Brevet FR2932536A3 — publié le 20091218

FR 2932536 A3 20091218 FR 0803273 A 20080612 Culasse d'optimisation de la perméabilité à l'admission et procédé de fabrication de cette culasse L'invention concerne le domaine des moteurs à combustion interne. La présente invention concerne plus particulièrement une culasse formant une chambre de combustion agencée pour l'optimisation de la perméabilité d'un conduit d'admission et un procédé de fabrication de cette culasse. Dans les moteurs à une ou plusieurs soupapes d'admission, par cylindre, chaque chambre de combustion est disposée au dessus d'un piston coulissant dans un cylindre du moteur. Lors de la phase d'admission un mélange contenant de l'air et du carburant est introduit dans la chambre de combustion. La soupape d'admission s'écarte de son siège pour ouvrir le conduit d'admission. La chambre de combustion a par exemple un toit plat, la soupape étant translatée selon une direction parallèle à l'axe du cylindre. La chambre de combustion peut aussi avoir un toit en V, la soupape étant translatée en s'écartant de la paroi du cylindre. La phase d'admission dans une chambre de combustion est réalisée selon les conditions de fonctionnement du moteur. La levée des soupapes, c'est-à-dire leur écartement par rapport à leur siège, peut par exemple être commandée de façon variable par des actionneurs des soupapes. La perméabilité d'un conduit d'admission qui correspond à l'aptitude à laisser traverser un fluide tel que du mélange carburé, est par exemple fonction de la levée des soupapes et de l'écartement de la tête de soupape par rapport à la paroi du cylindre. Ainsi pour une soupape translatée parallèlement à l'axe du cylindre, la perméabilité est pénalisée par rapport à une soupape translatée vers l'axe du cylindre. La perméabilité est aussi pénalisée pour les faibles levées de soupapes, par exemple lorsque la soupape est au niveau de la culasse. De plus les contraintes de fabrication de la culasse par moulage et du bloc moteur par usinage imposent, pour respecter des marges de tolérance, la présence d'un trottoir périphérique sur le toit de la chambre, ce trottoir périphérique diminuant encore la perméabilité des conduits d'amission, notamment pour les chambres de combustion à toit plat et pour les faibles levées de soupapes. Les contraintes de fonctionnement imposent en effet de ne jamais avoir un cylindre de diamètre inférieur à celui du toit de la chambre de combustion brute de fonderie, les dispersions des dimensions obtenues par fonderie et par alésage imposant nécessairement un trottoir périphérique dans la partie de la culasse formant la chambre. La présente invention a pour objet de pallier un ou plusieurs inconvénients de l'art antérieur, en proposant une culasse de moteur formant une chambre de combustion, permettant d'améliorer la perméabilité d'au moins un conduit d'admission et notamment pour des faibles levées de soupapes ou pour des chambres à toit plat. Cet objectif est atteint grâce à une culasse de moteur délimitant au moins une chambre de combustion, la chambre étant délimitée d'autre part par un piston coulissant contre une paroi d'un cylindre du moteur, la culasse comprenant au moins un conduit d'admission débouchant dans la chambre par un orifice d'admission équipé d'un siège pour une soupape, caractérisée en ce qu'elle comprend une surface usinée délimitant la chambre de combustion et disposée entre le siège de soupape et le prolongement de la paroi du cylindre. Selon une autre particularité, la culasse comprend au moins une surface plate et horizontale délimitant ladite chambre, ledit conduit d'admission débouchant dans la chambre selon une direction parallèle à l'axe du cylindre et la culasse comprenant un aménagement pour une bougie d'allumage. Selon une autre particularité, la surface usinée disposée entre le siège de soupape et le prolongement de la paroi du cylindre forme une portion de cône qui rejoint le siège de la soupape et s'arrête avant le prolongement de la paroi du cylindre à une distance minimum prenant en compte une marge de tolérance déterminée pour l'usinage de la surface usinée entre le siège de soupape et le prolongement de la paroi du cylindre et prenant en compte une marge de tolérance pour l'usinage du cylindre. Selon une autre particularité, la soupape étant translatée selon une direction parallèle à l'axe du cylindre, la surface usinée entre le siège de soupape et le prolongement de la paroi du cylindre est positionnée selon un cône dont l'axe de symétrie correspond à l'axe de translation de la soupape. Selon une autre particularité, la culasse comprend une pluralité de conduit d'admission débouchant dans ladite chambre chacun par un orifice équipé d'un siège pour une soupape, une surface délimitant la chambre de combustion étant usinée entre chacun des sièges et le prolongement de la paroi du cylindre. Selon une autre particularité, la culasse forme les parties supérieures d'une pluralité de chambre de combustion du moteur comprenant une pluralité de cylindres. Un autre objet de la présente invention est un procédé de fabrication de la culasse selon l'invention. Cet objectif est atteint grâce à un procédé de fabrication d'une culasse de moteur délimitant au moins une chambre de combustion, la chambre de combustion étant délimitée d'autre part par un piston coulissant contre une paroi d'un cylindre du moteur, le procédé comprenant : - une étape de moulage de la culasse, la culasse comprenant au moins un conduit d'admission débouchant dans la chambre de combustion par un orifice d'admission, - une étape d'usinage d'un logement d'un siège de soupape autour de l'orifice d'admission, caractérisé en ce qu'il comprend : - une étape d'usinage d'un chanfrein d'insertion du siège de soupape et d'une surface délimitant la chambre de combustion disposée entre le chanfrein et le prolongement de la paroi du cylindre. Selon une autre particularité, la culasse moulée comprend une surface plate horizontale, le conduit d'admission débouchant parallèlement à l'axe du cylindre, l'étape de moulage étant suivie d'une étape d'usinage d'un logement pour une bougie. Selon une autre particularité, la surface usinée disposée entre le chanfrein et le prolongement de la paroi du cylindre est réalisée selon un cône d'axe de symétrie passant par un axe de la soupape, par une fraise d'usinage du chanfrein à laquelle une plaquette de coupe supplémentaire a été ajoutée pour l'usinage de la surface entre le chanfrein et le prolongement de la paroi du cylindre. L'invention, ses caractéristiques et ses avantages apparaîtront plus clairement à la lecture de la description faite en référence aux figures données à titre d'exemple non lirnitatif et référencées ci-dessous : - la figure 1 représente une vue de dessous d'un toit plat d'une chambre de combustion selon l'art antérieur ; - la figure 2 représente une vue en coupe de la chambre à toit plat de la figure 1 ; - la figure 3 représente une vue de dessous d'un toit plat d'une chambre de combustion selon la présente invention ; - la figure 4 représente une vue en coupe de la chambre à toit plat de la figure 3 ; - la figure 5 représente des résultats comparatifs d'évaluation de la perméabilité selon la présente invention et selon l'art antérieur ; la figure 6 représente un exemple de volume d'une chambre de combustion selon l'art antérieur ; - la figure 7 représente un exemple de volume d'une chambre de combustion selon la présente invention ; la figure 8 représente la levée d'une soupape dans une 25 chambre de combustion à toit en V ; la figure 9 représente un exemple de procédé de fabrication d'une culasse selon l'invention. L'invention va à présent être décrite en référence aux figures précédemment citées. Pour des critères économiques la forme de la 30 chambre de combustion dans la culasse (1) est réalisée brute de fonderie et ensuite est reprise localement par différents usinages tels que les logements de sièges de soupapes (3), les chanfreins d'insertion des sièges, les logements de bougies ou d'autres éléments. Le cylindre (2) en vis-à-vis d'une chambre est usiné sur toute sa hauteur. Ainsi selon l'art antérieur une partie usinée sur toute sa hauteur est assemblée à la partie périphérique brute de fonderie de la culasse (1) formant la chambre de combustion. En effet l'écoulement gazeux ne devant pas rencontrer de marche, le toit de la chambre de combustion est réalisé avec un trottoir (101) périphérique, comme indiqué sur la figure 2. Les parties en contact appartenant à la culasse (1) et à la chemise de piston ou au bloc moteur, correspondent par exemple à la tablature. La chambre de combustion est réalisée en partie par la culasse (1) et en partie par le cylindre (2), la chambre étant limitée en hauteur dans le cylindre par le piston (5). Un exemple de volume d'une chambre de combustion selon l'art antérieur est notamment représenté à la figure 6 et un volume d'une chambre de combustion selon la présente invention est représenté à la figure 7. Selon la présente invention un usinage déterminé est, par exemple, réalisé sur une partie de la culasse formant la chambre de combustion, pour réaliser un volume (102) supplémentaire de dégagement disposé entre les sièges et le prolongement de la paroi (2) du cylindre, comme représenté aux figures 3, 4 et 7. Ainsi malgré le fait que les dispersions de position des bruts soient très supérieures à celles des usinages, et qu'il n'est pas possible de garantir une coïncidence du bord moulé de la partie de la culasse formant la chambre et du bord du cylindre (2) usiné, la perméabilité du conduit (4) d'admission et la robustesse de cette perméabilité vis-à-vis des dispersions de production peuvent être améliorés, via l'ajout d'un usinage spécifique et localisée par rapport à la chambre de combustion. Les chambres de combustion avec un toit plat selon l'art antérieur, sont d'autant plus pénalisées, par rapport à des chambres de combustion avec un toit en V, du fait que la soupape (3) ne s'éloigne pas de la paroi du cylindre (2) pour les chambres de combustion à toit plat. La figure 8 montre par exemple deux positions d'une soupape et les éloignements (Dl, D2) correspondant par rapport à la paroi latérale, telle que la paroi du cylindre (2) ou le trottoir (101) de la culasse (1). Or l'éloignement de la soupape (3) par rapport à la paroi (2) du cylindre est justement un paramètre jouant à l'ordre 1 sur le calcul de la perméabilité. Ainsi l'effet de l'usinage localisé selon la présente invention est d'autant plus important sur une chambre à toit plat. Le conduit (4) d'admission d'une chambre à toit plat débouche en effet de façon parallèle à l'axe (A2) du cylindre et la soupape est translatée parallèlement à cet axe (A2). Comme représenté à la figure 4, l'usinage localisé permet de dégager un passage (102) pour le fluide introduit lors de la phase d'admission, tandis que selon l'art antérieur, comme représenté à la figure 2, le fluide introduit bute contre le trottoir (101). L'usinage selon la présente invention est donc particulièrement utile pour des faibles levées de soupape où la distance (D3) entre la soupape et la paroi latérale en vis-à-vis est nettement augmentée. De l'autre côté de l'orifice d'admission, à l'opposé de la surface usinée, le toit de la chambre, au centre de la chambre, ne gène pas l'insertion de fluide. Le centre du toit est par exemple plat. Ainsi le trottoir (101) horizontal au niveau de la zone de raccord entre le cylindre usiné et la partie brute de fonderie de la culasse formant la chambre de combustion, est traité par l'ajout d'un usinage concentrique à l'axe (A3) de la soupape (3) qui vient reprendre le bord brut de la chambre. La culasse est, par exemple, réalisée par une étape (Etp01) de moulage avec son trottoir (101) horizontal qui a pour but de rattraper les dispersions de brut de la culasse pour qu'en aucun cas le bord du cylindre (2) ne se retrouve à l'intérieur de la partie de la chambre réalisée dans la culasse. Après le démoulage (cond01) de la culasse, une étape (Etp02) d'usinage d'un logement (104) de siège (31) de soupape est par exemple réalisée. Après l'usinage du logement (cond02), une étape (Etp03) d'usinage d'un chanfrein (103) et du volume supplémentaire pour le passage (102) du fluide, est par exemple réalisée. L'usinage localisé (102) est par exemple concentrique à l'axe (A3) de la soupape, de même que l'usinage pour le chanfrein. Les dispersions d'usinage de l'ordre du dixième de millimètre permettent de rattraper les disperserions de brut qui sont en effet de l'ordre du millimètre. Après l'usinage (cond03) du chanfrein et du passage supplémentaire, d'autres opérations sont par exemple réalisées sur la culasse. Une étape supplémentaire ou une étape intercalée comprend par exemple l'usinage d'un logement pour une bougie, un injecteur ou un capteur. De cette façon la partie de la culasse usinée localement dépasse à l'intérieur du cylindre selon un écart minimum d'environ 0,1 mm. Un tel écart a notamment un impact négligeable sur la perméabilité. La perméabilité est nettement améliorée par rapport à une configuration selon l'art antérieur avec un écart (El) de l'ordre du millimètre. La figure 5 représente par exemple l'évolution de la perméabilité (Pe) en fonction de la levée (Le) exprimée en mm. Ces tests ont été réalisés de manière non limitative, dans une soufflerie stationnaire. La perméabilité (Pei) dans une chambre selon la présente invention est améliorée par rapport à la perméabilité (Pe2) selon l'art antérieur. La différence apparaît tout particulièrement sur les exemples de courbes (Pel, Pe2) pour des levées comprises entre 1 mm et 8mm, la différence étant maximum selon cet exemple comparatif pour des levées comprises entre 3mm et 6mm. L'usinage sera par exemple réalisé en prolongeant le chanfrein d'insertion du siège jusqu'à intersecter le prolongement de la paroi du cylindre (2) usiné. Le prolongement de la paroi du cylindre est par exemple considéré comme vertical. De façon avantageuse, ce mode de fabrication n'impose pas d'opération supplémentaire et permet une optimisation du coût de fabrication. Une plaquette comme par exemple un prisme de coupe en métal, de petites dimensions, fixée sur le corps de l'outil, est par exemple rajoutée sur la fraise qui assure l'usinage du chanfrein d'insertion du siège d'admission, pour permettre de prolonger le chanfrein dans le bord de la chambre de combustion brute lors de la mêrne opération d'usinage. Le temps de cycle est ainsi identique et l'impact sur le coût est réduit, avec seulement une prise en compte supplémentaire de l'usure de la plaquette. De plus ce mode de réalisation de l'usinage localisé est particulièrement simple à mettre en oeuvre. Une forme spécifique entre la chambre de combustion et la paroi du cylindre, par exemple selon une forme de révolution est ainsi créée. Cette forme (102) spécifique, par exemple en portion de cône, a par exemple une forme de croissant de lune en vue dessus, comme représenté à la figure 3. Le résultat obtenu est un dégagement ou un passage par un volume supplémentaire réalisé à proximité de la paroi latérale du cylindre. Dès les faibles levées de soupape, ce passage dégagé provoque une amélioration du débit dans cette zone autour de la soupape. La perméabilité (Pei) s'en trouve donc améliorée. Cette amélioration est particulièrement sensible pour les levées de soupape faibles. Le trottoir (101) selon l'art antérieur qui formait un mur en face de soupape pour les faibles levées est remplacé par le passage dégagé pour l'insertion du fluide carburé. Les formes des soupapes et des sièges peuvent par exemple être aussi optimisées. Les successions de pentes des sièges de soupapes sont par exemple optimisées. L'évolution des sections des soupapes ou des sièges suivant la fibre neutre, peuvent aussi être améliorées. La fibre neutre correspond notamment à une ligne ou surface située à l'intérieur d'une pièce pliée ou cintrée sur laquelle ne s'exercent ni contraintes de traction ni contraintes de compression au cours du formage. Le conduit (4) d'admission peut ainsi être traité selon d'autres types d'optimisations des performances ou d'optimisation de la perméabilité, dont les effets se cumulent avec l'amélioration de la perméabilité selon la présente invention. II doit être évident pour les personnes versées dans l'art que la présente invention permet des modes de réalisation sous de nombreuses autres formes spécifiques saris l'éloigner du domaine d'application de l'invention comme revendiqué. Par conséquent, les présents modes de réalisation doivent être considérés à titre d'illustration mais peuvent être modifiés dans le domaine défini par la portée des revendications jointes. REVENDICATIONS1. Culasse de moteur délimitant au moins une chambre de combustion, la chambre étant délimitée d'autre part par un piston (5) coulissant contre une paroi d'un cylindre (2) du moteur, la culasse (1) comprenant au moins un conduit (4) d'admission débouchant dans la chambre par un orifice d'admission équipé d'un siège pour une soupape (3), caractérisée en ce qu'elle comprend une surface (102) usinée délimitant la chambre de combustion et disposée entre le siège de soupape et le prolongement de la paroi (2) du cylindre. 2. Culasse selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend au moins une surface plate et horizontale délimitant ladite chambre, ledit conduit (4) d'admission débouchant dans la chambre selon une direction parallèle à l'axe (A2) du cylindre et la culasse comprenant un aménagement pour une bougie d'allumage. 3. Culasse selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que la surface (102) usinée disposée entre le siège de soupape et le prolongement de la paroi du cylindre (2) forme une portion de cône qui rejoint le siège de la soupape et s'arrête avant le prollongement de la paroi du cylindre (2) à une distance minimum prenant en compte une marge de tolérance déterminée pour l'usinage de la surface (102) usinée entre le siège de soupape et le prolongement de la paroi du cylindre et prenant en compte une marge de tolérance pour l'usinage du cylindre (2). 4. Culasse selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que la soupape (3) étant translatée selon une direction parallèle à l'axe (A2) du cylindre, la surface (102) usinée entre le siège de soupape (3) et le prolongement de la paroi du cylindre (2) est positionnée selon un cône dont l'axe de symétrie correspond à l'axe (A3) de translation de la soupape. 5. Culasse selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce qu'elle comprend une pluralité de conduit (4) d'admission débouchant dans ladite chambre chacun par un orifice équipé d'un siège pour une soupape,une surface délimitant la chambre de combustion étant usinée entre chacun des sièges et le prolongement de la paroi du cylindre (2). 6. Culasse selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce qu'elle forme les parties supérieures d'une pluralité de chambre de combustion du moteur comprenant une pluralité de cylindres (2). 7. Procédé de fabrication d'une culasse de moteur délimitant au moins une chambre de combustion, la chambre de combustion étant délimitée d'autre part par un piston coulissant contre une paroi d'un cylindre du moteur, le procédé comprenant : - une étape (Etp01) de moulage de la culasse, la culasse comprenant au moins un conduit d'admission débouchant dans la chambre de combustion par un orifice d'admission, - une étape (Etp02) d'usinage d'un logement d'un siège de soupape autour de l'orifice d'admission, caractérisé en ce qu'il comprend : - une étape (Etp03) d'usinage d'un chanfrein d'insertion du siège de soupape et d'une surface délimitant la chambre de combustion disposée entre le chanfrein et le prolongement de la paroi du cylindre. 10. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que la culasse moulée comprend une surface plate horizontale, le conduit d'admission débouchant parallèlement à l'axe (A2) du cylindre, l'étape de moulage étant suivie d'une étape d'usinage d'un logement pour une bougie. 11. Procédé selon la revendication 7 ou 8, caractérisé en ce que, la surface (102) usinée disposée entre le chanfrein et le prolongement de la paroi du cylindre est réalisée selon un cône d'axe de symétrie passant par un axe (A3) de la soupape, l'usinage étant réalisé par une fraise pour l'usinage du chanfrein à laquelle une plaquette de coupe supplémentaire a été ajoutée pour l'usinage de la surface entre le chanfrein et le prolongement de la paroi du cylindre.30