Brevet FR2776022A1 — publié le 19990917

L'invention concerne un bloc-cylindres pour un moteur à combustion interne, possédant une partie inférieure en métal léger et une partie supérieure en métal léger, des paliers pour un vilebrequin et au moins un cylindre. S'agissant d'un moteur à combustion interne dont la partie supérieure et la partie inférieure sont faites de métaux légers, d'aluminium ou de magnésium par exemple, il se pose très fréquemment des problèmes au sujet des paliers pour le vilebrequin, fabriqué d'un matériau ferreux, du fait que le jeu et la forme des paliers changent lors de variations de la température à cause des coefficients de dilatation thermique différents du matériau du bloc-cylindres et du matériau du vilebrequin. Quand la température s'élève, l'alésage de palier s'agrandit et cela d'un facteur beaucoup plus important que l'augmentation du diamètre des tourillons du vilebrequin. Les élévations de température produisent donc un jeu de palier accru entre l'alésage de palier dans le bloc- cylindres et le vilebrequin se trouvant dans cet alésage, ce qui entraîne d'importants débits d'huile et une diminution de la pression d'huile, une augmentation des bruits de marche et une diminution de la capacité de charge dans le jeu de graissage des alésages des paliers de vilebrequin. Il en découle l'inconvénient supplémen- taire, pour de tels blocs-cylindres en métaux légers, en raison de la différence entre les coefficients de dilatation thermique du vilebrequin et du bloc-cylindres, que les diamètres de l'alésage des paliers de vilebrequin et des tourillons du vilebrequin doivent généralement être choisis de telle sorte que le vilebrequin se bloque dans ses paliers à très basses températures. Un autre inconvénient est la résistance relativement faible des blocscylindres décrits, ce qui oblige à surdimensionner les perçages, en particulier pour les trous taraudés destinés à recevoir les vis de culasse et les vis des paliers principaux, de même que ces vis elles- mêmes, afin d'obtenir une capacité de charge suffisante des filetages. Le document DE 35 42 137 C2 tente de résoudre le problème de la différence de dilatation du bloc-cylindres et du vilebrequin à l'élévation des températures, ainsi que la sollicitation thermique qui y est liée des différentes pièces, en combinant une partie supérieure du bloc-cylindres en métal léger à un chapeau de palier en fonte grise, lequel doit donc servir de partie inférieure du bloc-cylindres. Le matériau de ce chapeau de palier correspond essentiellement, pour ce qui concerne son comportement de dilatation thermique, à celui du vilebrequin. Bien que l'on obtienne ainsi un jeu de palier un peu plus faible, les coefficients de dilatation thermique très différents de la partie supérieure du bloc-cylindres et du chapeau de palier engendrent des contraintes quand les températures s'élèvent et on obtient alors des alésages de palier dont la section droite s'écarte très fortement de la forme circulaire idéale. Il en résulte de nouveau, comme déjà mentionné précédemment, d'importants débits d'huile et une diminution de la pression d'huile. Le document EP 0 695 866 A1 décrit un autre bloc-cylindres pour un moteur à combustion interne. Une pièce en fonte grise, définissant à la fois la surface de frottement pour le piston et les paliers pour le vilebrequin, est contenue dans ce cas dans un enrobage d'aluminium. Pour des moteurs à plusieurs cylindres, on obtient donc un bloc de base continu en fonte grise, qui assure d'une part le support en rotation du vilebrequin et forme d'autre part une surface de frottement pour chaque piston. Ce bloc-cylindres a cependant l'inconvénient des fortes différences, pour ce qui concerne les coefficients de dilatation thermique, entre le bloc de base en fonte grise et l'enrobage d'aluminium. Dans le cas d'un moteur à plusieurs cylindres, les dilatations et déformations produites à l'élévation de la température peuvent devenir telles que le fonctionnement du moteur risque d'être effectué sérieusement. Si une telle déformation est entravée, une rupture de l'ensemble du bloc- cylindres est tout à fait possible. Un autre inconvénient du bloc-cylindres décrit dans le document cité en dernier est le fait que la surface de frottement pour les pistons est faite de la même fonte grise que l'ensemble du bloc de base, de sorte qu'un optimum tribologique vis-à-vis de la portée des pistons ou des segments de piston n'est pas obtenu. En revanche, si le matériau du bloc de base est choisi en fonction d'aspects tribologiques, on n'obtient pas d'optimum quant à la résistance. Le but de l'invention est donc de créer un bloc-cylindres pour un moteur à combustion interne, qui représente une solution satisfaisante tant en ce qui concerne ses propriétés de dilatation thermique et ses caractéristiques de résistance qu'en ce qui concerne la tribologie vis-àvis du piston. Partant d'un bloc-cylindres comme spécifié au début, on obtient ce résultat, conformément à l'invention, par le fait que des pièces incorporées ou inserts sont inclus à la coulée dans la partie inférieure et la partie supérieure du bloc-cylindres, dans la zone des paliers pour le vilebrequin, les inserts étant faits d'un matériau ayant un plus haut module d'élasticité et un plus bas coefficient de dilatation thermique que le métal léger pour la partie inférieure et la partie supérieure du bloc-cylindres, et les inserts étant réalisés comme des éléments particuliers mutuellement séparés dans l'espace pour chaque palier. Le haut module d'élasticité du matériau des inserts augmente considérablement la résistance et la capacité de charge de tout le bloc- cylindres. La transmission de contraintes éventuellement produites dans l'insert, ou le cumul de dilatations sur toute la longueur du bloccylindres, sont évités parce que les inserts sont seulement prévus aux paliers et ne présentent pas de liaison axiale entre eux. Comme le coefficient de dilatation thermique des inserts est inférieur à celui de la partie supérieure et de la partie inférieure du bloc- cylindres, donc plus proche du coefficient de dilatation thermique du vilebrequin, on obtient un palier, plus exactement un alésage de palier pour le vilebrequin, qui présente également à des températures relativement élevées une circularité très uniforme, en raison du développement concentrique de la dilatation thermique, de même qu'une fente ou jeu de graissage uniforme, ce qui produit des débits d'huile plus faibles, et une pression d'huile constante. Les inserts sont réalisés de manière que la chemise constituant la surface de frottement du piston puisse être choisie selon les besoins puisque les chemises ne sont pas intégrées dans les inserts. D'autres caractéristiques, avantages et développements de l'invention ressortiront plus clairement de la description qui va suivre d'un exemple de réalisation non limitatif, ainsi que des dessins schématiques annexés, sur lesquels: - la Figure 1 est une coupe transversale d'un bloc-cylindres selon l'invention; - la Figure 2 est une coupe longitudinale prise suivant la ligne II- II de la Figure 1i; et - la Figure 3 est une coupe longitudinale prise suivant la ligne III- III de la Figure 1. Selon la Figure 1, un bloc-cylindres 1 est composé d'une partie supérieure la et d'une partie inférieure lb. À la hauteur d'un plan de joint 2 entre ces deux parties du bloc-cylindres, se trouve un palier, plus exactement un alésage de palier 3 pour un vilebrequin 4. Des cylindres 5 se trouvent dans le côté éloigné de l'alésage de palier 3 de la partie supérieure la, laquelle est réalisée dans cet exemple pour un moteur à combustion interne - lequel n'est pas représenté dans sa totalité - du type à cylindres en V. Plusieurs cylindres 5 sont disposés en l'occurrence l'un derrière l'autre dans le sens de la longueur du bloc- cylindres 1, raison pour laquelle ce dernier présente également plusieurs paliers 3. En règle générale, le nombre de paliers 3 dépasse toujours d'un le nombre de cylindres 5 par rangée. La description suivante du bloc-cylindres 1 se rapporte à un moteur à douze cylindres 5 en V, mais il est évident que le bloccylindres 1 est applicable aussi, sans problème, à un moteur comportant un nombre plus faible ou plus élevé de cylindres ou à un moteur du type à cylindres en ligne. Des pièces incorporées à la coulée ou inserts 6 sont disposés à l'intérieur du bloc-cylindres 1; plus exactement, des inserts supérieurs 6a se trouvent dans le matériau de la partie supérieure la et des inserts inférieurs 6b se trouvent dans la partie inférieure lb du bloc-cylindres. Les inserts inférieurs 6b s'étendent depuis le plan de joint 2 jusqu'en bas de la partie inférieure lb. Les inserts supérieurs 6a s'étendent depuis le plan de joint 2 et en forme de U le long des deux cylindres 5 jusqu'à des trous 7 prévus dans la partie supérieure la pour des vis de culasse non représentées. En prenant en considération les deux cylindres 5 visibles dans la coupe transversale de la Figure 1, on obtient, pour chaque insert supérieur 6a, quatre terminaisons 8 des zones en U de ces inserts, terminaisons qui longent latéralement les cylindres 5 et sont chacune pourvues d'un trou taraudé 9 pour la réception d'une vis de culasse. Les trous taraudés 9 sont alignés avec les trous 7 de la partie supérieure la du bloc-cylindres. Dans la zone des fins de filets respectives des trous taraudés 9, les inserts supérieurs 6a présentent des cavités 10 dans lesquelles s'écoule le matériau de la partie supérieure la pendant la fabrication - décrite par la suite - du bloc-cylindres 1. Les cavités 10 sont définies de manière connue par des noyaux placés dans le moule pour les inserts supérieurs 6a. Cette disposition procure d'une part un assemblage par imbrication de la partie supérieure la avec les inserts supérieurs 6a et permet d'autre part une diminution des contraintes aux fins de filets des trous taraudés 9. Lors de la description des matériaux pour la partie supérieure la du bloc-cylindres et les inserts supérieurs 6a, il sera encore question plus en détail de la signification des cavités 10. Pour que la partie supérieure la puisse être reliée à la partie inférieure lb du bloc-cylindres, les inserts inférieurs 6b présentent plusieurs trous traversants 11 qui se prolongent à travers le plan de joint 2 jusque dans les inserts supérieurs 6a o ils se terminent par des trous taraudés 12. Les trous traversants 11 et les trous taraudés 12 permettent d'assembler la partie supérieure la à la partie inférieure lb du bloc-cylindres par des vis - non représentées - de paliers principaux. Par la réalisation et la disposition décrites des trous taraudés 9 et 12, on obtient dans les inserts supérieurs Ga une transmission de forces à partir des trous taraudés 9 pour les vis de culasse, à travers les terminaisons 8, jusqu'à l'alésage de paliers 3 et aux trous taraudés 12 pour les vis de paliers principaux. Au droit des fins de filets des trous taraudés 12, se trouvent, comme pour les trous taraudés 9 dans les terminaisons 8, des cavités 13 dans lesquelles s'écoule de nouveau le matériau de la partie supérieure la du bloc-cylindres 1. En vue de l'assemblage par imbrication de ce dernier avec les inserts 6, encore d'autres cavités 14 à remplir par le matériau du bloc-cylindres 1 sont disposées réparties sur la section des inserts 6. L'alésage de palier 3 contient deux coussinets 15 réalisés de façon connue pour recevoir le vilebrequin 4 et le supporter de manière appropriée pendant sa rotation. De plus, la partie supérieure la, les inserts supérieurs 6a et les coussinets 15 sont traversés de canaux principaux de graissage 16, également connus, pour amener de l'huile de graissage au vilebrequin 4 dans les paliers 3. La Figure 2 montre une coupe longitudinale de la partie supérieure la avec les cylindres 5, dans lesquels sont placées des chemises 17 pour les pistons, non représentés. Les chemises 17 peuvent être faites de tout matériau désiré représentant un partenaire tribologique adéquat pour les pistons. La Figure 2 montre également la conformation des inserts supérieurs 6a dans la zone de l'alésage de palier 3. On peut ainsi voir que, dans la zone autour de l'alésage 3 ou autour des coussinets 15, non représentés sur la Figure 2, les inserts supérieurs 6a sont pourvus d'élargissements axiaux 18 afin qu'ils constituent une plus grande surface de support pour le vilebrequin 4 ou, plus exactement, les coussinets 15. Les élargissements 18 contiennent des gorges périphériques de graissage 19 qui communiquent avec le canal principal de graissage 16 pour l'alimentation en huile du vilebrequin 4. Il ressort aussi de la Figure 2 qu'un insert supérieur 6a est prévu dans la partie supérieure la entre chaque fois deux cylindres 5, entre lesquels la partie supérieure la du bloc-cylindres forme une cloison 20. Cependant, les inserts supérieurs 6a ne sont pas reliés entre eux en direction axiale, mais sont réalisés au contraire comme des éléments particuliers, séparés les uns des autres dans l'espace. Ainsi, des contraintes éventuellement produites par des dilatations thermiques différentes des inserts 6, du bloc-cylindres 1 ainsi que du vilebrequin 4, ne peuvent pas être transmises d'un insert 6 à l'autre, ce qui permet d'empêcher la déformation de l'ensemble du bloc-cylindres 1 ainsi que de l'alésage de palier 3. La configuration des inserts inférieurs 6b, pourvus également d'élargissements axiaux 18 dans la zone de l'alésage de palier 3, ressort de la Figure 3. Il va de soi que les inserts inférieurs 6b sont disposés en alignement avec les inserts supérieurs 6a. Généralement, les inserts 6 ont une épaisseur d'environ 3-4 mm, mais des élargissements circulaires non représentés sur le dessin - sont prévus au droit des trous taraudés 9 et 12 ainsi que du canal principal de graissage 16 afin de permettre leur perçage avec les diamètres chaque fois nécessaires. Les inserts inférieurs 6b présentent également des élargissements dans la zone des trous traversants 11 pour les vis des paliers principaux. Selon les Figures 2 et 3, les inserts 6 présentent en outre des saillies 21 qui contribuent à l'obtention d'un meilleur assemblage par imbrication du bloc-cylindres 1 avec les inserts 6. À la place des saillies 21, on peut prévoir aussi, ce qui n'est pas représenté, des évidements dans les inserts 6. Comme matériau pour le bloc-cylindres 1, on a choisi en l'occurrence un métal léger, de l'aluminium ou du magnésium par exemple. Le vilebrequin 4 par contre est fait d'un matériau ferreux dont le coefficient de dilatation thermique est nettement plus faible que celui du métal léger du bloc-cylindres 1. Le matériau pour les inserts 6 est choisi, pour ce qui concerne son coefficient de dilatation thermique, de manière que ce coefficient soit plus proche de celui du vilebrequin 4 que de celui du bloc- cylindres 1. De cette manière, en raison de la similitude des coefficients de dilatation thermique des inserts 6 et du vilebrequin 4, il ne se pose pas de problèmes thermiques lorsque les températures augmentent; en particulier, il ne se produit pas de déformation de l'alésage de palier 3. Le matériau pour les inserts 6 présente un module d'élasticité relativement haut en comparaison avec le matériau pour la partie supérieure la et la partie inférieure lb du bloc-cylindres, ceci aussi afin d'assurer la résistance et la stabilité requises de l'ensemble du bloc-cylindres 1. Les inserts 6 ont notamment un module d'élasticité et un coefficient de dilatation thermique voisins du module d'élasticité et du coefficient de dilatation thermique du vilebrequin 4. Il est à noter à cet égard qu'un haut module d'élasticité accroît en outre les résistances des parties dans lesquelles sont formés les trous taraudés 9 et 12, de sorte que ces trous sont réalisables avec des diamètres plus petits et des filetages intérieurs fins relativement courts. Les cavités 10 et 13, orientées perpendiculairement à l'axe des trous taraudés 9 et 12, sont prévues pour reporter les fins de filets des trous 9 et 12 dans le métal léger de la partie supérieure la du bloc- cylindres. Des contraintes beaucoup plus faibles sont ainsi produites sur ces fins de filets que dans le matériau des inserts supérieurs 6a, lequel, faut-il le rappeler, présente un module d'élasticité beaucoup plus haut. Comme matériaux concrets, on peut utiliser en l'occurrence de la fonte grise, comme par exemple GGV ou GGG 50-70 pour les inserts 6, auquel cas la partie supérieure la et la partie inférieure lb du bloc-cylindres sont faites d'un matériau à base d'aluminium. Si ces deux parties du bloc- cylindres sont faites au contraire d'un matériau à base de magnésium, les inserts 6 peuvent être faits d'un matériau à base d'aluminium, par exemple d'aluminium hypereutectique ou d'aluminium compacté par pulvérisation. Sont possibles, en principe, toutes les combinaisons concevables permettant d'éviter des problèmes thermiques par une adaptation des coefficients de dilatation thermique au vilebrequin 4. Le procédé pour fabriquer le bloc-cylindres 12 est mis en oeuvre comme décrit ci-après. Dans un moule de coulée non représenté pour la partie supérieure la, on dispose, pour chaque palier 3, un insert supérieur 6a dans des évidements prévus à cet effet, puis on coule autour de ces inserts le matériau pour la partie supérieure la du bloc-cylindres. Dans un moule de coulée pour la partie inférieure lb, qui n'est pas non plus représenté, on dispose, pour chaque palier 3, un insert inférieur 6b correspondant, puis on coule autour de ces inserts le matériau pour cette partie inférieure lb du bloc-cylindres. Pendant la coulée, le bloccylindres 1 et les inserts 6 sont assemblés par imbrication grâce aux cavités 10, 13 et 14 décrites précédemment. Les moitiés du bloc- cylindres 1, ainsi obtenues par la coulée, sont usinées ensuite de manière connue par enlèvement de copeaux, munies de coussinets 15 et reliées l'une à l'autre par des vis de paliers principaux engagées dans les trous traversants 11 et vissées dans les trous taraudés 12. R E V E N D I C A T I ONS 1. Bloc-cylindres pour un moteur à combustion interne, possédant une partie inférieure (lb) en métal léger et une partie supérieure (la) en métal léger, des paliers (3) pour un vilebrequin (4) et au moins un cylindre (5), caractérisé en ce que des pièces incorporées ou inserts (6) sont inclus à la coulée dans la partie inférieure (lb) et la partie supérieure (la) du bloc-cylindres, dans la zone des paliers (3) pour le vilebrequin (4), les inserts (6) étant faits d'un matériau ayant un plus haut module d'élasticité et un plus bas coefficient de dilatation thermique que le métal léger pour la partie inférieure (lb) et la partie supérieure (la) du bloc- cylindres, et les inserts (6) étant réalisés comme des éléments particuliers mutuellement séparés dans l'espace pour chaque palier (3). 2. Bloc-cylindres selon la revendication 1, caractérisé en ce que des inserts inférieurs (6b) sont inclus à la coulée dans la partie inférieure (lb) du bloc-cylindres et des inserts supérieurs (6a) sont inclus à la coulée dans la partie supérieure (la) du bloc-cylindres. 3. Bloc-cylindres selon la revendication 2, caractérisé en ce que les inserts (6) présentent, dans la zone des paliers (3), des élargissements axiaux (18) pour la réception de coussinets (15). 4. Bloc-cylindres selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que, dans la zone des cylindres (5), les inserts supérieurs (6a) sont réalisés en forme de U avec deux terminaisons (8), lesquelles présentent des trous taraudés (9) pour des vis de culasse. 5. Bloc-cylindres selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'une cacité (10) est ménagée dans les inserts supérieurs (6a) dans la zone de la fin de filet des trous taraudés (9) pour les vis de culasse, cavité dans laquelle se trouve le matériau de la partie supérieure (la) du bloc- cylindres. 6. Bloc-cylindres selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les inserts supérieurs (6b) présentent des trous taraudés (12) pour des vis de paliers principaux, et que les inserts inférieurs (6b) présentent des trous traversants (11) pour les vis de paliers principaux. 7. Bloc-cylindres selon la revendication 6, caractérisé en ce que des cavités (13) sont ménagées dans les inserts (6) dans la zone des fins de filet des trous taraudés (12) pour les vis de paliers principaux, cavités dans lesquelles se trouve le matériau de la partie supérieure (la) du bloc- cylindres. 8. Bloc-cylindres selon les revendications 4 ou 5 et 6 ou 7, caractérisé en ce que les inserts supérieurs (6a) présentent des élargisse- ments dans la zone des trous taraudés (9, 12) pour les vis de paliers principaux et pour les vis de culasse, et que les inserts inférieurs (6b) présentent des élargissements dans la zone des trous traversants (11) pour les vis de paliers principaux. 9. Bloc-cylindres selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que les inserts (6) ont un module d'élasticité et un coefficient de dilatation thermique qui sont voisins du module d'élasticité et du coefficient de dilatation thermique du vilebrequin (4). 10. Bloc-cylindres selon la revendication 9, caractérisé en ce que les inserts (6) sont en fonte grise et la partie supérieure (la) et la partie inférieure (lb) du bloc-cylindres sont faites d'un matériau à base d'aluminium. 11. Bloc-cylindres selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que les inserts (6) sont faits d'un matériau à base d'aluminium ayant un haut module d'élasticité, et la partie supérieure (la) et la partie inférieure (lb) du bloc-cylindres sont faites d'un matériau à base de magnésium. 12. Procédé pour fabriquer un bloc-cylindres selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisé en ce qu'il comprend la disposition d'inserts supérieurs (6a) et d'inserts inférieurs (6b) pour chaque palier (3) du vilebrequin (4) dans un moule de coulée pour la partie supérieure (la) du bloc-cylindres, respectivement dans un moule de coulée pour la partie inférieure (lb) du bloc-cylindres, ainsi que la coulée autour des inserts du matériau pour la partie supérieure (la), respectivement la partie inférieure (lb) du bloc-cylindres.