Brevet FR2871525A1 — publié le 20051216

MOTEUR THERMIQUE DOTE D'UN ELEMENT INTERMEDIAIRE AU CARTER ET A LA CULASSE La présente invention concerne, de façon générale, le domaine des éléments intermédiaires disposés ou destinés à être disposés entre un carter et une culasse d'un moteur thermique, ainsi qu'un moteur comportant un tel élément. Plus particulièrement, l'invention concerne un élément intermédiaire adapté pour être disposé entre un carter et une culasse d'un moteur à combustion, ce moteur comportant: - une première chambre de combustion, et au moins une première soupape obturant sélectivement cette première chambre. Egalement, l'invention concerne particulièrement un procédé pour la réalisation d'un moteur à combustion comportant. un carter; - une culasse; une première chambre de combustion; au moins une première soupape obturant sélectivement cette première chambre; - et un élément intermédiaire disposé entre ledit carter et ladite culasse. Le niveau de performance, et la puissance spécifique atteints par les moteurs actuels est de plus en plus élevé ce qui entraîne des niveaux de températures et de pressions de combustion de plus en plus importants. Ces contraintes thermomécaniques sont concentrées en de multiples zones du moteur et en particulier au niveau de portions du carter exposées à la chaleur et aux pressions issues de la chambre de combustion du moteur, notamment: - dans une zone de la culasse appelée face feu et formant une partie de la paroi de la chambre de combustion; - et dans des zones de la culasse/carter permettant la séparation de la chambre de combustion par rapport aux circuits de refroidissement, de lubrification, d'admission de comburant (air) et d'échappement de gaz brûlés. Actuellement l'étanchéité entre la culasse et le carter du moteur est réalisée par un joint de culasse coincé par serrage entre la culasse et le carter. Pour éviter les risques de fissures du carter et/ou de la culasse, plusieurs solutions consistent en - un renforcement des épaisseurs des parois du carter et de la culasse et en particulier des épaisseurs séparant la chambre de combustion des circuits de refroidissement et de lubrification; - l'insertion d'inserts dans des zones critiques (inserts appelés bloques fissures) qui visent à réduire les amplitudes de contraintes thermomécaniques; - l'utilisation d'alliage en aluminium adapté à haute tenue en fatigue à chaud; 30 - un refroidissement de culasse optimisé. En ce qui concerne les fissures dans le circuit de refroidissement, la solution consiste en une amélioration des rayons de raccordement des portions du circuit. Mais cette solution géométrique a des limites car elle nécessite l'utilisation de formes simples de moins en moins compatibles avec le besoin en refroidissement de la culasse. Dans ce contexte la présente invention a pour but de fournir une solution visant à augmenter les performances de tenue thermomécanique de la culasse pour en limiter les risques de fissures tout en autorisant la possibilité éventuelle d'augmenter les niveaux de température et de pression de la chambre durant la phase de combustion. A cette fin, l'élément intermédiaire de l'invention, par ailleurs conforme à la définition générique qu'en donne le préambule défini précédemment, est essentiellement caractérisé en ce qu'il est formé dans une plaque comportant au moins un premier siège de soupape adapté pour recevoir en appui ladite première soupape du moteur et ayant une première surface plane adaptée pour venir en appui sur au moins une surface d'appui complémentaire du carter ou d'un joint de carter et une seconde surface plane adaptée pour venir en appui simultané sur au moins une surface d'appui complémentaire de la culasse ou d'un joint de culasse. A cette même fin, le procédé de réalisation d'un moteur de l'invention, par ailleurs conforme à la définition générique qu'en donne le préambule défini précédemment, est essentiellement caractérisé en ce que l'élément intermédiaire est une plaque comportant au moins un premier siège de soupape adapté pour recevoir en appui ladite première soupape du moteur et ayant une première surface plane en appui sur au moins une surface d'appui complémentaire du carter ou d'un joint de carter et une seconde surface plane en appui simultané sur au moins une surface d'appui complémentaire de la culasse ou d'un joint de culasse. L'utilisation d'un tel élément intermédiaire permet ainsi d'augmenter la résistance thermomécanique du moteur sans avoir à forcément modifier la culasse. D'autre part, le circuit de refroidissement de la culasse peut être directement ouvert en direction de l'élément intermédiaire, alors que dans l'art antérieur il y avait toujours nécessité de conserver ce circuit fermé et éloigné des zones du moteur sollicitées thermomécaniquement. En conséquence le circuit de refroidissement de la culasse peut être réalisé plus simplement en minimisant les besoins de noyaux de sable lors de l'opération de fonderie de la culasse. De larges parties du circuit de refroidissement de la culasse peuvent être ouvertes en direction de l'élément intermédiaire, ce qui permet d'éliminer simplement les anciens rayons de fond de raccordement. Il est de plus possible, grâce à l'invention, en ouvrant des portions du circuit de refroidissement en direction de l'élément intermédiaire d'augmenter le volume du circuit de refroidissement dans la culasse tout en facilitant la circulation du fluide de refroidissement, ce qui constitue un gain de refroidissement, et supprime du même coup des zones à risque de fissures. On peut par exemple faire en sorte que l'élément intermédiaire comporte au moins un second siège de soupape éloigné du premier et adapté pour recevoir en appui une seconde soupape obturant sélectivement une seconde chambre de combustion du moteur. Ce mode de réalisation de l'invention permet d'adapter l'élément à des moteurs ayant au moins deux chambres de combustion, étant entendu que cette invention peut être adaptée à des moteurs comportant plus de deux chambres de combustions. Grâce à l'invention, les premier et/ou second sièges de soupapes peuvent également être usinés dans l'élément intermédiaire. Dans ce cas l'élément intermédiaire devra être positionné précisément par rapport à la culasse qui porte les soupapes. Une telle mise en position peut être réalisée grâce à des plots de mise en position formés sur l'élément intermédiaire et sur la culasse. Alternativement, l'élément intermédiaire peut comporter des inserts et les premier et second sièges de soupapes peuvent être, chacun usinés dans un desdits inserts. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront clairement de la description qui en est faite ci-après, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux dessins annexés, dans lesquels: la figure l représente un moteur de l'art antérieur; la figure 2 représente un moteur doté de l'élément intermédiaire selon l'invention. Comme mentionné précédemment, la figure 1 représente un moteur à combustion 4 de l'art antérieur comportant: - un carter 2 situé en partie inférieure et; - une culasse 3 située en partie supérieure. Une première chambre de combustion 5 est située dans le carter et à une forme complémentaire d'un piston cylindrique non représenté et coulissant dans la chambre 5. La chambre est obturée par une face 14 de la culasse 3 aussi appelée face feu car c'est l'endroit de la chambre de combustion qui est particulièrement exposé aux contraintes thermomécaniques de la combustion se déroulant dans la chambre 5. Une première soupape 6 qui dans ce cas est une soupape d'échappement 6 obture sélectivement la première chambre 5 pour en laisser sortir sélectivement les gaz brûlés qui transitent par une sortie d'échappement 17. Une soupape d'admission 16 obture sélectivement la première chambre 5 pour y admettre sélectivement un comburant qui est de l'air qui transite par une entrée d'air 18. Les soupapes du moteur sont montées coulissantes par rapport à la culasse, grâce à des guides de coulissement frettés 15a et 15b dans lesquels coulissent les tiges de chaque soupape 6. Un élément intermédiaire qui dans le cas particulier de ce moteur de l'art antérieur est un joint de culasse 11 est disposé entre le carter 2 et la culasse 3. Ce joint de culasse 11 est serré entre le carter et la culasse par des tiges filetées ou vis (non représentées) dans la culasse pour compresser le carter contre la culasse. Ce joint de culasse de l'art antérieur permet l'étanchéité de la chambre de combustion et du circuit de lubrification 12 qui est formé dans le carter et dans la culasse et passe par une ouverture du joint de culasse 11. Un circuit de refroidissement 13 est formé dans des évidements de la culasse et dans le carter. Des parties du circuit de refroidissement 13 situées dans la culasse sont fermées de façon à éloigner le liquide de refroidissement qui circule dans le circuit, du joint de culasse et surtout des zones fortement contraintes par les efforts de combustion (pression et chaleur), particulièrement concentrées à proximité de la face feu 14. La figure 2 représente un moteur comportant l'élément intermédiaire selon l'invention et mis en oeuvre par le procédé de réalisation de moteur 4 selon l'invention. Ce moteur est semblable au moteur de la figure 1, toutefois l'élément intermédiaire 1 est une plaque épaisse par rapport à l'épaisseur d'un joint de culasse. Cette plaque possède une épaisseur suffisante pour pouvoir supporter des efforts liés à la combustion. Un premier siège de soupape 7 qui dans ce cas est un siège de soupape d'échappement 7 est formé sur à la périphérie d'un premier passage sensiblement circulaire réalisé dans la plaque ou rapporté comme dans l'art antérieur. Un siège de soupape d'admission 19 est formé à la périphérie d'un second passage sensiblement circulaire réalisé dans la plaque à distance du premier passage et face à la chambre de combustions. Chaque siège de soupape 7, 19 est adapté pour recevoir en appui une soupape correspondante 6, 16 du moteur 4. L'élément intermédiaire 1 en forme de plaque possède une première surface plane 8 en appui sur une surface d'appui complémentaire d'un joint de carter 9 haute pression, étanche aux gaz, à l'huile et à l'eau. Il est à noter qu'en l'absence de joint 9, si par exemple l'élément intermédiaire 1 est assemblé au carter par collage, la première surface plane est alors en appui direct sur le carter 2. Idéalement, cet ensemble doit permettre d'accepter des pressions de combustion à l'intérieur de la chambre supérieures à 200 bars. L'élément intermédiaire 1 possède une seconde surface plane 10 opposée à la première 8, et venant en appui simultané sur au moins une surface d'appui complémentaire d'un joint de culasse 11 basse pression (en comparaison par rapport aux pressions admises par le joint de carter 9). Ce joint de culasse 11 est également étanche aux gaz, à l'huile et à l'eau. 1l est à noter qu'en l'absence de joint 11, si par exemple l'élément intermédiaire 1 est assemblé à la culasse 3 par collage, la seconde surface plane 10 est alors en appui direct sur la culasse 3. De la même manière que pour les moteurs de l'art antérieur le serrage de l'ensemble carter 2, élément intermédiaire 1, culasse 3 est assuré par une série de vis de serrages calibrées. C'est à dire, que les zones sous têtes de ces vis se trouvent en appuis sur les lamages de la partie supérieure de la culasse tandis que leurs parties filetées sont en prise avec les filets dans le carter 2. Ce nouvel élément intermédiaire 1 se retrouve donc plaqué et serré de façon étanche à la fois contre la culasse et le carter. Les efforts de réactions du serrage mis en jeu aux niveaux des surfaces de contact opposées (joint d'étanchéité) de l'élément intermédiaire 1 sont sensiblement proportionnels (à une constante près) aux valeurs des surfaces propres de contacts entre les parties de l'élément intermédiaire 1 et le noyau d'eau (portions du circuit de refroidissement en contact perpendiculairement avec les surfaces de l'élément intermédiaire). Bien que non représenté sur les figures 1 et 2 la présente invention s'applique également à des moteurs à plusieurs cylindres. Dans ce cas l'élément intermédiaire 1 comporte au moins un second siège de soupape éloigné du premier et recevant sélectivement en appui une seconde soupape obturant sélectivement une seconde chambre de combustion du moteur. Chacun des premier et second sièges de soupapes est, soit directement usiné dans l'élément intermédiaire, comme représenté sur la figure 2, soit usiné dans un insert assemblé avec l'élément intermédiaire. Lorsque les sièges de soupapes 7, 19 sont directement usinés dans l'élément intermédiaire, le matériau constituant cet élément est préférentiellement traité localement au niveau de chaque siège de soupape par un traitement de surface augmentant localement la résistance au choc et à l'usure du matériau. Ce mode de réalisation peut être avantageux car il permet d'éviter l'usinage d'inserts spéciaux. Les sièges de soupapes sont préférentiellement réalisés dans des inserts lorsque la mise en uvre des sièges de soupapes par usinage direct de l'élément intermédiaire est jugée non adaptée ou difficile à mettre en oeuvre. L'insert est par exemple préféré lorsque le matériau choisi pour réaliser l'élément intermédiaire, qui peut être de l'aluminium ou éventuellement une fonte ou un acier spécial, a une résistance insuffisante aux chocs et à l'usure. En ce cas les sièges de soupapes seront réalisés par insertion d'inserts en matériau résistant aux chocs tel que de l'acier. Lorsque les sièges de soupapes 7, 19 sont directement usinés dans l'élément intermédiaire, il est nécessaire de les usiner lors de l'usinage de la portée des guides de soupapes 15a, 15b afin de garantir l'alignement nécessaire au bon fonctionnement de l'ensemble de culbuterie (soupape, guide...) de cette nouvelle culasse. L'immobilisation de l'élément intermédiaire 1 par rapport à la culasse 3 et au carter 2, s'effectue d'une part suivant deux directions (transversales et longitudinales, ces deux directions étant parallèles au plan de l'élément 1 en forme de plaque) par l'intermédiaire d'un centreur cylindrique commun à l'ensemble culasse 3, plaque 1 et carter cylindre 2 et d'autre part suivant seulement une direction transversale par l'intermédiaire d'un centreur dégagé au niveau de l'élément intermédiaire 1 et de la culasse 3 uniquement. Afin de limiter les problèmes de dilatations différentielles entre l'élément intermédiaire ( qui peut être en acier spécial ou en fonte) et la culasse 3 (qui peut être en alliage léger), pour conserver l'alignement des sièges de soupapes avec leurs soupapes respectives, l'assemblage entre culasse 3 et élément intermédiaire 1 sera réalisé pour qu'au cours d'une variation de température du moteur, les écarts de positionnements des soupapes par rapport à leurs sièges respectifs soient proches de zéro. L'épaisseur de l'élément intermédiaire 1 sera choisie pour que les écarts de positionnements différentiels des soupapes par rapport à leurs sièges respectifs soient le plus proche possible de zéro. Il est également possible pour compenser l'effet de bilame thermique occasionné par le gradient de température dans l'épaisseur de l'élément intermédiaire 1, d'utiliser un élément intermédiaire multicouches, ou un élément d'interface multicouches. Il sera fait en sorte que chacune de ces couches possède un coefficient de dilatation thermique et une épaisseur adaptée. Ceci permet d'annihiler l'effet bilame pouvant créer des défauts d'étanchéité et des désalignements entre les guides 15a et 15b et les sièges de soupapes 7 et 19. Le circuit de lubrification 12 est adapté pour la circulation d'un lubrifiant tel que de l'huile et le circuit de refroidissement 13 est adapté pour la circulation d'un liquide de refroidissement tel que de l'eau (+ additifs tel que glycol). Grâce à la présence de l'élément intermédiaire 1, ces circuits peuvent être débouchant du carter et de la culasse, et venir en contact contre l'élément intermédiaire 1. Le fait que ces circuits soient débouchant facilite grandement les opérations de moulage des carter et culasse. Une partie du noyau peut être réalisée avec un outillage métallique permettant d'améliorer la qualité de la matière moulée, et d'augmenter la tenue en fatigue de l'alliage moulé. Les capacités volumiques de ces circuits, sont également augmentées par rapport à ce qu'elles seraient avec des circuits non débouchant ou peu débouchant, améliorant ainsi leurs fonctions respectives de refroidissement et de lubrification. La présence de l'élément intermédiaire permet également d'augmenter la rigidité de la culasse et éventuellement du carter si celui-ci est réalisé en alliage léger, ce qui permet dans la plupart des cas, un meilleur comportement en étanchéité du joint haute pression 9. De plus, cette nouvelle conception élément intermédiaire 1 en forme de plaque/culasse permet d'optimiser très simplement les seuils des températures limites acceptables (gain en combustion, en performance dynamique...) en agissant principalement sur l'épaisseur de l'élément intermédiaire 1. Enfin, les phénomènes d'ébullition peuvent être aussi améliorés en optimisant les débits locaux dans les circuits, en particulier au niveau du circuit de refroidissement en contact avec l'élément intermédiaire 1. 14 REVENDICATIONS 1. Elément intermédiaire (1) adapté pour être disposé entre un carter (2) et une culasse (3) d'un moteur à combustion (4), ce moteur comportant: une première chambre de combustion (5), - et au moins une première soupape (6) obturant sélectivement cette première chambre (5) caractérisé en ce que cet élément (1) est une plaque comportant au moins un premier siège de soupape (7) adapté pour recevoir en appui ladite première soupape du moteur (6) et ayant une première surface plane (8) adaptée pour venir en appui sur au moins une surface d'appui complémentaire du carter ou d'un joint de carter (9) et une seconde surface plane (10) adaptée pour venir en appui simultané sur au moins une surface d'appui complémentaire de la culasse ou d'un joint de culasse (11). 2. Elément intermédiaire (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un second siège de soupape éloigné du premier (6) et adapté pour recevoir en appui une seconde soupape obturant sélectivement une seconde chambre de combustion du moteur (4). 3. Elément intermédiaire (1) selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les premier et/ou second sièges de soupapes (7) sont usinés dans l'élément intermédiaire (1). 4. Elément intermédiaire (1) selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comporte des inserts et en ce que les premier et second sièges de soupapes sont chacun usinés dans un desdits inserts. 5. Procédé pour réaliser un moteur à combustion (4) comportant: - un carter (2) ; une culasse (3) ; - une première chambre de combustion (5) ; au moins une première soupape (6) obturant sélectivement cette première chambre(5) ; caractérisé en ce qu'il comporte une étape consistant à disposer un élément intermédiaire (1) entre ledit carter (2) et ladite culasse (3), l'élément intermédiaire (1) étant une plaque comportant au moins un premier siège de soupape (7) adapté pour recevoir en appui ladite première soupape (6) du moteur (4) et ayant une première surface plane (8) en appui sur au moins une surface d'appui complémentaire du carter ou d'un joint de carter (9) et une seconde surface plane (10) en appui simultané sur au moins une surface d'appui complémentaire de la culasse ou d'un joint de culasse (11). 6. Procédé pour réaliser un moteur à combustion (4) selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'élément intermédiaire (1) comporte au moins un second siège de soupape éloigné du premier (7) et recevant sélectivement en appui une seconde soupape obturant sélectivement une seconde chambre de combustion du moteur. 7. Procédé pour réaliser un moteur à combustion (4) selon l'une quelconque des revendications 5 ou 6, caractérisé en ce que les premier et second sièges de soupapes (7) sont usinés dans l'élément intermédiaire (1) ou usinés dans des inserts de l'élément intermédiaire (1). 8. Procédé pour réaliser un moteur à combustion (4) selon l'une quelconque des revendications 5 à 7, caractérisé en ce qu'il comporte un circuit de lubrification (12) adapté pour la circulation d'un lubrifiant tel que de l'huile, et/ou un circuit de refroidissement (13) adapté pour la circulation d'un liquide de refroidissement tel que de l'eau, l'un au moins de ces circuits (12, 13) étant en contact avec l'élément intermédiaire (1). 9. Procédé pour réaliser un moteur à combustion (4) selon l'une quelconque des revendications 5 à 8, caractérisé en ce que l'élément intermédiaire (1) est essentiellement composé en fonte ou en acier spécial. 10. Procédé pour réaliser un moteur à combustion (4) selon l'une quelconque des revendications 5 à 8, caractérisé en ce que le matériau constituant l'élément intermédiaire (1) est traité localement au niveau de chaque siège de soupape par un traitement de surface augmentant localement la résistance au choc et à l'usure du matériau.