Brevet FR2936282A1 — publié le 20100326

CULASSE DE MOTEUR A COMBUSTION INTERNE INTEGRANT UN COLLECTEUR D'ECHAPPEMENT Domaine technique de l'invention La présente invention concerne une culasse de moteur à comcustion interne, notamment de véhicule automobile, intégrant un collecteur d'échappement. L'invention concerne plus particulièrement le refroidissement du collecteur d'échappement. Arrière plan technologique Conventionnellement les dispositifs d'échappement comportent des conduits d'échappements formés dans la culasse du moteur à combustion interne multicylindre d'un véhicule automobile coïncidant avec des conduits d'un collecteur d'échappement agencés en regard des conduits d'échappement. Le collecteur d'échappement comporte au moins une sortie qui est reliée à une ligne d'échappement du véhicule automobile. Dans le but réduire le coût de la fonction du collecteur d'échappement, on a proposé de réaliser des collecteurs d'échappement intégrés à la culasse, ce qui permet de supprimer une pièce et son montage. Toutefois, le collecteur d'échappement étant intégré, il est soumis à de fortes contraintes de températures et des cavités de refroidissement sont aménagées dans le collecteur d'échappement pour permettre la circulation d'un fluide caloporteur afin d'ainsi assurer la tenue mécanique de la culasse et d'abaisser la température des gaz d'échappement. Toutefois, les échanges thermiques entre le collecteur d'échappement et le fluide caloporteur sont parfois insuffisants pour évacuer la quantité de chaleur apportée par les gaz d'échappement et refroidir suffisamment le collecteur d'échappement. Dans ce contexte, l'invention vise à fournir une culasse de moteur à combustion interne intégrant un collecteur d'échappement de véhicule automobile permettant d'améliorer les échanges thermiques entre le collecteur d'échappement et le fluide caloporteur et donc d'obtenir un refroidissement efficace du collecteur d'échappement et des gaz d'échappement. L'invention concerne donc une culasse d'un moteur à combustion interne intégrant un collecteur d'échappement comportant des conduits d'échappement et des cavités de refroidissement dans lesquelles circule un fluide caloporteur, caractérisée en ce que au 2 moins une des dites cavités comporte au moins une nervure s'étendant sensiblement parallèlement au sens de circulation du fluide caloporteur. En effet, notamment dans le cas d'un petit moteur à combustion interne tel qu'un moteur à combustion interne de véhicule automobile, la taille des conduits d'échappement et cavités de refroidissement ne permet pas toujours d'avoir la surface d'échange thermique avec fluide caloporteur suffisante pour refroidir efficacement le collecteur d'échappement. La présence d'une nervure dans la cavité de refroidissement a alors pour effet avantageux, d'une part de réduire la section de passage, donc d'augmenter la vitesse du fluide caloporteur à travers ladite cavité et d'autre part d'accroitre la surface d'échange en contact avec le fluide caloporteur. La combinaison de ces deux avantages impacte favorablement à la hausse les coefficients d'échanges thermiques par convection avec le fluide caloporteur et permet un refroidissement plus efficace du collecteur d'échappement. Par ailleurs, l'invention peut comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - les cavités de refroidissement de la culasse étant séparées des conduits d'échappement par une paroi intérieure, la nervure est disposée à la surface de la cavité de refroidissement, du coté de la paroi intérieure. Ainsi la nervure est au plus près de la source de chaleur que représentent les gaz d'échappement traversant le collecteur d'échappement. - les cavités de refroidissement de la culasse comprenant une paroi extérieure faisant sensiblement face à la paroi intérieure, la nervure est disposée à la surface de la cavité de refroidissement, du coté de la paroi extérieure. La nervure ainsi disposée contribue à dissiper la chaleur des gaz d'échappement transférée par conduction à l'ensemble du collecteur d'échappent. - Selon un mode de réalisation préféré, des nervures sont disposées du coté de la paroi intérieure et sont agencées en quinconce par rapport à des nervures disposées du coté de la paroi extérieure. En effet, cet agencement à l'avantage de permettre d'augmenter encore plus la surface d'échange tout en réduisant la section de passage. - D'un point de vue dimensionnel, la nervure présente avantageusement un haut de nervure arrondi, avec un premier rayon de courbure supérieur ou égal à 1,5 mm. 3 - la nervure présente un bas de nervure arrondi, avec un second rayon de courbure supérieur ou égal à 2 mm. En effet, des formes arrondies contribuent à une meilleure tenue thermomécanique de la culasse. - une distance supérieure ou égale à 1,5 mm est laissée entre le haut de nervure et la surface de la paroi intérieure et/ou extérieure. II s'agit ici de s'assurer d'une bonne circulation de fluide caloporteur dans la zone comprise entre le haut de la nervure et la surface de la paroi lui faisant face. A l'inverse, une nervure joignant la paroi intérieure à la paroi extérieure de la cavité nous ferait perdre le bénéfice de la surface d'échange constituée par le haut de la nervure. - la nervure est produite par fonderie. En effet, une culasse intégrant un collecteur d'échappement comprenant des cavités de refroidissement est elle-même le plus souvent produite par un procédé de fonderie ce qui permet de produire la nervure dans une même étape de moulage. L'invention a aussi pour objet un moteur à combustion interne comportant une culasse selon l'invention. Brève description des dessins D'autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description ci-après d'un mode particulier de réalisation, non limitatif de l'invention, faite en référence aux figures dans lesquelles : 25 - La figure 1 est une représentation schématique partielle en perspective d'une culasse de moteur à combustion interne intégrant un collecteur d'échappement. - La figure 2 est une représentation schématique en perspective, d'une coupe de la 30 culasse selon l'invention suivant le plan référencé A-A sur la figure 1 montrant un premier mode de réalisation de l'invention. - La figure 3 est une section suivant le plan référencé A-A sur la figure 1 du premier mode de réalisation représenté en figure 2. - La figure 4 est une représentation schématique en perspective d'un second mode de réalisation de l'invention suivant le plan référencé A-A sur la 'igure 1. 35 4 Description détaillée La figure 1 est une représentation schématique partielle, en perspective, d'une culasse 1 de moteur à combustion interne, intégrant un collecteur d'échappement 2. La culasse 1 comprend une face dite combustion 3 destinée à venir en appui sur un bloc moteur (non représenté). La culasse 1 comprend également une face couvercle 4 destinée à recevoir en appui un couvre-culasse (non représenté). Généralement, une telle culasse 1 est réalisée dans un d'alliage de fer ou un alliage d'aluminium et est obtenue par des procédés de fonderie tels que par exemple du moulage sable ou du moulage dit PMP (Procédé par Moulage Perdu). La culasse 1 comprend une sortie 5 de collecteur d'échappement reliée au moyen d'une bride de fixation 6 à une ligne d'échappement (non représentée). La culasse 1 comporte également des cavités de refroidissement, non visibles sur la figure 1, dans lesquelles circule un fluide caloporteur pour le refroidissement du moteur et notamment de la culasse 1 du moteur. 20 La figure 2 est une représentation schématique en perspective, d'une coupe de la culasse 1, conforme à un premier mode de réalisation de l'invention, suivant le plan référencé A-A sur la figure 1. La figure 2 présente plus particulièrement un conduit d'échappement 7 agencé dans le 25 collecteur d'échappement 2 de la culasse 1, que des gaz d'échappement, produits par le fonctionnement du moteur, traversent pour se rendre vers la sortie 5 du collecteur d'échappement 2 selon le sens de circulation indiqué par les flèches 8. Afin de refroidir le collecteur d'échappement 2 chauffé par la quantité de chaleur 30 transportée par les gaz d'échappement, le collecteur d'échappement 2 comporte une première cavité de refroidissement 9 et une seconde cavité de refroidissement 10 disposées sensiblement de part et d'autre du conduit d'échappement 7. La première cavité 9 de refroidissement est séparée du conduit d'échappement 7 par une 35 première paroi intérieure 11. La seconde cavité 10 de refroidissement est séparée du conduit d'échappement 7 par une seconde paroi intérieure 12. La première cavité 9 est formée d'une première paroi extérieure 13. La seconde cavité 10 est formée d'une15 seconde paroi extérieure 14. Les parois extérieures 13 et 14 font sensiblement face respectivement aux parois intérieures 11 et 12. Classiquement, de telles cavités de refroidissement 9, 10 ont une section de forme 5 sensiblement oblongue dans le but d'épouser la forme de la section du conduit d'échappement 7. La disposition relative et le nombre de ces cavités est un exemple de conception et n'est pas obligatoire pour la réalisation de l'invention. A l'intérieur de ces cavités de refroidissement 9, 10 circule le fluide caloporteur pour le refroidissement du moteur et notamment du collecteur d'échappement 2 intégré à la culasse 1 du moteur. Conformément à l'invention, afin de favoriser les échanges thermiques avec le fluide de refroidissement, au moins une des cavités 9, 10 comporte au moins une nervure 15. 15 Comme illustré sur la figure 2, des nervures 15 sont avantageusement disposées à la surface des cavités de refroidissement 9, 10 du coté des premières et deuxièmes parois intérieures 11, 12 correspondantes, et forment des excroissances à la surface des dites cavités 9, 10. Le nombre de nervures 15 visibles sur la figure 2 est purement indicatif, 20 cependant, dans l'idée d'augmenter le plus possible la surface d'échange avec le fluide caloporteur, On comprendra qu'il convient d'avoir le plus de nervures 15 possible dans les cavités de refroidissement 9, 10. Les nervures 15 s'étendent de préférence sensiblement parallèlement au sens de 25 circulation du fluide caloporteur, illustré à titre indicatif sur la figure 2 par les flèches 16. Une telle orientation des nervures 15, en particulier pour celles disposées dans la seconde cavité 10 dont la seconde paroi intérieure 12 forme un plafond par rapport au fluide caloporteur, a pour avantage de permettre un dégazage complet des cavités de refroidissement 9, 10 lors notamment d'une opération de remplissage en fluide 30 caloporteur des dites cavités. La présence de ces nervures 15 dans les cavités 9, 10 a pour effet avantageux, de réduire la section de passage du fluide caloporteur à travers lesdites cavités 9, 10. Ainsi, en réduisant la section de passage du fluide caloporteur, on augmente la vitesse 35 d'écoulement de ce fluide à travers les cavités, ce qui impacte à la hausse les coefficients d'échanges thermiques par convection entre les parois intérieures 11, 12 et le fluide caloporteur. 6 La présence de ces nervures 15 dans les cavités 9, 10 a également pour avantage d'accroitre la surface en contact entre les parois intérieures 11, 12 et le fluide caloporteur et donc de contribuer aussi à l'augmentation des échanges thermiques par convection entre les parois intérieures 11, 12 et le fluide caloporteur. Sur la figure 3 est présentée une section du premier mode de réalisation présenté en figure 2, suivant le plan référencé A-A. Chaque nervure 15 est formée d'une part d'un haut de nervure 17 de forme arrondi, avec de préférence un rayon de courbure R1 supérieur ou égal à 1,5 mm et d'autre part d'un bas de nervure 18 arrondi, avec de préférence un rayon de courbure R2 supérieur ou égal à 2 mrn. Le rayon de courbure R1 est choisi suffisamment grand pour être réalisable par le procédé d'obtention par fonderie de la culasse 1 tandis que le rayon de courbure R2 est choisi suffisamment grand pour ne pas compromettre la tenue thermomécanique de la culasse 1. Dans ces conditions, si les nervures 15 se succèdent selon les dimensions indiquées, les nervures 15 présentent un écart E minimum de 7 mm. Par ailleurs, une distance D est laissée entre le haut de nervure 17 et la surface des cavités de refroidissement 9, 10, du coté des parois extérieures 13 et 14. La distance D est choisie suffisamment grande pour être réalisable par le procédé d'obtention par fonderie de la culasse 1. De préférence, la distance D est choisie supérieure ou égale à 1,5 mm. Le nombre de nervures 15 disposées dans les cavités de refroidissement 9, 10 ainsi que leur écart E sont laissés au libre choix de l'homme du métier en fonction des besoins en refroidissement du collecteur d'échappement 2 et de l'espace disponible dans les dites cavités 9, 10. De plus, les nervures 15 disposées dans les cavités de refroidissement 9, 10 peuvent ne pas être identiques entre elles, ainsi, la distance D, les rayons de courbure RI et/ou R2 peuvent aussi être modulés en fonction des besoins en refroidissement du collecteur d'échappement 2. Sur la figure 4 est présenté en perspective, suivant une coupe de la culasse 1 dans le plan référencé A-A sur la figure 1, un second mode de réalisation de l'invention. Ce second mode de réalisation propose de disposer des nervures 15 à la surface des cavités de refroidissement 9, 10 non seulement du coté des premières et deuxièmes parois intérieures 11, 12, à l'instar du premier mode de réalisation présenté en figure 2, 7 mais aussi du coté des parois extérieures 13, 14. Ces nervures 15 disposées du coté des parois extérieures 13, 14 contribuent à dissiper la chaleur des gaz d'échappement transférée par conduction à l'ensemble du collecteur d'échappent 2 et ainsi d'avoir un refroidissement du collecteur d'échappement 2 encore plus efficace que le premier mode de réalisation présenté en figure 2. Dans ce second mode de réalisation, pour chaque cavités de refroidissement 9, 10, les nervures 15 disposées du coté des parois intérieures 11, 12 sont avantageusement agencées en quinconce par rapport au nervures 15 disposées du coté des parois extérieures respectivement 13 et 14. En effet, on accroit ainsi la surface d'échange en contact avec le fluide caloporteur tout en évitant le contact entre les nervures 15 disposées sur la paroi intérieure 11, 12 et les nervures 15 disposées sur la paroi extérieure 13, 14 correspondante. Dans ce second mode de réalisation, les nervures 15 disposées dans les cavités de refroidissement 9, 10 peuvent, de la même façon que pour le premier mode de réalisation, ne pas être identiques entre elles. Avantageusement, les nervures 15 sont réalisées par un procédé de fonderie tel que par exemple du moulage sable ou du moulage dit PMP (Procédé par Moulage Perdu), ce qui autorise la production des nervures 15 au cours d'une même étape de moulage que la culasse 1. Revendications1. Culasse (1) d'un moteur à combustion interne intégrant un collecteur d'échappement (2) comportant des conduits d'échappement (7) et des cavités de refroidissement (9, 10) dans lesquelles circule un fluide caloporteur, caractérisée en ce que au moins une des dites cavités (9, 10) comporte au moins une nervure (15) s'étendant sensiblement parallèlement au sens de circulation du fluide caloporteur. 2. Culasse selon la revendication 1, les cavités de refroidissement étant séparées des conduits d'échappement (7) par une paroi intérieure (11, 12), caractérisée en ce que la nervure (15) est disposée à la surface de la cavité de refroidissement (9, 10), du coté de la paroi intérieure (11, 12). 3. Culasse selon la revendication 1 ou la revendication 2, les cavités de refroidissement (9, 10) comprenant une paroi extérieure (13, 14) faisant sensiblement face à la paroi intérieure (11, 12), caractérisée en ce que la nervure (15) est disposée à la surface de la cavité de refroidissement (9, 10), du coté de la paroi extérieure (13, 14). 4. Culasse selon la revendication 2 et la revendication 3, caractérisée en ce que des nervures (15) sont disposées du coté de la paroi intérieure (11, 12) et sont agencées en quinconce par rapport à des nervures (15) disposées du coté de la paroi extérieure (13, 14). 5. Culasse selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la nervure (15) présente un haut de nervure (17) arrondi, avec un premier rayon de courbure (RI) supérieur ou égal à 1,5 mm. 6. Culasse selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la nervure (15) présente un bas de nervure (18) arrondi, avec un second rayon de courbure (R2) supérieur ou égal à 2 mm. 7. Culasse selon l'une quelconque des revendications orécédentes, caractérisée en ce qu'une distance (D) supérieure ou égale à 1,5 mm est laissée entre le haut de nervure (17) et la surface de la paroi intérieure (11, 12) et/ou extérieure (13, 14). 8. Culasse selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la nervure (15) est produite par fonderie. 9. Moteur comportant une culasse selon l'une quelconque des revendications précédentes.