Brevet FR2947008A1 — publié le 20101224

CULASSE POUR MOTEUR A COMBUSTION INTERNE ET PROCEDE D'OBTENTION DE CETTE CULASSE [0001] L'invention concerne les pièces mécaniques soumises à des contraintes 5 mécaniques et thermiques élevées, et en particulier le renforcement des deux zones critiques d'une culasse de moteur à combustion interne sous de telles sollicitations. [0002] Pour réaliser des culasses de moteurs à combustion interne en alliage à base d'aluminium (incluant par exemple un ajout de silicium ou un ajout de silicium et de cuivre) il est notamment connu d'utiliser un procédé de moulage en coquille par 10 gravité ou un procédé de moulage à modèle perdu. [0003] La culasse présente généralement deux zones sensibles, qui sont dimensionnées avec soin par les bureaux d'études et qui doivent être renforcées en fonction des caractéristiques du moteur associé. La première zone critique est de la zone de combustion dénommée la zone pontet, séparant les sièges de soupapes 15 adjacents d'admission et d'échappement des gaz. Lors du fonctionnement du moteur, les températures de cette zone oscillent entre 100°C et des températures supèrieures à 220°C. Or, la zone pontet est bridée par les sièges frettés et ne peut pas se dilater normalement. Dans cette zone, ces variations thermiques engendrent des déformations mécaniques : il s'agit du phénomène de fatigue thermomécanique 20 qui peut conduire à l'apparition de fissure de fatigue et à l'apparition de gonflement. Ces endommagements peuvent alors provoquer la ruine de la culasse. Ces sollicitations thermomécaniques sont encore plus élevées lorsque le moteur est turbocompressé. De plus, l'augmentation de la puissance spécifique du moteur et les lois de dépollution mises en place conduisent également à l'augmentation des 25 sollicitations dans la zone critique. Par conséquent, le matériau des pontets peut être sollicité à la limite de sa résistance thermomécanique. [0004] La deuxième zone critique de la culasse est le circuit de refroidissement de la culasse : la zone noyau d'eau. Pour permettre un fonctionnement optimal du moteur sans risquer sa destruction, la conception de son circuit de refroidissement 30 s'avère cruciale. Le circuit de refroidissement permet d'abaisser la température maximale vue par la culasse dans la zone critique décrite précédemment. Les systèmes de refroidissement comprennent généralement un noyau d'eau constitué de canaux de circulation d'un liquide de refroidissement dans la culasse pour refroidir les zones de la culasse les plus sollicitées thermiquement. Ces canaux permettent également de refroidir indirectement des éléments interagissant avec la culasse tels que des soupapes ou des injecteurs de carburant (pour une injection directe). Le noyau d'eau présente généralement des canaux s'étendant entre les soupapes et autour de l'injecteur de carburant. Le noyau d'eau est sollicité en flexion de manière cyclique durant toute la vie de la culasse. Cette sollicitation induit une fatigue à grand nombre de cycles. Le noyau d'eau présente alors un risque d'endommagement en fatigue polycylique qui se traduit par l'apparition de fissures de fatigue en fond de noyau d'eau. [0005] L'invention vise à résoudre un ou plusieurs de ces inconvénients. L'invention porte ainsi sur une culasse pour moteur à combustion interne, comprenant une partie massive, en alliage de fonderie, munie d'au moins un orifice d'admission, un orifice d'échappement et des zones de circulation d'eau, des nanostructures étant réparties dans la partie massive. [0006] Dans une variante, la partie massive est à base d'alliage d'aluminium. [0007] Ces nanostructures de renfort peuvent être réparties de façon essentiellement uniforme, en les ajoutant à l'alliage avant la coulée, ou dans des 20 zones localisées, préformées et insérées à la coulée. [0008] Selon une variante, les nanostructures comprennent des nanofibres. [0009] Selon une autre variante, les nanostructures comprennent des nanotubes, autrement dits des nanostructures creuses. [0010] Selon une autre variante, les nanostructures comprennent des 25 nanopoudres. [0011] Selon encore une variante, les nanopoudres comprennent du noir de carbone, une poudre d'alumine ou une poudre de carbure de silicium. [0012] Selon une variante, les nanostructures représentent entre 2 et 20 % en volume de la partie massive. [0013] L'invention porte également sur un procédé de fabrication d'une culasse pour moteur à combustion interne, comprenant une étape de moulage d'une partie massive tout formant au moins un orifice d'admission, un orifice d'échappement et des zones de circulation d'eau, noyau d'eau, à partir d'un matériau métallique en fusion incluant des nanostructures de renfort. [0014] Dans une variante, ces nanostructures sont introduites après que le matériau métallique est été fondu, l'introduction s'effectuant alors dans un four de maintien pour maintenir l'alliage de fonderie à une température idoine pour l'opération de moulage. [0015] Dans une variante, les nanostructures sont introduites dans un pré-mélange de matériau métallique en fusion, ajouté à une matrice de matériau métallique en fusion avant l'opération de moulage. [0016] Selon une autre variante, les nanostructures sont disposées dans le moule avant la coulée de moulage de la partie massive. [0017] 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 1 illustre la face combustion d'une culasse diesel • la figure 2 illustre une vue en coupe de la figure 1. [0018] L'invention propose de répartir des nanostructures de renfort dans l'ensemble d'une partie de fonderie d'une culasse, ou de manière essentiellement uniforme ou selon des zones localisées. Des orifices d'admission et d'échappement et des zones de circulation d'eau sont ménagés dans cette partie massive. Les zones les plus sollicitées, telles que les pontets entre les orifices d'admission et d'échappement ou les parois zones de circulation d'eau, présenteront ainsi des propriétés de résistance thermique et mécanique améliorées, sans pour autant induire des modifications majeures du procédé de fabrication de la culasse. En améliorant ces propriétés, le dimensionnement de la partie massive de la culasse pourra être optimisé notamment en vue de l'alléger. [0019] La figure 1 est une vue de la face de combustion d'une culasse 10. Comme illustré à la figure 2, cette culasse est destinée à être incluse dans un moteur à combustion interne. [0020] La partie massive délimite plusieurs têtes de cylindre 2 destinées à délimiter des chambres de combustion lorsqu'elle est assemblée sur un bloc cylindre. Des sièges de soupapes 3 sont sertis dans les têtes de cylindre 2. Les sièges de soupapes 3 sont disposés à l'extrémité d'orifices d'admission 11 et d'orifices d'échappement 12. Les différents orifices 11 et 12 sont séparés par des pontets 4. Les orifices d'admission 11 et d'échappement 12 sont traversés par des soupapes 9 lorsque la culasse 1 est assemblée. Une zone de circulation d'eau (ou de tout autre liquide de refroidissement), encore appelée noyau d'eau 5, est ménagée dans la partie massive 10. Le noyau d'eau 5 comprend des canaux 6 destinés à être parcouru par du liquide de refroidissement, afin d'homogénéiser et de limiter la température dans différentes zones de la culasse. Les canalisations 6 de l'exemple sont ménagées au-dessus des têtes de cylindre 2, autour du puit 8 et entre les orifices d'admission et d'échappement. Dans l'exemple illustré, la partie massive 10 inclut de façon monobloc la majeure partie fonctionnelles de la culasse 1 : les orifices d'admission et d'échappement, le noyau d'eau, les têtes de cylindre, des puits de fixation d'injecteurs, des portées de guidage d'un arbre à came et des interfaces de fixation d'un couvre arbre à cames. [0021] Dans l'exemple illustré, la culasse 1 est destinée à un moteur de type Diesel. Une bougie de préchauffage 7 traverse ainsi la partie massive 10 pour déboucher dans une tête de cylindre 2. La partie massive 10 présente un puit 8 pour l'insertion d'un injecteur débouchant dans la tête de cylindre 2. [0022] Selon invention, des nanostructures de renfort sont réparties dans l'ensemble de la partie massive 10. La présence de nanostructures dans l'ensemble de la partie massive 10 permet d'améliorer ses propriétés de résistance mécanique et thermique, notamment en fatigue, dans l'ensemble des zones les plus sollicitées. Les nanostructures pourront être réparties de façon homogène dans la partie massive 10. [0023] Les nanostructures désignent des objets de taille intermédiaire entre des structures moléculaires et des structures microscopiques. Les nanostructures incluent notamment des nanotubes, des nanofibres ou des nanopoudres. Les nanostructures incluses dans la partie massive 10 pourront notamment inclure des nanotubes tels que des nanotubes de carbone, du noir de carbone, de l'alumine, du Carbure de Silicium, ou des mélanges de nanopoudres de compositions distinctes. L'utilisation de nanotubes favorisera le blocage de la propagation d'éventuelles fissures dans la partie massive 10. Les nanostructures représentent avantageusement entre 2 et 20 0/0 en volume de la partie massive 10. [0024] Les nanostructures sont noyées dans un alliage métallique léger de la partie massive 10. Cet alliage léger sera généralement un alliage d'aluminium, cet alliage pouvant comprendre l'adjonction de silicium ou de silicium et de cuivre. L'inclusion de nanostructures dans l'alliage métallique léger de la pièce 10 permet d'augmenter son module d'élasticité ainsi que sa limite à la rupture. [0025] La partie massive 10 pourra être réalisée à partir de procédés de fabrication usuels pour des culasses de moteurs à combustion, par exemple par moulage en coquille par gravité ou par moulage à modèle perdu. La formation du noyau d'eau et des orifices d'échappement et d'admission est réalisée par moulage d'un matériau métallique en fusion incluant des nanostructures de renfort. Les nanostructures pourront être introduites dans le matériau métallique à l'intérieur d'un four maintenant ce matériau métallique en fusion. Les nanostructures pourront également être introduites dans le matériau métallique durant la coulée de moulage de ce matériau métallique en fusion. REVENDICATIONS1. Culasse (1) pour moteur à combustion interne, comprenant une partie massive avec au moins un orifice d'admission (11), un orifice d'échappement (12) et des zones de circulation d'eau (5), caractérisée par des nanostructures de renfort réparties dans la partie massive. 2. Culasse (1) selon la revendication 1, caractérisée en ce que la partie massive est en un alliage à base d'aluminium. 3. Culasse selon la revendication 1 ou la revendication 2, dans laquelle les 10 nanostructures comprennent des nanofibres, des nanotubes ou des nanopoudres. 4. Culasse selon la revendication 3, dans laquelle les nanostructures sont des nanopoudres qui comprennent du noir de carbone, une poudre d'alumine ou une poudre de carbure de silicium. 15 5. Culasse selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle les nanostructures représentent entre 2 et 20 % en volume de la partie massive. 6. Culasse selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les nanostructures sont réparties de façon essentiellement uniforme 20 dans la partie massive. 7. Procédé de fabrication d'une culasse (1) pour moteur à combustion interne, comprenant une étape de moulage d'une partie massive de fonderie (10) de façon à former un orifice d'admission (11), un orifice d'échappement (12) et des zones de circulation d'eau, à partir d'un matériau métallique en fusion incluant 25 des nanostructures de renfort. 8. Procédé de fabrication d'une culasse selon la revendication 7, dans lequel les nanostructures sont introduites dans le matériau métallique dans un four maintenant ce matériau métallique en fusion. 9. Procédé de fabrication d'une culasse selon la revendication 8, dans lequel 30 les nanostructures sont introduites dans un pré-mélange de matériau métallique en fusion, ajouté à une masse de matériau métallique en fusion avant l'opération de moulage. 10. Procédé de fabrication d'une culasse selon la revendication 7, dans lequel les nanostructures sont disposées dans le moule avant la coulée de moulage de la partie massive.