Brevet FR2990727A1 — publié le 20131122

CHEMISE DE CYLINDRE ET BLOC CYLINDRES ASSOCIE [0001] L'invention porte sur le domaine des moteurs à combustion dont le bloc cylindre est équipé de chemises rapportées. Elle porte plus précisément sur une chemise de cylindre pour l'habillage de la paroi cylindrique d'un cylindre d'un moteur à combustion interne ainsi que sur un bloc cylindres d'un moteur à combustion interne ayant au moins un cylindre habillé d'une telle chemise. [0002] Dans sa forme la plus générale, un moteur à combustion interne, ou moteur thermique, comprend un bloc moteur dans lequel est formé au moins un cylindre à l'intérieur duquel est monté mobile un piston relié par un élément de liaison telle une bielle, à un vilebrequin. Le bloc moteur comprend généralement trois parties principales dont une est appelée bloc cylindre(s), car elle comporte un ou plusieurs cylindres. Pour la suite de la rédaction, l'orthographe unique bloc « cylindres » est adoptée sans que cela n'exclue de l'invention les moteurs ayant un seul cylindre. [0003] Le bloc cylindres est recouvert d'un côté d'une culasse (deuxième partie principale) dans laquelle sont disposés les moyens nécessaires au fonctionnement de la combustion interne, notamment des moyens d'admission, des moyens d'échappement et éventuellement des moyens d'allumage. De l'autre côté, le bloc cylindres est recouvert d'un carter moteur (troisième partie principale) dans lequel est logé un vilebrequin. [0004] L'invention concerne le bloc cylindres et plus précisément sa partie supérieure appelé fût ou cylindre. Chaque cylindre du carter cylindres, doit permettre le transfert de la pression issue de la combustion de l'air et du carburant vers le piston, en guidant en translation l'ensemble piston/segments. Il s'agit donc d'une des zones les plus sensibles et les plus importantes du carter cylindres car elle subit de fortes contraintes thermomécaniques : pression dans le cylindre, flux thermique, serrage mécanique de la culasse sur le bloc cylindres. [0005] De plus, les déformées et les états de surfaces des fûts impactent directement les prestations et les performances du moteur, et plus particulièrement sa consommation d'huile, le débit des gaz de carter (dits gaz de « blow-by »), ainsi que les pertes par frottements mécaniques. [0006] Les fûts subissant des contraintes importantes sont généralement réalisés dans un matériau très résistant, par exemple de la fonte, tandis que le reste du carter cylindres peut être constitué d'un matériau plus léger, typiquement un alliage d'aluminium. [0007] Les fûts peuvent donc être soit : - Formés intégralement, d'un seul tenant, avec le carter cylindres (dans le cas des carters cylindres en fonte par exemple) ; soit - Amovibles, et on parle alors de chemises rapportées amovibles, c'est-à- dire démontable par rapport au reste du composant carter; soit - Insérés lors de la fonderie du carter cylindres « autour » du fût ( dans le cas des carters cylindres en aluminium avec chemise en fonte par exemple ) : on parle alors de chemise insérée à la coulée. [0008] L'invention porte sur une chemise insérée à la coulée, et sur les blocs cylindres ainsi obtenus. Une chemise insérée à la coulée subit de nombreuses contraintes : - Contraintes de fabrication - Contrainte mécanique par serrage de la culasse - Pression dans le cylindre lors du fonctionnement du moteur et flux thermique issus de la combustion du mélange air/ carburant ; - Frottements de l'ensemble piston / segment. [0009] Sous ces contraintes, le type de matériau utilisé et l'architecture de la chemise sont des éléments capitaux pour garantir une bonne tenue mécanique de la chemise, et notamment le fait qu'elle ne se fissure pas. 2 99072 7 3 [0010] En outre, la chemise faisant office de fût doit rester la plus cylindrique possible pendant le fonctionnement du moteur, pour assurer une bonne efficacité de la segmentation pour éviter une surconsommation d'huile ou un passage trop importants de gaz vers le carter d'huile. L'un des éléments les plus importants pour 5 parvenir à cet objectif est d'assurer une bonne cohésion entre le bloc et la chemise. Cette cohésion permet de maîtriser mécaniquement les déformations de la chemise, mais aussi d'assurer une bonne conductivité thermique entre la chemise et le carter cylindre, ce qui permet une bonne évacuation de l'énergie issue de la combustion et non transformée en mouvement alternatif du piston. 10 [0011] En outre une mauvaise maîtrise des déformations au niveau de l'interface entre le bloc cylindres et la culasse, notamment au niveau des cylindres, peut compromettre l'étanchéité du joint de culasse. [0012] Pour répondre à ces problématique, on connait du document FR2887926 une chemise pour bloc cylindres comportant une partie supérieure conique et qui 15 est revêtue, à l'exception de la partie supérieure, de striations. [0013] La géométrie de chemise proposée dans ce document présente de nombreux avantages. Les striations permettent une bonne cohérence entre le fût et le carter cylindres. La partie conique permet d'augmenter la surface de contact entre la chemise et le joint de culasse, et de réduire l'espace entre les chemises. 20 En réduisant cet espace, qui constitue une zone privilégiée de fissuration du bloc- cylindres, on réduit également la déformation des cylindres dans leur partie haute lors du fonctionnement du moteur. En effet, le bloc exerce une forte pression entre les deux chemises avoisinantes pour « créer » l'espace nécessaire à sa dilatation. La déformation des chemises de cylindre qui en résulte est très préjudiciable au 25 contact entre les parois intérieures des chemises et les pistons correspondants. Une forme conique, ou plus généralement évasée de la partie supérieure de la chemise, outre le fait qu'elle réduit géométriquement l'espace entre deux chemises avoisinantes, améliore le comportement de l'ensemble lors sa montée en température : le carter cylindre, généralement en aluminium, se dilatant plus que les chemises, généralement en fonte, pousse la chemise au niveau de sa partie conique de sorte à tendre à refermer le fût vers l'intérieur (vers son axe principal) 2 99072 7 4 alors que le serrage de la culasse à tendance à l'ouvrir vers l'extérieur en partie haute. [0014] Le fait que la partie supérieure de la chemise soit dénuée de striation permet le glissement de la chemise sur le bloc cylindre dans cette zone, limitant 5 les effets de la dilatation différentielle et le risque de fissures. [0015] Cette solution mérite cependant d'être optimisée encore en ce qui concerne le bon maintien de la cylindricité du fût pendant le fonctionnement du moteur. [0016] Plus précisément, l'invention porte donc sur une chemise de cylindre pour 10 l'habillage de la paroi cylindrique d'un cylindre d'un moteur à combustion interne, la chemise ayant une paroi intérieure destinée au guidage d'un piston en translation et une paroi extérieure destinée à prendre appui sur la paroi cylindrique du cylindre, les parois intérieure et extérieure de la chemise de cylindre étant sensiblement co-cylindriques et délimitant entre elles un bord supérieur de la 15 chemise destiné à recevoir au moins une partie d'un joint de culasse, la paroi extérieure de la chemise de cylindre comprenant une partie supérieure évasée, caractérisée en ce que la paroi extérieure est revêtue, sur tout ou partie de sa surface mais pas sur la partie supérieure évasée qui est nue, d'un revêtement apte à favoriser la liaison mécanique entre la paroi extérieure et une pièce métallique 20 coulée autour de ladite paroi extérieure. Une telle chemise présentera ainsi, une fois coulée dans un bloc cylindre, une bonne cohésion avec le bloc. L'évasement de la partie haute participe au maintien d'une bonne cylindricité de la chemise, mais, cette partie n'étant pas liée intimement au métal coulé autour de la chemise, les effets néfastes de la dilatation différentielle entre le métal de la chemise et celui 25 du bloc dans cette zone sont limités. [0017] De préférence, la paroi extérieure est totalement revêtue du revêtement à l'exception de la partie supérieure évasée qui est nue. [0018] Selon une variante préférentielle de l'invention, la partie supérieure évasée est sensiblement conique. 2 99072 7 5 [0019] De préférence, la partie supérieure comporte une zone conique et une zone extrême cylindrique. [0020] De préférence, dans laquelle le revêtement est un alliage d'aluminium. [0021] De préférence, l'alliage d'aluminium est un alliage d'aluminium-silicium. 5 L'alliage d'aluminium-silicium peut contenir de l'ordre de 12% de silicium. [0022] De préférence, le revêtement est appliqué par projection. [0023] De préférence, le revêtement est du type permettant une liaison intermétallique entre la chemise et de l'aluminium coulé autour de ladite chemise. [0024] L'invention porte aussi sur un bloc cylindres d'un moteur à combustion 10 interne comportant : - un carter comportant au moins un cylindre présentant une paroi cylindrique ; - une chemise de cylindre telle que précédemment définie habillant la paroi cylindrique du cylindre. 15 [0025] De préférence, le carter comporte une pluralité de cylindres tous habillés d'une chemise de cylindre telle que précédemment définie. [0026] De préférence dans un tel bloc cylindres, les bords supérieurs de deux chemises de cylindre habillant les parois de deux cylindres avoisinants présentent entre eux un espace négligeable lorsque le moteur est froid. 20 [0027] De préférence dans un tel bloc cylindres, lorsque le moteur et à une température de fonctionnement donnée, l'espace entre les bords supérieurs de deux chemises de cylindre habillant les parois de deux cylindres avoisinants est nul. [0028] L'invention porte enfin sur un véhicule automobile équipé d'un tel bloc 25 cylindres. 2 99072 7 6 [0029] L'invention est décrite plus en détail ci-après et en référence aux figures représentant schématiquement le système dans son mode de réalisation préférentiel. [0030] La figure 1 présente schématiquement et en une coupe axiale, une 5 chemise de cylindre selon un premier mode de réalisation de l'invention. [0031] La figure 2 présente schématiquement et en une coupe axiale, une vue de détail de la partie haute d'une chemise de cylindre selon le premier mode de réalisation de l'invention. [0032] La figure 3 représente, schématiquement et en une coupe axiale, deux 10 chemises de cylindre selon le premier mode de réalisation de l'invention, habillant deux cylindres avoisinants. [0033] La figure 4 représente, schématiquement et en une coupe axiale, deux chemises de cylindre selon un second mode de réalisation de l'invention, habillant deux cylindres avoisinants. 15 [0034] La figure 5 représente, schématiquement et en une coupe axiale, deux chemises de cylindre selon un troisième mode de réalisation de l'invention, habillant deux cylindres avoisinants. [0035] La figure 6 présente schématiquement et en trois dimensions, un bloc cylindre du type à quatre cylindres en ligne. 20 [0036] La figure 7 présente, schématiquement et en trois dimensions, selon une vue par extrait, deux chemises de cylindre habillant deux cylindres avoisinant d'un bloc cylindres conforme à une variante de l'invention. [0037] Une chemise de cylindre 2 selon le premier mode de réalisation de l'invention est destinée à l'habillage de la paroi cylindrique 1 d'un cylindre bloc 25 cylindres C d'un moteur à combustion interne. La chemise 2 comporte une paroi intérieure 3 destinée au guidage d'un piston en translation et une paroi extérieure 4 destinée à prendre appui sur la paroi cylindrique du cylindre. Les parois intérieure 3 et extérieure 4 de la chemise de cylindre sont sensiblement cocylindriques et délimitent entre elles un bord supérieur 5 de la chemise de cylindre destiné à recevoir au moins une partie d'un joint de culasse interposée entre le bloc cylindres et une culasse. La paroi extérieure 4 de la chemise de cylindre 2 comprend une partie supérieure 6 en évasement vers le bord supérieur 5 de la chemise 2. Selon le premier mode de réalisation de l'invention représenté la figures 1, la paroi extérieure 4 de la chemise de cylindre 2 comprend une partie supérieure 6 sensiblement conique. [0038] Dans l'invention, la paroi extérieure 4 de la chemise de cylindre 2 est revêtue, en tout ou partie, mais à l'exception de la partie supérieure évasée qui est nue, d'un revêtement 8 apte à favoriser la liaison mécanique entre la paroi extérieure et une pièce métallique coulée autour de ladite paroi extérieure. Préférentiellement, le revêtement 8 recouvre toute la paroi extérieure 4 à l'exception de la partie supérieure évasée. Préférentiellement, il s'agit d'un revêtement 8 d'aluminium-silicium. Le taux de silicium peut être de l'ordre de 12%. Le revêtement 8 est par exemple déposé sur la chemise par un procédé de projection. Le revêtement 8 peut typiquement avoir une épaisseur de l'ordre de 0,2mm. [0039] Préférentiellement, lorsque le carter cylindre sera coulé autour des chemises pour former le bloc cylindres, le revêtement va fondre, totalement ou partiellement, afin de lier intimement les chemises au carter cylindre. Ce revêtement permet donc typiquement, lors de la coulée de l'aluminium dans un moule de carter cylindre autour de la chemise, une très bonne cohésion entre l'aluminium du carter cylindrer et l'insert (la chemise) qui est généralement en fonte. [0040] Cela permet, lors de la montée en température du carter cylindre, pendant le fonctionnement du moteur, d'obtenir une meilleure conductivité thermique entre l'intérieur de la chemise et l'aluminium du carter cylindres, et donc de minimiser les déformations du fût du carter cylindres dans la partie située en dessous de la zone conique [0041] Tel que représenté en figure 2, la partie supérieure peut comporter une zone conique 61 et une zone extrême cylindrique 62. Une telle disposition apporte l'avantage d'un même diamètre d'appui pour le joint de culasse, après usinage. [0042] D'autre géométries d'évasement de la partie supérieure 6 sont possibles sans sortir du cadre de l'invention. A la figure 4 sont représentées des chemises 2 comportant une partie supérieure présentant un évasement concave ; à la figure 5 sont représentées des chemises 2 comportant une partie supérieure présentant la succession un évasement concave et d'un évasement convexe. De nombreuses autres géométries d'évasement peuvent être envisagées, mais le diamètre le plus grand de la partie supérieure 6 se situe en tout cas au bord supérieur 5 de la chemise de cylindre. [0043] La différence de diamètre entre celui de la paroi extérieure 4 de la chemise 2 dans sa partie cylindrique et celui à son bord supérieur 5 (là ou l'évasement est maximum) peut être à titre d'exemple, pour une application à un moteur pour véhicule automobile, de l'ordre de 3mm. La hauteur de l'évasement peut être dans ce cadre et à titre d'exemple, de l'ordre de 20mm. [0044] L'évasement de la partie supérieure 6 de la paroi extérieure 4 d'une chemise conforme à l'invention peut être déterminé, pour une application donnée, en fonction d'un espace 7 (représentée en figure 6) entre les parois extérieures 4 des deux chemises de cylindre 2 destinées à habiller les parois cylindriques 1 de deux cylindres avoisinants. [0045] Dans un bloc cylindres employant des chemises 2 conformes à l'invention, on tend à ce que les bords supérieurs 5 de deux chemises de cylindre habillant les parois cylindriques 1 de deux cylindres avoisinants d'un carter cylindres présentent entre eux un espace 7 négligeable lorsque le moteur est froid. On tend également à ce que cet espace disparaisse lorsque le moteur employant le bloc cylindre est chaud, de sorte que les bords supérieurs 5 de deux chemises deux avoisinantes se retrouvent bord à bord, au contact. L'absence d'espace est référencée, exceptionnellement sur la même figure 6, sous la référence 71. [0046] Cette disposition de l'invention permet, outre la limitation ou la suppression de cette zone du carter cylindre favorable à l'apparition de fissures, de créer un pont thermique entre les chemises 2 avoisinantes. Cette disposition permet surtout d'obtenir une surface d'appui pratiquement continue pour l'appui d'un joint de culasse interposé entre l'ensemble des bords supérieurs 5 des chemises de cylindre 2 et la culasse coiffant les cylindres. [0047] Dans l'invention, on obtient donc d'une part tous les avantages connus dans l'état de la technique divulgué par le document FR2887926 , à savoir : - Une bonne tenue thermomécanique de la zone haute du fût (pas d'affaissement de la tablature sous la pression linéique exercée par le joint de culasse) ; - L'amélioration des déformées de fût par la mise à profit du différentiel d'expansion thermique entre l'aluminium (ou ses alliages) et la fonte : l'aluminium, généralement constitutif du carter cylindres, se dilatant plus que la fonte, généralement constitutives des chemises, vient pousser sur la chemise dans la partie conique et donc « refermer » le fût qui a au contraire généralement tendance à « s'ouvrir » sous l'effort de serrage de la culasse. - Une limitation des phénomènes néfastes liés à la dilatation différentielle entre la chemise et le bloc en partie haute de la chemise, la partie haute évasée de la chemise étant dépourvue de moyens d'amélioration de sa cohésion avec le bloc cylindres en partie haute, de sorte que le métal de la chemise puisse glisser sur le métal du bloc dans cette zone. [0048] D'autre part, par l'emploi d'un revêtement adapté, préférentiellement un alliage d'aluminium-silicium, assurant une bonne cohésion entre le carter cylindres et les chemises, on limite encore plus les déformations des fûts par rapport à une application employant une chemise portant sur sa paroi extérieure des striations. Cela permet une réduction de la consommation d'huile, qui est un bon indicateur de l'efficacité (absence de frottements, étanchéité) de l'interface entre le piston (et ses segments) et la chemise. [0049] En appliquant l'invention, sur un moteur donné (ayant un carter cylindres en aluminium avec chemise insérée à la coulée) il est ainsi possible, par comparaison à la technologie connue dans l'état de la technique, de réduire la tare des segments, tout en conservant la même consommation d'huile, et ainsi de réduire les pertes par frottements et donc la consommation du moteur. REVENDICATIONS: 1. Chemise (2) de cylindre pour l'habillage de la paroi cylindrique (1) d'un cylindre d'un moteur à combustion interne, la chemise (2) ayant une paroi intérieure (3) destinée au guidage d'un piston en translation et une paroi extérieure (4) destinée à prendre appui sur la paroi cylindrique (1) du cylindre, les parois intérieure (3) et extérieure (4) de la chemise de cylindre étant sensiblement cocylindriques et délimitant entre elles un bord supérieur (5) de la chemise destiné à recevoir au moins une partie d'un joint de culasse, la paroi extérieure (4) de la chemise de cylindre (2) comprenant une partie supérieure (6) évasée, caractérisée en ce que la paroi extérieure (4) est revêtue, sur tout ou partie de sa surface mais pas sur la partie supérieure (6) évasée qui est nue, d'un revêtement (8) apte à favoriser la liaison mécanique entre la paroi extérieure et une pièce métallique coulée autour de ladite paroi extérieure. 2. Chemise selon la revendication 1, dans laquelle la paroi extérieure (4) est totalement revêtue du revêtement (8) à l'exception de la partie supérieure (6) évasée qui est nue. 3. Chemise selon la revendication 1 ou la revendication 2, dans laquelle la partie supérieure évasée est sensiblement conique. 4. Chemise selon la revendication 1 ou la revendication 2, dans laquelle la partie supérieure (6) comporte une zone conique (61) et une zone extrême cylindrique (62). 5. Chemise selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle le revêtement (8) est un alliage d'aluminium. 6. Chemise selon la revendication 5, dans laquelle l'alliage d'aluminium est un alliage d'aluminium-silicium. 7. Chemise selon la revendication 6, dans lequel l'alliage d'aluminium-silicium contient de l'ordre de 12% de silicium. 8. Chemise selon l'une des revendications précédentes dans laquelle le revêtement (8) est appliqué par projection. 9. Chemise selon l'une des revendications précédentes, en fonte, dans lequel le revêtement (8) est du type permettant une liaison intermétallique entre la chemise (2) et de l'aluminium coulé autour de ladite chemise. 10. Bloc cylindres d'un moteur à combustion interne comportant : - un carter comportant au moins un cylindre présentant une paroi cylindrique (1) ; - une chemise de cylindre (2) selon l'une des revendications 1 à 9 habillant la paroi cylindrique (1) du cylindre. 11. Bloc cylindres selon la revendication 10 dont le carter comporte une pluralité de cylindres tous habillés d'une chemise de cylindre (2) selon l'une quelconque des revendications 1 à 9. 12. Bloc cylindres selon la revendication 11 dans lequel les bords supérieurs (5) de deux chemises (2) de cylindre habillant les parois de deux cylindres avoisinants présentent entre eux un espace (7) négligeable lorsque le moteur est froid. 13. Bloc cylindres selon la revendication 12, dans lequel lorsque le moteur et à une température de fonctionnement donnée, l'espace entre les bords supérieurs (5) de deux chemises (2) de cylindre habillant les parois de deux cylindres avoisinants est nul. 14. Véhicule automobile équipé d'un bloc cylindres selon l'une des revendications 10 à 13.