Brevet FR2906571A1 — publié le 20080404

CULASSE MUNIE D'INSERTS POUR MOTEURS A COMBUSTION INTERNE La présente invention se rapporte à une culasse pour moteur à combustion interne ainsi que son procédé de fabrication. Plus particulièrement, elle concerne une culasse pour moteur à combustion interne comprenant des conduits, au moins un pontet inter soupapes situé entre ces conduits, au moins une chambre d'eau et au moins un insert métallique. La puissance spécifique des moteurs à combustion interne et notamment des moteurs de type diesel, multisoupapes à injection directe, a augmenté continuellement au cours de ces dernières années. Cette augmentation des performances se traduit par des contraintes de plus en plus élevées qui s'exercent sur la plupart des éléments constitutifs du moteur, parmi lesquels on peut citer les culasses. En effet, la tenue thermomécanique de la face des culasses qui est en contact avec les gaz issus de la combustion du mélange de combustible et communément appelée la face feu, est affectée. Une zone particulièrement critique pour la fiabilité de cette face feu à long kilométrage est la zone des pontets inter-soupapes. Cette zone est soumise à des niveaux de température locale importants ainsi qu'à des gradients de températures élevés qui ont pour effet de créer des contraintes thermomécaniques formant des fissures de fatigue thermique. La propagation de ces fissures plus ou moins rapide peut conduire, dans certains cas, jusqu'à la chambre d'eau et à un disfonctionnement du moteur. Plusieurs solutions sont proposées dans l'art antérieur. 30 Une solution consiste à augmenter la largeur des pontets inter- soupapes mais présente le désavantage d'augmenter les 2906571 -2 dimensions du moteur, ce qui va à contre-courant de la tendance actuelle de réduction de la dimension des moteurs. D'autres solutions proposent de modifier le matériau dans lequel sont réalisées les culasses. Il est par exemple 5 proposé d'utiliser un alliage d'aluminium à haute résistance à chaud, ou bien d'améliorer les propriétés mécaniques de l'alliage standard. Il est ainsi proposé d'augmenter localement la vitesse de refroidissement à la coulée pour obtenir une micro structure plus fine et exempte de microporosités ou bien 10 d'optimiser le traitement thermique. Ces deux types de solutions sont particulièrement coûteuses et se prêtent mal à la fabrication de moteurs pour véhicules automobiles en grande série. D'autres solutions proposent de modifier la position de la 15 chambre d'eau en vue d'obtenir un meilleur refroidissement des pontets et notamment de la rapprocher de la face feu. Cependant en approchant les chambres d'eau de la face feu afin de gagner en efficacité, des problèmes d'ébullition de l'eau présente dans ces chambres surviennent et peuvent amener à 20 une destruction des culasses à causes des surpressions en résultant. Encore une autre solution consiste à disposer des inserts de type métalliques entre les sièges de soupapes. C'est le cas notamment du système décrit dans le brevet JP55043210 25 dans lequel des inserts métalliques s'étendent verticalement entre les conduits d'admission et d'échappement, à partir de la zone constituant les pontets inter-soupapes jusqu'à la partie supérieure de la culasse à travers une chambre d'eau. Ces inserts permettent de transporter une partie de la chaleur accumulée au niveau des pontets inter-soupapes par conduction le long de l'insert. L'efficacité de la conduction de la 2906571 -3 chaleur hors de la culasse est augmentée en plaçant un fluide à forte chaleur latente d'évaporation dans une cavité formée dans l'insert. Un échange de chaleur se produit alors avec l'eau contenue dans la chambre d'eau traversée et avec l'air à 5 l'extrémité de la tige située à l'extérieur de la culasse. Cependant, la quantité de chaleur transportée s'avère insuffisante pour des moteurs à forts rendements, où il faudrait agrandir et approcher la chambre d'eau de la face feu, solution qui comme il a été exposé précédemment n'est pas 10 satisfaisante en raison de la réduction des dimensions du moteur ainsi que des risques d'ébullition. L'invention vise à améliorer les systèmes de l'art antérieur et se propose de remédier à leurs inconvénients, et en particulier d'éviter que des fissures ne se propagent jusqu'à 15 une chambre d'eau de refroidissement entraînant une fuite dans la culasse et un disfonctionnement moteur. On propose une culasse pour moteur à combustion interne comprenant au moins un insert s'étendant sous un pontet avec au moins une de ses extrémités débouchant dans 20 une chambre d'eau afin qu'un fluide de refroidissement puisse circuler dans cet insert. Le fluide de refroidissement peut ainsi circuler au plus près de la face feu afin d'obtenir un refroidissement accru. Selon une caractéristique de l'invention, l'insert est relié à 25 une première chambre d'eau qui est placée autour d'un puits d'injecteur et à une deuxième chambre. Selon une autre caractéristique, les première et deuxième extrémités de l'insert sont reliées respectivement à une première et à une deuxième partie de la chambre d'eau. 30 Selon une autre caractéristique de l'invention, la section de l'insert est dimensionnée en fonction de la quantité de 2906571 -4 chaleur à évacuer. Cela peut permettre de réduire les dimensions du moteur au maximum tout en évacuant convenablement la chaleur de la culasse. Selon une autre caractéristique de l'invention, l'insert est 5 réalisé dans un matériau présentant une résistance thermomécanique plus grande que le matériau dans lequel la culasse est réalisée et/ou dans un matériau présentant des coefficients de dilatation proche du matériau dans lequel la culasse est réalisée. Ces inserts peuvent alors résister à des 10 chaleurs plus intenses que le reste de la culasse tout en ne risquant pas de faire craquer le reste de la culasse dans laquelle l'insert est placé. Une autre caractéristique avantageuse consiste à réaliser un traitement de surface sur l'insert afin d'améliorer l'accroche 15 du matériau de la culasse lors de la coulée. On peut aussi réaliser un insert d'une forme qui augmente la surface d'échange de chaleur entre les inserts et la culasse. On propose également un procédé de fabrication de culasse pour moteur à combustion interne. Celui-ci comprend 20 les étapes de réaliser de réaliser des noyaux pour obtenir les différents évidements de la culasse et notamment des chambres d'eau, de placer les noyaux à l'endroit désiré dans le moule, d'assembler des inserts entre les noyaux par leurs extrémités pour qu'ils soient situés après la coulée à l'endroit 25 désiré sous les pontets inter-soupapes et que leurs extrémités soient obstruées complètement par les noyaux, de fermer le moule et de réaliser la coulée du matériau formant la culasse dans le moule, d'ouvrir ou de casser le moule après solidification du matériau coulé et d'évacuer le sable de la 30 culasse. 2906571 - 5 Selon une autre caractéristique de ce procédé de fabrication de la culasse, on réalise un traitement de surface des inserts avant leur assemblage sur les noyaux permettant d'accroître les transfert de chaleur entre culasse et insert. 5 On propose également un moteur comprenant une culasse selon l'invention. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront clairement à la lecture de la description suivante du mode de réalisation non limitatif de celle-ci, en liaison avec 10 les dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 est une vue de la face feu d'une culasse de moteur à combustion interne qui présente des fissures de fatigue thermomécaniques; - la figure 2 est une vue en coupe selon un plan 15 sensiblement parallèle à la face feu d'une culasse dans lequel un insert métallique met en relation deux parties d'une chambre d'eau issues d'un noyau sable selon l'invention; la figure 3 est une vue en coupe selon l'axe III-III d'une culasse selon l'invention ; 20 - la figure 4 est une vue en coupe selon l'axe IV-IV d'une culasse selon l'invention. Dans la description qui va suivre, il est entendu que le terme culasse 1 doit être interprété comme la partie de la culasse recouvrant un cylindre. Par ailleurs, le terme noyau 25 désigne un composant de moule réalisé en sable permettant de réaliser des évidements intérieurs d'une pièce moulée en les plaçant dans le moule à l'endroit désiré avant le fermeture du moule et la coulée de la pièce. Enfin, il est entendu que la chambre d'eau peut contenir tout fluide de refroidissement 30 autre que l'eau. 2906571 -6 Sur la figure 1 est représentée une face feu d'une culasse 1 de moteur à combustion interne qui présente des fissures de fatigue thermomécanique. Cette culasse 1 comprend un puit d'injecteur 2, disposé sensiblement au centre de la face feu et 5 des conduits 3 débouchant sur la face feu, disposés autour du puit d'injecteur 2. Ces conduits 3 comprennent des conduits d'admission et d'échappement et sont obstrués par intermittence par des soupapes non représentées. Comme représenté à la figure 1, ces conduits 3 sont généralement 10 disposés autour du puit d'injecteur 2 à la fois à égale distance de celui-ci, et à la fois situés à égale distance des uns des autres autour du puits d'injecteur 2. Ces conduits 3 peuvent être en nombre pair ou impair. Notamment, ces conduits 3 peuvent être au nombre de 2, 3, 4 ou 5 sans toutefois être 15 limité en nombre, hormis pour des raisons d'encombrement. La culasse 1 peut aussi comprendre un puit de bougie 4 disposé notamment sur la périphérie de celle-ci comme représenté sur la figure. Des fissures sont représentés dans une zone désignée comme étant les pontets inter-soupapes 5. Cette zone 20 5 se situe entre les conduits 3. Ces fissures apparaissent généralement en raison de niveaux de température locale et/ou de gradients de température élevés dans la région de la face feu qui induisent de fortes contraintes thermomécaniques. Ces fissures peuvent se propager sur toute l'étendue des pontets 5 25 en surface mais avec le temps ou avec l'augmentation des contraintes, ces fissures se propagent également en profondeur dans la culasse 1 avec le risque d'atteindre une chambre d'eau dont la fonction est de refroidir la culasse 1. En atteignant la chambre d'eau, ces fissures risquent d'entraîner un 30 disfonctionnement du moteur. 2906571 -7 Sur la figure 2 est représentée une vue en coupe selon un plan sensiblement parallèle à la face feu d'une culasse 1 selon l'invention permettant d'éviter ce phénomène. La culasse 1 comprend un puit d'injecteur 2, des conduits 3, un puit de 5 bougie 4, et des pontets inter-soupapes 5 de manière analogue à la culasse 1 représentée à la figure 1. Sur cette vue en coupe, sont également visibles une chambre d'eau 6 et des inserts 7. La chambre d'eau 6 peut être disposée autour du puit 10 d'injecteur 2. Cette chambre 6 peut être obtenue par introduction d'au moins un noyau dans le moule de coulée de la culasse 1. Les inserts 7 sont disposés sous les pontets inter-soupapes 5. Ces inserts 7 s'étendent généralement selon une 15 direction sensiblement radiale de la culasse 1 avec au moins une de leurs extrémités débouchant dans au moins une chambre d'eau 6. Ces inserts 7 sont creux pour pouvoir y faire circuler de l'eau destinée à refroidir les pontets 5. Ces inserts 7 sont réalisés dans un matériau plus résistant que le matériau 20 utilisé pour réaliser la culasse 1. Celui-ci doit aussi pouvoir de préférence être extrudé et présenter un coefficient de dilatation proche de celui du matériau dans lequel est réalisé la culasse 1. Lorsque celle-ci est réalisée en alliage d'aluminium, les inserts 7 peuvent être par exemple réalisés en acier 25 austénitique. Ils peuvent également être réalisés dans un alliage d'aluminium plus résistant que l'alliage d'aluminium utilisé pour la culasse. Ces alliages peuvent être obtenus en réalisant une microstructure plus fine ou en optimisant le traitement thermique par exemple. 30 Les inserts 7 peuvent être rectilignes, ou bien présenter au moins une partie coudée ou courbe afin de passer au plus 2906571 -8 près de la face feu tout en ayant une chambre d'eau 6 qui est située en retrait de celle-ci. Ces inserts 7 peuvent être obtenus par ceintrage. La figure 3 est une vue en coupe selon l'axe III-III d'une 5 culasse 1 selon l'invention. Sur cette figure est représenté le positionnement d'un insert 7 par rapport à une chambre d'eau 6, représentée en transparence et qui est située autour du puit d'injecteur 2. Sur cette figure sont également représentés deux conduits 3 entre lesquels se situe un pontet inter-soupapes 5. 10 En liaison avec la figure 2, on peut effectivement observer que l'insert 7 se prolonge sous le pontet 5 alors que la chambre d'eau 6 est décalée et placée dans la zone centrale de la culasse 1, autour du puit d'injecteur 2, au lieu de se trouver sous le pontet 5 à proximité de la face feu. L'eau circule dans 15 ces inserts 7 jusqu'à une seconde chambre d'eau ou une seconde partie de chambre d'eau, non représentée. Cette eau suit ensuite un cycle dans et/ou hors de la culasse pour retourner dans la première chambre d'eau 6. Grâce à l'utilisation de ces inserts 7, il est possible de 20 faire passer de l'eau plus près de la face feu que dans le cas de culasses comprenant des chambres d'eau classiques tout en évitant le risque d'endommagement de la culasse 1 par ébullition. Un autre avantage de l'utilisation de ces inserts 7 dans la 25 culasse 1, est de permettre le refroidissement des pontets 5 dans le cas d'architectures dites à 90 où les conduits d'admission et d'échappement proviennent respectivement d'une même face longitudinale de la culasse 1 rendant l'intégration de chambre d'eau difficile par manque de place. 30 Ces architectures à 90 permettent de réaliser des moteurs plus performants en terme de consommation et en pollution en 2906571 -9 rendant la répartition du mélange de combustible dans la chambre de combustion plus homogène. La présence de ces inserts 7 permet de s'affranchir des problèmes de fuite d'eau rencontrés avec les culasses de type 5 classique. En effet, lorsqu'une fissure se propage en profondeur dans la culasse 1 sous le pontet 5, celle-ci rencontre sur son chemin un insert 7 réalisé dans un matériau plus résistant que la culasse 1. La propagation de cette fissure sera stoppée ou bien détournée. Cependant, si elle continue de 10 se propager, il n'y aura pas de communication entre l'eau de la chambre 6 et la chambre de combustion, l'insert 7 assurant l'étanchéité. Sur la figure 4 est représentée une vue en coupe d'une culasse 1 transversalement à la face feu selon un deuxième 15 plan de coupe IV-IV de l'invention. Sur cette figure, on observe la mise en relation de deux parties d'une même chambre d'eau 6 par un insert 7. Ici l'insert 7 remplace une partie de la chambre d'eau 6 pour faire le lien entre deux parties de celle-ci dans les zones de la culasse 1 où 20 les contraintes thermomécaniques sont élevées. Ces parties de la chambre d'eau 6 sont disposées de part et d'autre d'un pontet inter-soupapes 5. L'insert 7 est alors situé sous ce pontet 5 afin d'y faire circuler de l'eau entre les deux parties de la chambre 6 pour refroidir la face feu du pontet 5. 25 Le refroidissement des pontets 5 est amélioré en approchant l'eau au plus près de la face feu sans que des problèmes d'ébullition ne risquent de détériorer la culasse 1. En effet, les inserts 7 offrent une meilleure tenue en cas d'ébullition. Les inserts 7 sont réalisés en acier austénitique ou 30 dans tout autre matériau qui présentent à la fois des caractéristiques de résistance thermomécanique supérieures à 2906571 -10-celle du matériau de la culasse et suffisantes pour les applications envisagées et à la fois des coefficients de dilation thermique proches de ceux du matériau constituant la culasse 1. Ces inserts 7 peuvent alors être également réalisés en 5 alliage d'aluminium ayant subi un traitement thermique ou à microstructure plus fine que celle de l'alliage constituant la culasse 1. Les inserts 7 sont préformés en fonction de l'utilisation et des performances de refroidissement désirées. En particulier, on adapte les dimensions de la section de ces 10 inserts 7 suivant le besoin en débit et en pression du circuit d'eau. Pour obtenir une telle culasse 1, on commence par réaliser les noyaux permettant d'obtenir les différentes parties de la chambre d'eau 6. Puis, on les place à l'endroit désiré 15 dans le moule de la culasse 1. Ensuite, on place les inserts 7 entre les noyaux de manière à ce qu'ils soient situés à l'endroit désiré sous le pontet 5, en terme de distance de la face feu notamment. Le procédé se poursuit par l'assemblage des inserts 7 par leurs extrémités aux noyaux dans la position que 20 l'on souhaite qu'ils conservent après la coulée et de manière à ce que les extrémités soient totalement obstrués par les noyaux. Cet assemblage se fait notamment par collage. Ensuite, on ferme le moule et on réalise l'étape de coulée du matériau dans le moule, le matériau s'écoulant tout autour des 25 noyaux ainsi que des inserts 7 sans pour autant y pénétrer puisque leurs extrémités sont obstruées par les noyaux. Ensuite, après solidification du matériau dans le moule, on procède à l'ouverture ou au bris du moule puis à l'évacuation du sable de la culasse 1. L'insert 7 reste alors emprisonné dans 30 le matériau coulé et on obtient ainsi des chambres d'eau 6 reliées à chacune des autres par au moins un insert 7. 2906571 - 11 - Selon un variante de réalisation de la culasse 1, on ajoute une étape dans le procédé de fabrication de la culasse 1 afin d'obtenir un meilleur transfert de chaleur entre la culasse 1 et les inserts 7 et donc l'eau y circulant. Pour cela, on réalise un 5 traitement de surface pour accroître le contact entre la culasse 1 et les inserts 7. Celui-ci peut intervenir au moment de l'étape de préformation des inserts 7 ou bien ultérieurement avant la coulée du matériau dans le moule. Ce traitement de surface peut avantageusement consister en des dépôts de surface qui 10 améliorent l'accroche du matériau lors de la coulée. On peut aussi réaliser une forme qui augmente la surface de contact entre les inserts 7 et la culasse 1. On peut ainsi ménager des stries sur la surface des inserts 7 ou bien encore des convexités ou concavités qui augmenteraient la surface externe 15 des parois de l'insert 7. Bien entendu, on pourra apporter à l'invention de nombreuses modifications sans sortir du cadre de celle-ci. REVENDICATIONS 1) Culasse (1) pour moteur à combustion interne comprenant des conduits (3), au moins un pontet inter- soupapes (5) situé entre ces conduits (3), au moins une chambre d'eau (6) et au moins un insert métallique (7) caractérisé en ce que l'insert (7) s'étend sous le pontet (5 ) avec au moins une de ses extrémités débouchant dans la chambre d'eau (6) afin qu'un fluide de refroidissement puisse circuler dans cet insert (7). 2) Culasse (1) pour moteur à combustion interne selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'insert (7) est relié à une première chambre d'eau (6) placée autour d'un puits d'injecteur (2) et à une deuxième chambre. 3) Culasse (1) pour moteur à combustion interne selon la revendication 1 caractérisé en ce que les première et deuxième extrémités de l'insert (7) sont reliées respectivement à une première et à une deuxième partie de la chambre d'eau (6) 4) Culasse (1) pour moteur à combustion interne selon l'une des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que l'insert (7) est réalisé dans un matériau présentant une résistance thermomécanique plus grande que le matériau dans lequel la culasse (1) est réalisée et/ou dans un matériau présentant des coefficients de dilatation proche du matériau dans lequel la culasse (1) est réalisée. 5) Culasse (1) pour moteur à combustion interne selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que l'insert (7) comporte des traitements de surface pour améliorer l'accroche du matériau de la culasse (1) lors de sa coulée. 2906571 -13- 6) Culasse (1) pour moteur à combustion interne selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 caractérisé en ce que l'insert (7) présente une forme augmentant la surface 5 d'échange de chaleur entre les inserts (7) et la culasse (1). 7) Procédé de fabrication de culasse (1) pour moteur à combustion interne caractérisé en ce qu'il comprend les étapes de réaliser des noyaux pour obtenir les différents évidements de la culasse (1) et notamment des chambres d'eau 10 (6), de placer les noyaux à l'endroit désiré dans le moule, d'assembler des inserts (7) entre les noyaux par leurs extrémités pour qu'ils soient situés après la coulée à l'endroit désiré sous les pontets inter-soupapes (5) et que leurs extrémités soient obstruées complètement par les noyaux, de 15 fermer le moule et de réaliser la coulée du matériau formant la culasse (1) dans le moule, d'ouvrir ou de casser le moule après solidification du matériau coulé et d'évacuer le sable de la culasse (1). 8) Procédé de fabrication de culasse (1) pour moteur à 20 combustion interne selon la revendication 7 caractérisé en ce que l'on réalise un traitement de surface des inserts (7) avant leur assemblage sur les noyaux permettant d'accroître les transfert de chaleur entre culasse (1) et insert (7). 9) Moteur comprenant une culasse (1) selon l'une des 25 revendication 1 à 6.