronne 18, ainsi que sur la surface d'appui 12 de la chemise, ce qui peut nuire à la fois au maintien de la chemise 2 et à la qualité de l'étanchéité. Un autre avantage (tout à fait général) de la chemise supportée par le bas provient alors de ce que la réduction de compression dynamique est beaucoup moins prononcée, par suite de la longueur importante 24 contrainte élastiquement de la chemise 3, que dans le cas des chemises supportées par le haut, parce qu'une chemise 3 à plus grande longueur contrainte élastiquement suit beaucoup mieux la tendance au soulèvement de la culasse 2 qu'une chemise contrainte sur une courte longueur seulement. En dehors de la diminution de compression due à la tendance au soulèvement de la culasse 2, une réduction de 15 la pression du dispositif d'étanchéité peut avoir lieu supplémentairement et localement sous l'effet d'une déformation vibratoire en calotte (respiration) de la culasse 2 serrée ponctuellement par les goujons. La diminution de pression locale provoquée en soi par cette déformation de la culasse 20 2 (en raison des pointes de pression pulsatoires de la chambre de combustion) ne peut être suivie par la culasse 3 contrainte élastiquement sur la longueur 24 seule. On calcule, par suite, la hauteur 25 de la couronne 18 et l'épaisseur de la tôle d'acier 16 de façon que, après montage, la hauteur - 25 26 contrainte élastiquement des éléments d'étanchéité suffise à éviter les diminutions de pression locales inadmissibles grâce à un effet d'hystérésis élastique. La figure 5 est un graphique montrant l'évolution de la contraintedéformation en fonction de la pression. En ordonnées la pression est exprimée en Wmm et l'écrasement en abscisses est exprimé en pourcentage. Dans ce cas, on obtient pour le joint de culasse métallique utilisé (joint en acier à caractéristique déterminée ou autres matières d'étanchéité de même caractéristique) une ligne 31 typique de la matière 35 parfaitement déterminée. On y distingue ce qui suit. La zone 27 représentant une zone de compression à plus grande pente présente seulement une zone d'écrasement 28 réduite. Par contre, après le dépassement de la limite d'élasticité, il n'apparaît plus que de faibles différences d'effort de compression 29 mais la déformation de la matière ou, mieux, la zone de déformation 30 est très importante. Le tracé horizontal 30 de la ligne 31 caractéristique de la matière garantit ainsi pratiquement une force de compression cons-. tante appliquée à la chemise 3. Le dispositif d'étanchéité de l'invention procure en particulier une étanchéité convenable de la chambre de combustion dans les moteurs modernes à forte compression (moteurs à forte suralimentation et à fort taux de compression), tout en garantissant en même temps une bonne "cylin15 dricité" de la surface de glissement du piston, ce qui est particulièrement important pour un fonctionnement sûr pendant une longue durée. -Bien entendu, le dispositif d'étanchéité de l'invention permet également d'apporter une solution à d'autres montages étanches comportant des difficultés analogues. Il est possible aussi de placer la-couronne 18 sur la culasse 2, au lieu de la prévoir sur la chemise 3. R E V E ND I C A T I O N S 1. Moteur à piston à course alternative comprenant un bloc-cylindre, au moins une culasse de cylindre et au moins une chemise de cylindre amovible, dans lequel un piston alternatif est disposé dans chaque chemise de cylindre de façon à pouvoir coulisser et il est prévu une chambre de combustion limitée par la cuLasse, la chemise et le piston alternatif, la chemise de cylindre s'appuyant sur le bloc-cylindre au moyen d'une collerette de chemise et la face 10 frontale de la collerette de la chemise située du côté de la cula se ayant, dans la zone voisine de la chambre de combustion, un collet pare-feu et, danrs la zone restante, un évidement ouvert en sens radial vers l'extérieur avec une couronne s'élevant en direction de la culasse, dans lequel pénètre ou 15 est placé un joint de culasse plat situé entre la culasse et le bloc-cylindre et constitué par du métal massif, caractérisé en ce que la couronne (18) est seule à présenter, dans la zone de l'évidement (15), c'est-à-dire sur la face frontale de la chemise de cylindre (3) située du côté de l'étan20 chéité, une partie saillante (x) par rapport à la face frontale supérieure (la) du bloc-cylindre (1), et cette couronne (18) est en concordance avec le joint de culasse (16), qui a une résistance à la compression définie, de sorte que, lorsque la culasse (2) est serrée sur le bloc-cylindre (1), 25 le joint de culasse (16) est toujours comprimé au-delà de sa limite d'élasticité et s'assemble par encastrement de formes avec la couronne (18) par suite de sa déformation plastique, si bien oue la pénétration de la couronne (18) dans le joint de culasse (16)- est interrompue dès que la zone 30 restante du joint vient s'appuyer sur la face frontale (la) du bloc-cylindre (1), le joint de culasse (16) ayant une courbe caractéristique contrainte-déformation (31) tellequ'elle présente après le dépassement de la limite d'étasticité, une zone de déformation horizontale (c'est-à-dire valeur constante de la pression) aussi étendue que possible. 2. Moteur à piston selon la revendication 1, caractérisé en ce que la hauteur (Z5) de la couronne (18) et L'épaisseur du joint métallique (16) sont calculées de façon que, après montage, la hauteur (26) des éléments d'étanchéité modifiée élastiquement est suffisante à éviter des diminutions de pression locale inadmissibles grâce à un effet d'hystérésis élastique. 3. Moteur à piston selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le joint de culasse (16) comprend un anneau d'étanchéité (2 2) spécialement destiné à l'étanchéité aux gaz dans la zone de la chemise de cylindre et un élément d'étanchéité (23) dans la zone du bloc-cylindre, l'anneau d'étanchéité (22) pouvant se différencier de l'élément d'étanchéité (23), tant en ce 15 qui concerne la matière qu'en ce qui concerne l'épaisseur.