Brevet FR2982322A1 — publié le 20130510

CULASSE CONSTITUTIVE D'UN MOTEUR A COMBUSTION INTERNE EQUIPANT UN VEHICULE AUTOMOBILE pool L'invention relève du domaine des moteurs à combustion interne équipant un véhicule automobile. Elle a pour objet une culasse constitutive d'un tel moteur. Elle a aussi pour objet un moteur à combustion interne comprenant une telle culasse. Elle a enfin pour objet un procédé de réalisation d'une telle culasse. [0002] Un véhicule automobile est couramment équipé d'un moteur à combustion interne pour permettre son déplacement. Le moteur à combustion interne comprend un bloc-cylindres associé à une culasse. Le bloc-cylindres loge au moins un cylindre à l'intérieur duquel circule un piston. La culasse est agencée pour obturer une partie supérieure de chaque cylindre. Ainsi, la culasse comprend au moins une zone supérieure qui coiffe le cylindre qui lui est affecté. De plus, la culasse est pourvue de soupapes d'admission et d'évacuation qui sont respectivement destinées à permettre une admission d'air et d'un carburant, et une évacuation de gaz d'échappement issus de la combustion du carburant. Les soupapes sont intégrées à ladite zone supérieure pour délivrer l'air et le carburant à l'intérieur du cylindre et pour évacuer les gaz d'échappement hors du cylindre. [0003] La zone supérieure comprend des sièges de soupape contre lesquels les soupapes viennent en appui. Les sièges de soupape sont séparés les uns des autres par des parois couramment dénommées pontets. On pourra par exemple se reporter au document US 5,738,061 (KAWAMURA) qui décrit une culasse du genre susvisé. [0004] II est courant que les pontets se fissurent en raison de sollicitations thermomécaniques importantes que subit la culasse. En début d'une phase de fonctionnement du moteur à combustion interne, les pontets sont plus chauds que la culasse dans sa globalité. Les pontets ont donc tendance à se dilater davantage que le reste de la culasse. Contraints par le reste de la culasse, les pontets sont donc soumis à une compression à chaud. Lors du refroidissement du moteur à combustion interne, un phénomène inverse se produit : les pontets ont tendance à se refroidir plus vite que le reste de la culasse en raison de leur faible épaisseur. Les pontets sont alors soumis à une traction à froid. [0005] Une telle sollicitation thermomécanique cyclique comprenant des phases de compression à chaud suivies de phases de traction à froid implique de disposer de pontet d'une épaisseur minimale. Or, il est souhaitable dans certains cas d'implanter des soupapes comportant un diamètre de plus en plus grand, pour un cylindre de dimension constante. Il en résulte un problème général qui réside dans un compromis à trouver entre une épaisseur de pontets qui soit la plus grande possible et un diamètre de soupape qui soit également le plus grand possible, pour un bloc-cylindres de même dimension. [0006] Un but de la présente invention est de proposer une culasse constitutive d'un moteur à combustion interne équipant un véhicule automobile, la culasse comprenant au moins une zone supérieure destinée à coiffer un cylindre respectif ménagé à l'intérieur d'un bloc-cylindres constitutif du moteur à combustion interne, la zone supérieure comportant au moins un pontet de séparation entre des sièges de soupapes ménagés à travers la zone supérieure, le pontet étant résistant à des sollicitations thermomécaniques cycliques, y compris dans le cas où chaque siège de soupape comporte un diamètre supérieur à celui communément admis pour un diamètre de cylindre constant. Un autre but de la présente invention est de proposer un moteur à combustion interne comprenant une telle culasse. Un dernier but de la présente invention est de proposer un procédé de fabrication d'une telle culasse. [0007] Une culasse de la présente invention est une culasse constitutive d'un moteur à combustion interne équipant un véhicule automobile. La culasse comprend au moins une zone supérieure destinée à surplomber un cylindre respectif ménagé à l'intérieur d'un bloc-cylindres constitutif du moteur à combustion interne. mos] Selon la présente invention, la zone supérieure est constituée d'une plaque en acier. [0009] La plaque en acier est avantageusement formée d'une galette conformée en un cercle d'un diamètre de plaque. [0olo] De préférence, la plaque en acier comporte au moins deux couples de sièges de soupapes, dont deux sièges de soupape d'admission qui sont chacun constitués d'un orifice circulaire d'un diamètre d'admission, et deux sièges de soupape d'échappement qui sont chacun constitués d'un orifice circulaire d'un diamètre d'échappement. [0011] Un premier pontet d'une première épaisseur sépare avantageusement les sièges de soupape d'admission entre eux, un rapport entre la première épaisseur et le diamètre d'admission étant compris entre 12% et 18%. [0012] Un deuxième pontet d'une deuxième épaisseur sépare avantageusement les sièges de soupape d'échappement entre eux, un rapport entre la deuxième épaisseur et le diamètre d'échappement étant compris entre 11% et 17%. [0013] Un troisième pontet d'une troisième épaisseur sépare avantageusement les 15 sièges de soupape d'admission des sièges de soupape d'échappement, un rapport entre la troisième épaisseur et le diamètre d'échappement étant compris entre 7% et 13%. [0014] Un moteur à combustion interne de la présente invention est principalement reconnaissable en ce que le moteur à combustion interne 20 comprend une telle culasse et un bloc-cylindres comportant au moins un cylindre qui est obturé par la zone supérieure. [0015] Le cylindre est préférentiellement d'un diamètre de cylindre qui est inférieur ou égal au diamètre de plaque. [0016] De préférence, un rapport entre le diamètre d'admission et le diamètre de 25 cylindre est compris entre 38% et 44% et un rapport entre le diamètre d'échappement et le diamètre de cylindre est compris entre 30% et 36%. [0017] Un procédé de réalisation d'une telle culasse est principalement reconnaissable en ce que le procédé comprend : - une étape d'usinage d'au moins une ouverture à travers un bâti constitutif de la culasse, - une étape d'insertion en force d'une plaque d'acier respective à l'intérieur de chaque ouverture, - une étape d'usinage de la face culasse et des logements de sièges de soupape à travers chaque plaque d'acier [0018] D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description qui va en être faite d'exemples de réalisation, en relation avec les figures des planches annexées, dans lesquelles : - La figure 1 est une vue schématique en coupe d'un moteur à combustion interne de la présente invention. - La figure 2 est une vue schématique de dessus d'une culasse constitutive du moteur à combustion interne illustré sur la figure précédente. - La figure 2bis est une vue de détail d'une plaque en acier constitutive de la culasse illustrée sur la figure 2. - Les figures 3a à 3c illustrent un premier procédé de réalisation de la culasse illustrée sur la figure 2. - Les figures 4a à 4c illustrent un deuxième procédé de réalisation de la culasse illustrée sur la figure 2. [0019] Sur la figure 1, un véhicule automobile est équipé d'un moteur à combustion interne 1 pour pourvoir à son déplacement. Le moteur à combustion interne 1 est indifféremment un moteur Diesel ou un moteur à essence. Le moteur à combustion interne 1 comprend un bloc-cylindres 2 et une culasse 3 entre lesquels est interposé un joint de culasse 4. Le bloc-cylindres 2 loge au moins un cylindre 5 qui est prévu pour recevoir un piston mobile en translation à l'intérieur du cylindre 5. Le cylindre 5 est conformé en un cylindre d'un diamètre de cylindre D1. La culasse 3 délimite au moins une chambre de combustion 6 qui est en communication avec le cylindre 5. Plus particulièrement, la chambre de combustion 6 surplombe le cylindre 5 et forme une extension axiale de ce dernier. Ainsi, la culasse 3 comprend une zone supérieure ZS qui délimite la chambre de combustion 6 et coiffe le cylindre 5 correspondant. La zone supérieure ZS est conformé en une galette circulaire d'un diamètre équivalent au diamètre de cylindre D1. Préférentiellement, les cylindres 5 et les chambres de combustion 6 sont en pluralité. [0020] La culasse 3 est équipée d'au moins un couple de soupapes 7,7', dont une soupape d'admission 7 et une soupape d'échappement 7'. Chaque couple de soupapes 7,7' est affecté à une chambre de combustion 6 respective. La soupape d'admission 7 permet une admission d'air et de carburant à l'intérieur de la chambre de combustion 6 tandis que la soupape d'échappement 7' permet une évacuation hors de la chambre de combustion 6 de gaz d'échappement issus de la combustion du carburant. [0021] Selon la présente invention, et tel qu'illustré sur la figure 2, la culasse 3 comprend au moins une plaque d'acier 8 qui forme ladite zone supérieure ZS. Autrement dit, la culasse 3 comprend un bâti 9 qui reçoit par emboîtement en force la plaque d'acier 8 qui est ménagée en surplomb de la chambre de combustion 6. Le bâti 9 est par exemple réalisé en fonte ou en alliage d'aluminium, notamment par fonderie. Le bâti 9 comporte au moins une ouverture 10 qui est obturée par la plaque d'acier 8. L'ouverture 10 est préférentiellement circulaire pour recevoir par emboîtement en force la plaque d'acier 8 de conformation identique. La plaque d'acier 8 est notamment constituée d'une galette circulaire d'un diamètre de plaque D2 qui est supérieur ou égal au diamètre de cylindre D1. Préférentiellement la plaque d'acier 8 est d'un diamètre de plaque D2 qui est égal au diamètre de cylindre D1 pour surplomber exactement le cylindre 5. Le bâti 9 comprend autant d'ouvertures 10 que le bloc-cylindres 2 loge de cylindres 5. En position d'association de la culasse 3 et du bloc-cylindres 2, l'ouverture 10 et/ou la plaque d'acier 8 surplombent le cylindre 5 auquel elles sont affectées. [0022] Chaque plaque d'acier 8 est pourvue d'autant de logements de sièges de soupape 11,11' que le cylindre correspondant 5 est muni de soupape 7,7'. Selon l'exemple illustré sur la figure 2, chaque plaque d'acier 8 comporte deux sièges de soupape d'admission 11 pour les deux soupapes d'admission 7 et deux sièges de soupape d'échappement 11' pour les deux soupapes d'échappement 7'. Les logements de sièges de soupapes d'admission 11 sont formés d'orifices circulaires d'un diamètre d'admission D3 tandis que les logements sièges de soupapes d'échappement 11' sont formés d'orifices circulaires d'un diamètre d'échappement D3'. A titre d'exemple, un rapport entre le diamètre d'admission D3 et le diamètre de cylindre D1 est compris entre 38% et 44%, préférentiellement de l'ordre de 41%. A titre d'exemple encore, un rapport entre le diamètre d'échappement D3' et le diamètre de cylindre D1 est compris entre 30% et 36%, préférentiellement de l'ordre de 33%. Il en découle que de tels rapports sont supérieurs à ceux de l'art antérieur. Autrement dit, la présente invention permet pour des cylindres de même dimension de disposer de soupape de diamètre plus grand. Il en résulte finalement une meilleure performance du moteur à combustion interne 1 à iso-cylindré par rapport à un moteur à combustion interne de l'art antérieur. [0023] Cette performance optimisée du moteur à combustion interne 1 de la présente invention est obtenu sans risque de fissuration de pontets 12,12',12" ménagés entre les sièges de soupape 11,11'. Les pontets 12,12',12" sont formés de paroi de matière isolant les sièges de soupape 11,11' les uns des autres. Les pontets 12,12',12" sont constitutifs de la plaque d'acier 8 et sont donc avantageusement réalisé en acier ce qui leur confère une résistance thermomécanique supérieure à des pontets réalisés en alliage d'aluminium, matière constitutive du bâti 9. [0024] Ainsi, un premier pontet 12 sépare les sièges de soupape d'admission 11 l'un de l'autre tandis qu'un deuxième pontet 12' sépare les sièges de soupape d'échappement 11' l'un de l'autre et que deux troisièmes pontets 12" séparent respectivement les sièges de soupape d'admission 11 des sièges de soupape d'échappement 11'. En se reportant plus particulièrement sur la figure 2bis, le premier pontet 12 est d'une première épaisseur E, le deuxième pontet 12' est d'une deuxième épaisseur E' et le troisième pontet 12" est d'une troisième épaisseur E". Chaque épaisseur E,E',E" est mesurée entre les sièges de soupapes 11,11' là où un espacement entre les sièges de soupapes 11,11' est le plus faible. Un rapport entre la première épaisseur E et le diamètre d'admission D3 est compris entre 12% et 18%, préférentiellement de l'ordre de 15%. Un rapport entre la deuxième épaisseur E' et le diamètre d'échappement D3' est compris entre 11% et 17%, préférentiellement de l'ordre de 14%. Un rapport entre la troisième épaisseur E" et le diamètre d'échappement D3' est compris entre 7% et 13%, préférentiellement de l'ordre de 10%. Ces dispositions sont telles que les pontets 12,12',12" sont réduits au minimum, tout en étant résistants aux sollicitations thermomécaniques cycliques, de telle sorte qu'aucune fissure n'affecte les pontets 12,12',12". [0025] La plaque d'acier 8 sur laquelle sont implantées les soupapes 7,7' offre un compromis satisfaisant entre d'une part des pontets 12,12',12" qui sont les plus résistants possible et d'autre part un diamètre d'admission D3 et un diamètre d'échappement D3' des sièges de soupape 11,11' qui sont le plus grand possible, pour un cylindre 5 d'un diamètre de cylindre D1 donné. [0026] Sur les figures 3a à 3c, un premier procédé de réalisation d'une telle 20 culasse 3 comprend les étapes successives suivantes : - une première étape d'usinage d'au moins une ouverture 10 à travers la culasse 3, tel qu'illustré sur la figure 3a, - une étape d'insertion en force d'une plaque d'acier 8 à l'intérieur de chaque ouverture 10, tel qu'illustré sur la figure 3b, 25 - une deuxième étape d'usinage de la face culasse et des logements de sièges de soupape 11,11' à travers chaque plaque d'acier 8, tel qu'illustré sur la figure 3c. Sur les figures 4a à 4c, un deuxième procédé de réalisation d'une telle culasse 3 comprend les étapes successives suivantes : - une première étape d'usinage d'au moins une ouverture 10 à travers la culasse 3, tel qu'illustré sur la figure 4a, - une deuxième étape d'usinage des logements de sièges de soupape 11,11' à travers au moins une plaque d'acier 8, tel qu'illustré sur la figure 4b, - une étape d'insertion en force de chaque plaque d'acier 8 à l'intérieur de l'ouverture 10 qui lui est affecté, et d'usinage de la face culasse tel qu'illustré sur la figure 4c. REVENDICATIONS1.- Culasse (3) constitutive d'un moteur à combustion interne (1) équipant un véhicule automobile, la culasse comprenant au moins une zone supérieure (ZS) destinée à surplomber un cylindre (5) respectif ménagé à l'intérieur d'un bloc-cylindres (2) constitutif du moteur à combustion interne (1), caractérisé en ce que la zone supérieure (ZS) est constituée d'une plaque en acier (8). 2.- Culasse (3) selon la revendication précédente, caractérisée en ce que la plaque en acier (8) est formée d'une galette conformée en un cercle d'un diamètre de plaque (D2). 3.- Culasse (3) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la plaque en acier (8) comporte au moins deux couples de sièges de soupapes (11,11'), dont deux sièges de soupape d'admission (11) qui sont chacun constitués d'un orifice circulaire d'un diamètre d'admission (D3), et deux sièges de soupape d'échappement (11') qui sont chacun constitués d'un orifice circulaire d'un diamètre d'échappement (D3'). 4.- Culasse (3) selon la revendication 3, caractérisée en ce qu'un premier pontet (12) d'une première épaisseur (E) sépare les sièges de soupape d'admission (11) entre eux, un rapport entre la première épaisseur (E) et le diamètre d'admission (D3) étant compris entre 12% et 18%. 5.- Culasse (3) selon la revendication 3, caractérisée en ce qu'un deuxième pontet (12') d'une deuxième épaisseur (E') sépare les sièges de soupape d'échappement (11') entre eux, un rapport entre la deuxième épaisseur (E') et le diamètre d'échappement (D3') étant compris entre 11% et 17%. 6.- Culasse (3) selon la revendication 3, caractérisée en ce qu'un troisième pontet (12") d'une troisième épaisseur (E") sépare les sièges de soupape d'admission (11) des sièges de soupape d'échappement (11'), un rapport entre la troisième épaisseur (E") et le diamètre d'échappement (D3') étant compris entre 7% et 13%. 2 9 82 322 10 7.- Moteur à combustion interne (1) comprenant une culasse (3) selon l'une quelconque des revendications précédentes et un bloc-cylindres (2) comportant au moins un cylindre (5) qui est obturé par la zone supérieure (ZS) 5 8.- Moteur à combustion interne (1) selon la revendication 7, caractérisé en ce que le cylindre (5) est d'un diamètre de cylindre (D1) qui est inférieur ou égal au diamètre de plaque (D2). 9.- Moteur à combustion interne (1) selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'un rapport entre le diamètre d'admission (D3) et le diamètre de cylindre 10 (D1) est compris entre 38% et 44% et en ce qu'un rapport entre le diamètre d'échappement (D3') et le diamètre de cylindre (D1) est compris entre 30% et 36%. 10.- Procédé de réalisation d'une culasse (3) selon l'une quelconque des revendications 3 à 6, caractérisé en ce que le procédé comprend : 15 - une étape d'usinage d'au moins une ouverture (10) à travers un bâti (9) constitutif de la culasse (3), - une étape d'insertion en force d'une plaque d'acier respective (8) à l'intérieur de chaque ouverture (10), - une étape d'usinage de la face culasse et des logements de sièges de 20 soupape (11,11') à travers chaque plaque d'acier (8).