EP0595676B1 - Agencement d'inserts métalliques pour joints d'expansion de culasse de moteur à combustion interne - Google Patents

Agencement d'inserts métalliques pour joints d'expansion de culasse de moteur à combustion interne Download PDF

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EP0595676B1 EP93402449A EP93402449A EP0595676B1 EP 0595676 B1 EP0595676 B1 EP 0595676B1 EP 93402449 A EP93402449 A EP 93402449A EP 93402449 A EP93402449 A EP 93402449A EP 0595676 B1 EP0595676 B1 EP 0595676B1
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internal combustion
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    • F02F2200/00—Manufacturing
    • F02F2200/06—Casting

Definitions

  • the subject of the invention is the arrangement of metal inserts intended to form expansion joints and arranged for casting, in a cylinder head of an internal combustion engine, in the zones subjected to strong temperature gradients, in particular between two valve seats.
  • the invention also relates to a cylinder head fitted with such inserts.
  • expansion joints constituted by pressed sheet inserts which are, depending on the molding process used, either part, embedded in the sand before casting, or inserted between the metal cores intended to form the conduits. After machining the valve seat housings, these inserts only have two separate arcs joining these seats in the most vulnerable areas.
  • Patent FR-A-9 668 403 describes an insert comprising a cylindrical body, one end of which disposed in the cylinder head opposite the hot surface has a folded collar intended to avoid the concentration of stresses. Before the cylinder head is poured, the insert is partially embedded in the sand cores intended to provide the intake and exhaust ducts. When machining the valve seat housings, the non-functional parts of the insert are removed by the tool and only the parts in a circular arc remain, constituting the expansion joints and arranged between the conduits.
  • FIGS. 1 and 2 a cylinder head of a diesel engine comprising two intake valves 1, 2, per cylinder, an exhaust valve 3 and a combustion prechamber 4.
  • the junction lines between these different elements are also subject to thermal stresses and therefore require the installation of expansion joints, the number and arrangement of which depend on the temperatures of the wall and the directions of expansion observed in each particular case.
  • Figures 1 and 2 show two possibilities for installing these seals.
  • the two seals 5 and 6 are arranged symmetrically, in an arc, the concavities of which face each other according to a projection parallel to the axis of the cylinder, for each possible direction.
  • Figure 2 shows a cylinder head having a single seal 7 per direction.
  • the invention provides an arrangement of metal inserts, composed of a cylindrical body connected to a folded edge forming a collar, arranged in the casting, to form at least one expansion joint, in a cylinder head.
  • internal combustion engine comprising more than two channels per cylinder, separated by zones subjected to thermal stresses.
  • the inserts are interconnected by tabs or partitions which have come into shape with said inserts to form a cluster arranged and maintained in the cylinder head mold so that each of the elementary inserts is located, after casting, in one of the zones of constraint located between two adjacent channels.
  • the cluster 8 shown in Figures 3 and 4 is made of stamped sheet metal, it is composed of four identical elementary inserts 10.
  • Each insert is formed by a cylindrical body 14 connected to a folded edge forming a collar 15, said collar having two flares 16 and 17 at a salient angle, the vertices 16s and 17s of which are arranged on a radial axis XX.
  • Each insert 10 is joined to the two adjacent inserts by a tongue 20, 21 situated in the plane of the collar 15 and connected to the latter in a zone 18, 19 close to the radial axis ZZ, perpendicular to the axis XX joining the tops of the flares of said collar.
  • flared zones 16 and 17 which constitute the functional parts of the insert capable of ensuring the function of expansion joint in the cylinder head.
  • Their protruding angle configuration avoids stress concentrations and prevents them from turning during the machining of the valve seats and the combustion prechamber.
  • the cluster arrangement of the four elementary inserts 10 is made along two perpendicular axes of symmetry I-I, II-II.
  • the axes XX of each insert 10 are concurrent two by two at a point 28, 29 located on the same axis of symmetry II of the cluster 8.
  • the latter also comprises two fins 24, 25 formed with the tongues 21 and folded at right angles to them. These fins are thus arranged on the second axis of symmetry II-II of the cluster 8.
  • the cluster of inserts 8 is placed on the bottom of the plate 27 so that its axis of symmetry II is perpendicular to the axes 43, 44 of the cores, respectively, 33 and 34 and that its axis of symmetry II-II is perpendicular to the axes 41, 42, respectively, of the cores 31 and 32.
  • the tongues 21 are tangent to the latter cores so that the fins 24, 25 which they carry are engaged in housings 35, 36 made longitudinally on the outer wall of said cores, to ensure the positioning of the cluster and its keeping in rotation in the plane of the plate 27.
  • metal pins cover the cores 31-33 to form the intake (pins 37 and 38) and exhaust (pin 39) conduits.
  • the pins 37 and 38 which cover the cores carrying the housings of the fins 24 and 25 ensure the maintenance of the cluster in the vertical plane.
  • the cluster 8 is therefore perfectly maintained in all planes during casting.
  • the elementary inserts 10 are inserted between the cores so that their functional zones formed by the flares 16, 17 of the collars 15 cover the directions of expansion in an arc of a circle as defined in FIG. 1.
  • the cluster of inserts according to the invention is easy to handle, it can be carried out both manually and automatically. Thanks to its means of indexing and holding in place, it makes it possible to reduce the time of the operation while ensuring greater security of positioning.

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Description

  • L'invention a pour objet l'agencement d'inserts métalliques destinés à former des joints d'expansion et disposés à la coulée, dans une culasse de moteur à combustion interne, dans les zones soumises à de forts gradients de température, notamment entre deux sièges de soupapes. L'invention a également pour objet une culasse équipée de tels inserts.
  • Pour éviter la formation de criques d'origine thermique on utilise actuellement de façon courante dans les culasses, notamment de moteurs diesel, des joints d'expansion constitués par des inserts en tôle emboutie qui sont, suivant le procédé de moulage utilisé, soit, en partie, noyés dans le sable avant la coulée, soit insérés entre les noyaux métalliques destinés à former les conduits. Après usinage des logements des sièges de soupape, il ne reste plus de ces inserts que deux arcs distincts joignant ces portées dans les zones les plus vulnérables.
  • Le brevet FR-A-9 668 403 décrit un insert comportant un corps cylindrique dont une extrémité disposée dans la culasse à l'opposé de la surface chaude présente une collerette rabattue destinée à éviter la concentration des contraintes. Avant la coulée de la culasse l'insert est en partie noyé dans les noyaux de sable destinés à ménager les conduits d'admission et d'échappement. Lors de l'usinage des logements des sièges de soupape, les parties de l'insert non fonctionnelles sont enlevées par l'outil et il ne reste que les parties en arc de cercle constituant les joints d'expansion et disposées entre les conduits.
  • On connaît également, notamment par le brevet européen 126 922, des inserts métalliques composés de deux pièces en arc de cercle réunies par des parties de maintien insérées à force entre les noyaux de fonderie, avant la coulée du métal.
  • Lorsque la conformation de la culasse du moteur ne nécessite l'implantation que d'un ou deux inserts de ce type par cylindre, la mise en place de ceux-ci ne présente aucune difficulté. Il n'en va pas de même lorsqu'il s'avère nécessaire d'en implanter plusieurs. C'est le cas, notamment, pour les culasses des moteurs diesel multisoupapes.
  • A titre d'exemple, on a représenté schématiquement, figures 1 et 2, une culasse d'un moteur diesel comportant deux soupapes d'admission 1, 2, par cylindre, une soupape d'échappement 3 et une préchambre de combustion 4. Les lignes de jonction entre ces différents éléments sont également soumises aux contraintes thermiques et nécessitent donc l'implantation de joints d'expansion dont le nombre et la disposition dépendent des températures de la paroi et des orientations de dilatation observées dans chaque cas particulier.
  • Les figures 1 et 2 montrent deux possibilités d'implantation de ces joints. Sur la figure 1, les deux joints 5 et 6 sont disposés symétriquement, en arc de cercle dont les concavités se font face selon une projection parallèle à l'axe du cylindre, pour chaque direction possible. La figure 2 montre une culasse comportant un seul joint 7 par direction.
  • Pour réaliser ce type de culasse, il faut donc disposer dans le moule, avant la coulée, quatre inserts par cylindre. L'opération devient ainsi longue, de plus, elle multiplie les risques de mauvais positionnement des inserts et donc les risques de rebut, d'où une augmentation importante des coûts de fabrication.
  • Pour remédier à ces problèmes, l'invention propose un agencement d'inserts métalliques, composés d'un corps cylindrique raccordé à un bord plié formant collet, disposés à la coulée, pour former au moins un joint d'expansion, dans une culasse de moteur à combustion interne comportant plus de deux canaux par cylindre, séparés par des zones soumises à des contraintes thermiques. Selon cet agencement les inserts sont reliés entre eux par des languettes ou cloisons venues de forme avec lesdits inserts pour former une grappe disposée et maintenue dans le moule de la culasse de façon que chacun des inserts élémentaires se trouve implanté, après la coulée, dans l'une des zones de contrainte située entre deux canaux adjacents.
  • Selon d'autres caractéristiques,
    • Chacune des languettes ou cloisons de liaison est engagée dans le moule au contact d'un des noyaux destinés à former les canaux de la culasse.
    • Au moins une languette ou cloison porte une ailette de positionnement coopérant avec un logement pratiqué dans le noyau avec lequel ladite languette ou cloison est en contact.
    • Chaque insert comporte deux parties actives formant joint d'expansion, diamétralement opposées et constituées par deux évasements, en forme d'angle saillant, de son collet.
    • Selon une forme de réalisation, la grappe est formée de quatre inserts élémentaires et les axes réunissant les sommets des évasements précités concourent deux à deux en un point situé sur un axe de symétrie de ladite grappe.
  • D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre, pour la compréhension de laquelle on se reportera aux dessins annexés, dans lesquels :
    • les figures 1 et 2 sont des vues schématiques en plan, limitées à un cylindre, d'une culasse montrant deux exemples d'implantation de joints d'expansion,
    • la figure 3 est une vue en plan d'une grappe d'inserts selon l'invention,
    • la figure 4 est une vue perspective d'une grappe d'inserts selon la figure 3,
    • la figure 5 est une vue analogue à la figure 1 montrant la grappe selon la figure 4, implantée dans la culasse,
    • la figure 6 est une vue en plan analogue aux précédentes, montrant un moule permettant d'obtenir la culasse selon la figure 5,
    • la figure 6a est une vue en coupe selon AA de la figure 6 et,
    • la figure 6b est une vue en coupe selon BB de la figure 6,
  • La grappe 8 représentée figures 3 et 4 est réalisée en tôle emboutie, elle est composée de quatre inserts élémentaires 10 identiques. Chaque insert est formé d'un corps cylindrique 14 raccordé à un bord plié formant collet 15, ledit collet présentant deux évasements 16 et 17 en angle saillant dont les sommets 16s et 17s sont disposés sur un axe radial XX. Chaque insert 10 est réuni aux deux inserts adjacents par une languette 20, 21 située dans le plan du collet 15 et raccordée à celui-ci dans une zone 18, 19 voisine de l'axe radial ZZ, perpendiculaire à l'axe XX réunissant les sommets des évasements dudit collet.
  • Ce sont ces zones évasées 16 et 17 qui constituent les parties fonctionnelles de l'insert aptes à assurer la fonction de joint d'expansion dans la culasse. Leur configuration en angle saillant permet d'éviter les concentrations de contraintes et les empêche de tourner pendant l'usinage des sièges de soupapes et de la préchambre de combustion.
  • La disposition en grappe des quatre inserts élémentaires 10 se fait selon deux axes de symétrie I-I, II-II, perpendiculaires. Les axes XX de chaque insert 10 sont concourants deux à deux en un point 28, 29 situé sur un même axe de symétrie I-I de la grappe 8. Celle-ci comporte encore deux ailettes 24, 25 venues de forme avec les languettes 21 et pliées à angle droit par rapport à celles-ci. Ces ailettes sont ainsi disposées sur le second axe de symétrie II-II de la grappe 8.
  • On va maintenant décrire, en référence aux figures 6 à 6b, l'implantation d'une grappe d'inserts 8 dans un moule de culasse. La partie inférieure 26 de cette culasse est obtenue au moyen d'une plaque métallique 27 disposée dans le moule qui porte des noyaux, également métalliques, permettant l'ébauche du logement des soupapes et de la préchambre de combustion. C'est ainsi que, sur la figure 6, l'ébauche du logement des soupapes d'admission est obtenue au moyen des noyaux 31, 32, celui de la soupape d'échappement par le noyau 33 tandis que le noyau 34 permet l'ébauche de la préchambre.
  • La grappe d'inserts 8 est placée sur le fond de la plaque 27 de façon que son axe de symétrie I-I soit perpendiculaire aux axes 43, 44 des noyaux, respectivement, 33 et 34 et que son axe de symétrie II-II soit perpendiculaire aux axes 41, 42, respectivement, des noyaux 31 et 32. De la sorte, les languettes 21 sont tangentes à ces derniers noyaux de façon que les ailettes 24, 25 qu'elles portent se trouvent engagées dans des logements 35, 36 pratiqués longitudinalement sur la paroi externe desdits noyaux, pour assuret le positionnement de la grappe et son maintien en rotation dans le plan de la plaque 27.
  • Comme on le voit sur les coupes des figures 6a et 6b, des broches métalliques coiffent les noyaux 31-33 pour former les conduits d'admission (broches 37 et 38) et d'échappement (broche 39). Ainsi les broches 37 et 38 qui coiffent les noyaux portant les logements des ailettes 24 et 25 assurent le maintien de la grappe dans le plan vertical. La grappe 8 est donc parfaitement maintenue dans tous les plans durant la coulée.
  • On voit encore, sur les figures précitées, le noyau 40 servant à former le circuit de refroidissement de la culasse, celui-ci ne sera pas décrit plus longuement, en effet, il ne participe pas à l'invention.
  • Lorsque la grappe est mise en place, les inserts élémentaires 10 sont insérés entre les noyaux de façon que leurs zones fonctionnelles formées par les évasements 16, 17 des collets 15 recouvrent les orientations de dilatation en arc de cercle telles que définies sur la figure 1.
  • Lors de l'usinage du logement des sièges de soupape et de la chambre de combustion, les parties de chacun des inserts élémentaires hors de la zone fonctionnelle sont enlevés par l'outil ainsi que les éléments de liaison de la grappe et seuls subsistent les évasements 16 et 17 formant joints d'expansion (figure 6).
  • La grappe d'inserts selon l'invention est d'une manipulation aisée, elle peut être effectuée aussi bien manuellement qu'automatiquement. Grâce à ses moyens d'indexation et de maintien en place, elle permet de réduire le temps de l'opération tout en assurant une plus grande sécurité de positionnement.
  • Bien entendu, les exemples de réalisation que l'on vient de décrire ne sont pas limitatifs, en particulier en ce qui concerne le nombre des inserts d'une même grappe et leur forme. Il n'est pas nécessaire, non plus, que tous les inserts d'une même grappe soient identiques ni qu'ils soient disposés de façon symétrique.

Claims (6)

  1. Agencement d'inserts métalliques (10), composés d'un corps (14) cylindrique raccordé à un bord plié formant collet (15), disposés avant la coulée, pour former au moins un joint d'expansion, dans une culasse de moteur à combustion interne comportant plus de deux canaux (1-4) par cylindre, séparés par des zones soumises à des contraintes thermiques,
    consistant à relier ces inserts entre eux par des languettes ou cloisons (20), (21) venues de forme avec lesdits inserts pour former une grappe (8) disposée et maintenue dans le moule de la culasse de façon que chacun des inserts élémentaires (10) se trouve implanté, après la coulée, dans l'une des zones de contrainte située entre deux canaux (1-4) adjacents.
  2. Agencement d'inserts métalliques selon la revendication 1,
    caractérisé en ce que chacune des languettes ou cloisons de liaison (20), (21) est engagée dans le moule au contact d'un des noyaux (31-34) destinés à former les canaux (1-4) de la culasse.
  3. Agencement d'inserts métalliques selon la revendication 2,
    caractérisé en ce que au moins une languette ou cloison (21) porte une ailette de positionnement (24), (25) coopérant avec un logement (35) (36) pratiqué dans le noyau (31), (32) avec lequel ladite languette ou cloison est en contact.
  4. Agencement d'inserts métalliques selon l'une des revendications précédentes,
    caractérisé en ce que chaque insert (10) comporte deux parties actives (16), (17) formant joint d'expansion, diamétralement opposées et constituées par deux évasements, en forme d'angle saillant, de son collet (15).
  5. Agencement d'inserts métalliques selon la revendication 4,
    caractérisé en ce que la grappe d'inserts (8) est formée de quatre inserts élémentaires (10) et en ce que les axes (XX) réunissant les sommets (16s) (17s) des évasements (16), (17) concourent deux à deux en un point (28), (29) situé sur un axe de symétrie (I-I) de ladite grappe.
  6. Culasse de moteur à combustion interne, notamment diesel, équipée, à la coulée, de grappes d'inserts (8) réalisées selon l'agencement d'une des revendications précédentes.
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