Brevet FR2717719A1 — publié le 19950929

Dans les moteurs diesels ou essence de nouvelle génération (turbocompressés ou atmosphériques), le nombre de chevaux par litre de cylindrée a fortement augmenté, entraînant des températures de fonctionnement au niveau des culasses en alliage d'aluminium qui atteignent les limites acceptables pour les matériaux utilisés. Les sollicitations thermomécaniques à haute température entraînent des criques de fatigues thermiques très importantes dans les zones intersièges des chambres de combustion ou entre les préchambres et les sièges de soupape dans les culasse diesel. Pendant la période de garantie du moteur, le nombre de "cycles thermiques" auxquels devra résister la culasse est généralement compris entre 104 et 105 (ce nombre est assimilé au nombre d'événements démarrage/arrêt du 1 0 moteur). Les facteurs influençant le plus la fatigue thermique des culasses sont, dans l'ordre d'importance: 1. le dessin et la conception de la culasse, spécialement dans la région des chambres de combustion, le but étant d'abaisser le plus possible les températures superficielles de fonctionnement dans les zones intersiège des chambres de 1 5 combustion. 2. la mise en place d'insert intersièges, permettant de diminuer la contrainte engendrée par la dilatation des sièges de soupape dans les zones intersièges. 3. l'amélioration de la santé métallurgique dans ces zones lortement sollicitées des culasses par une technique de fonderie appropriée, permettant l'obtention d'une structure fine (vitesse de solidification élevée) et l'absence de microporosité (métal bien dégazé, alimentation correcte des zones concernées). 4. Le choix de l'alliage d'aluminium sur lequel, bien souvent, les avis divergent. Sur les moteurs les plus sollicités, l'optimisation maximum et conjuguée des quatre facteurs énumérés ci-dessus peut ne pas suffire ou ne pas donner une solution réellement satisfaisante (les culasses ne tiennent pas dans les conditions de conduite les plus sévères). La méthode décrite ici permet d'apporter une nouvelle solution permettant de repousser les limites d'utilisation en température dans les culasses en alliage d'aluminium pour les moteurs hautement sollicités, spécialement les moteurs diesel turbocompressés. -2- La conception des sièges de soupape actuels se traduit par une contrainte de compression importante dans la zone intersiège des chambres de combustion: en effet, ces sièges sont emanchés à force. De plus, lors du cycle de démarrage, les sièges de soupape s'échauffent très vite, se dilatent et augmentent ainsi fortement la contrainte de compression dans les ponts intersièges. Afin de minimiser les contraintes dans les zones intersièges, je préconise la mise en place d'inserts de sièges de soupape directement à la coulée; chacun des inserts de siège sera relié à ses voisins par un pontet qui facilitera la mise en place de tous les inserts en une seule opération et qui, surtout, limitera la contrainte dans les ponts intersièges (voir Figure 1.). En insérant les sièges de soupape à la coulée, on supprime la contrainte de compression engendrée par la méthode classique de mise en place des inserts par frettage, mais il faut que les sièges soient correctement maintenus pendant le fonctionnement du moteur: pour ce faire, la technologie de surmoulage des inserts va être prépondérante, ainsi que le matériau utilisé pour fabriquer ces inserts de siège. La Figure 1 donne un exemple de conception d'inserts de siège pour une culasse turbodiesel. Une grande variété de dessins et de formes sont possibles, le but étant d'avoir une liaison (notamment à chaud) aussi bonne que possible entre les sièges et la table de la culasse. Les ponts de liaison entre les sièges doivent toujours exister pour réduire au maximum la contrainte de compression dans les zones intersièges. Sur l'exemple de la Figure 1, la forme de l'insert est à contre dépouille, ce qui renforce la liaison insert - table lorsque l'insert s'échauffe. La figure 2 donne un exemple de conception d'une culasse 16 soupapes turbocompressée essence. Pour qu'une telle solution donne satisfaction, il faut choisir judicieusement le matériau de l'insert d'une part, et résoudre les problèmes d'interface siège - table de culasse d'autre part. Pour le matériau de l'insert, il faut un coefficient de dilatation voisin de celui de l'alliage d'aluminium, une bonne tenue à chaud, une bonne tenue à la fatigue thermique et un bon coefficicnt de frottcment. Jc propose donc dc réaliser ces inscrts en cuprocobalt béryllium. Ccs alliages, en effet, remplissent toutes les qualités requises: -3 - - ils sont d'une mise en oeuvre relativement aisée, par emboutissage, forgeage ou moulage. - leur coefficient de dilatation est de 17,8.10-6, donc très voisin de celui des alliages d'aluminium utilisés pour la fabrication des culasses. - à l'état trempé revenu, les propriétés mécaniques sont très élevées, tant à l'ambiante qu'à température élevée. - la conductibilité thermique est très élevée, ce qui aura pour conséquence de diminuer la température de l'insert en fonctionnement par rapport aux solutions classiques, d'autant plus que la liaison atomique insert - alliage d'aluminium (qui 1 0 va être décrite plus loin) va favoriser l'évacuation des calories. - le coefficient de frottement des alliages cuprocobalt béryllium est très supérieur à celui des sièges classiques, évitant ainsi tout risque de grippage des soupapes. D'autres alliages comme le cuivre béryllium, le cuivre cobalt zirconium, le cuivre nickel chrome, le cuivre zirconium (ou autres) peuvent convenir, mais les alliages cuivre - cobalt - béryllium i 5 semblent donner le compromis le plus intéressant de propriétés physiques et mécaniques (voir Tableau I). Les inserts peuvent être obtenus soit par emboutissage (pour les plus simples), soit par forgeage, soit par moulage (coquille ou cire perdue). La coulabilité de ces alliages étant excellente, on pourra obtenir, notamment en cire perdue, des formes très complexes, à des épaisseurs allant jusqu'à 1,5 à 1 mm. Une fois obtenus, les inserts subiront un traitement de trempe consistant en une mise en solution de 1 heure à 4 heures à 910 - 925 C, suivie d'une trempe à l'eau. Ensuite, on procédera à une électrodéposition d'aluminium en bain organique sur une épaisseur de 80 à 150 Him afin d'obtenir une liaison atomique aussi parfaite que possible au moment du surmoulage avec la matrice aluminium de la culasse. Ce traitement d'électrodéposition d'aluminium est couramment utilisé aujourd'hui comme traitement anticorrosion, et peu onéreux. D'autres préparations, comme un trempage des inserts correctement nettoyés dans un bain d'aluminium liquide (procédé Alfine), ou un dépôt électrolytique de zinc ou d'argent, ou encore une galvanisation à chaud pourraient également être utilisés; un dépôt d'argent présente l'inconvénient de son prix, mais sera très favorable pour l'obtention d'une bonne liaison atomique, étant donné que l'argent ne s'oxyde pas au-delà de 167 C. -4 - Au moulage, les inserts sont mis en place sur les broches de chambre de combustion; les inserts seront manipulés avec des outils appropriés et propres (jamais avec les doigts ou des gants) afin de ne pas polluer les surfaces. Cette mise en place peut se faire à l'aide de systèmes automatiques, avec préchauffage éventuel des inserts avant mise en place dans le moule. Après la mise en place des inscrts, les opérations de moulage vont se poursuivre normalement. Le métal liquide (alliage d'aluminium) qui arrive autour de l'insert va refondre la couche extérieure d'aluminium ou de zinc de l'insert (ou la diffusion de la couche d'argent), et permettre ainsi une liaison structurale (ou atomique) aussi parfaite que possible. A noter que les broches de chambre de combustion seront conçues de telle façon qu'on ait une faible inertie thermique, pour permettre, après surmoulage de l'insert et fusion de la couche d'aluminium (ou autre) préalablement déposée sur l'insert, un refroidissement contrôlé dans les chambres de combustion pour l'obtention d'une bonne santé métallurgique. Lors du traitement de mise en solution ultérieure de la culasse, les inserts vont subir leur traitement de revenu, les températures de traitement étant très voisines. 1 5 Pour des culasses particulièrement sollicitées essence ou diesel, turbocompressées ou atmosphériques, on pourra concevoir des inserts plus complexes, englobant l'ensemble de la surface des chambres de combustion, les puits de bougies, les logements de préchambre. De tels inserts de forme complexe peuvent aisément être obtenus par moulage en cire perdue. -5- TABLEAU I. Propriétés des alliages cuivre-cobalt-béryllium COMPOSITION CHIMIQUE Co: 2 à 2,7 %; Be: 0,3 à 0,7 % Autres: maxi: 0,5 % Reste: Cu CARACTERISTIQUES PHYSIQUES Densité: 8,75 Conductibilité thermique: 200 - 230 W/m k Température de fusion: I 030 - I 070 C Coefficient de dilatation entre 20 et 300 C: 17,8.10-6 CARACTERISTIQUES MECANIQUES Etat trempé revenu Module de Young: 120 000 MPA Résistance à la traction: > 600 MPA Limite élastique à 0,2 % > 520 MPA |Allongement > 6% Dureté Brinell > 210 -6- REVENDICATIONS 1. Culasse de moteurs essence ou diesel en alliage d'aluminium comportant des inserts de sièges de soupape, ou de chambre de combustion directement insérés à la coulée. 2. Culasse de moteur selon la revendication 1 comportant des inserts de sièges de soupape ou de chambre de combustion caractérisés en ce qu'ils sont réalisés dans un alliage dont le coefficient de dilatation est proche de celui de l'aluminium, tels que les alliages cuivre béryllium, cuivre cobalt béryllium, cuivre nickel chrome, cuivre nickel béryllium, cuivre chrome zirconium ou équivalent. 3. Culasse de moteur selon la revendication 1 à 2 comportant des inserts de sièges de soupape ou de chambre de combustion caractérisés en ce que les alliages qui les composent ont de bonnes propriétés mécaniques à chaud, un bon coefficient de frottement et une conductibilité thermique élevée en général supérieure à celle de l'alliage d'aluminium constitutif de la culasse. 4. Culasse de moteur selon les revendications I à 3 comportant des inserts de sièges de soupapes ou de chambre de combustion fabriqués par usinage, emboutissage, forgeage ou moulage. 5. Culasse de moteur selon les revendications 1 à 4 comportant des inserts de sièges de soupape ou de chambre de combustion en alliage de cuivre (ou équivalent) sur lesquels sont effectués des traitements de mise en solution et trempe. 6. Culasse de moteur selon les revendications 1 à 5 comportant des inserts de sièges de soupapes ou de chambres de combustion, qui, après les traitements de mise en solution et trempe, vont subir l'une des préparations de surface suivantes (après nettoyage adéquat des surfaces): - soit une électrodéposition d'aluminium en bain organique (épaisseur 50 à gm, par exemple), - soit une électrodéposition de zinc, - soit une électrodéposition d'argent, - soit une galvanisation à chaud. 7. Culasse de moteur selon les revendications 1 à 6 comportant des inserts de sièges de soupape ou de chambres de combustion qui vont être surmoulés au moment de la coulée de la culasse, avec refusion partielle ou complète de la couche extérieure d'aluminium (ou la diffusion -7- de la couche d'argent si cette dernière a été utilisée) permettant ainsi une liaison structurale (atomique) aussi parfaite que possible entre les inserts et la matrice aluminium de la culasse. 8. Culasse de moteur selon les revendications 1 à 7 comportant des inserts de sièges de soupape ou de chambre de combustion caractérisés en ce qu'ils vont subir le durcissement par revenu pendant le traitement de mise en solution de la culasse en aluminium.