EP0958076B1 - Procede et noyau pour la realisation par moulage d'une culasse de moteur a combustion interne - Google Patents

Procede et noyau pour la realisation par moulage d'une culasse de moteur a combustion interne Download PDF

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EP0958076B1
EP0958076B1 EP97932896A EP97932896A EP0958076B1 EP 0958076 B1 EP0958076 B1 EP 0958076B1 EP 97932896 A EP97932896 A EP 97932896A EP 97932896 A EP97932896 A EP 97932896A EP 0958076 B1 EP0958076 B1 EP 0958076B1
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EP
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cylinder head
core
mould core
combustion engine
moulding
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FrançoisLe Mehnhir BAUDLOT
Patrick Gallard
André LE NEZET
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Renault SAS
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Renault SAS
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    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F1/00—Cylinders; Cylinder heads 
    • F02F1/24—Cylinder heads
    • F02F1/42—Shape or arrangement of intake or exhaust channels in cylinder heads
    • F02F1/4214—Shape or arrangement of intake or exhaust channels in cylinder heads specially adapted for four or more valves per cylinder
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22C—FOUNDRY MOULDING
    • B22C9/00—Moulds or cores; Moulding processes
    • B22C9/10—Cores; Manufacture or installation of cores
    • B22C9/103—Multipart cores
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D19/00—Casting in, on, or around objects which form part of the product
    • B22D19/0009—Cylinders, pistons

Definitions

  • the present invention relates to a process for the production of foundry parts and aims more particularly a process for casting a cylinder head for internal combustion engine as well that a nucleus for the implementation of this process, to improve accuracy dimensions of all the bedrooms combustion, intake ducts, ducts exhaust.
  • a cylinder head of internal combustion engine is performed in a mold comprising at least one core for each combustion chamber, duct sub-assemblies intake and exhaust pipes.
  • the core defining the shapes of the combustion chambers often being produced by an integrated footprint the sole (metal bottom) of the mold.
  • Such devices have the disadvantage of being sensitive to deviations from positioning of the nuclei with respect to others, these positioning differences coming from either inaccuracies when installing cores in the mold, or movements of the nuclei during of the metal casting caused by the difference density between the cores and the cast metal.
  • This disturbance caused by the spoiler is less important than the one previously created by the offset of the end of the duct with the valve seat but is nevertheless penalizing in the case of weak pipes and valves diameter.
  • the object of the present invention is therefore to propose a method for casting a cylinder head as well that a nucleus allowing to directly obtain a good location of the valve seats by relative to intake and exhaust ducts so as to eliminate the calibration machining and get better gas flow.
  • the method according to the invention relates to molding of a combustion engine cylinder head internal, of the type by which an alloy is poured metal in a mold containing non-nucleus fuses corresponding in particular to the parts hollowed out from the cylinder head such as the chambers of combustion, intake ducts, ducts exhaust and water or oil chambers.
  • the process is characterized in that it comprises a step of placing in the mold of a monobloc core integrating the shapes defining both the chambers of combustion and the intake ducts, and supporting rings making up the valve seats.
  • the monobloc core also incorporates the shapes defining the exhaust pipes.
  • the cylinder head valve seats are made by added and inserted rings during casting, said rings being supported by the monobloc core.
  • the monobloc core also incorporates the adapted forms defining the gross repository used for machining starts.
  • the invention also relates to a core intended for be used for the implementation of the process defined above and characterized in that it is monobloc type and integrates the forms defining both the combustion chambers and the ducts of admission, and in that it supports rings serving valve seats.
  • the monobloc core integrates also the shapes defining the conduits exhaust and supports the rings serving as valve seat.
  • the monobloc core also incorporates the adapted forms defining the gross repository used for machining starts.
  • said one-piece core is made in a core box and is made of sand compressed and agglomerated with a binder such as resin.
  • Figure 1 shows an embodiment particular of a core 1 for the realization by molding of a combustion engine cylinder head internal according to the invention.
  • the monobloc core 1 of FIGS. 1 to 3 has four identical parts 4 regularly spaced, arranged in the same alignment, and defining the four combustion chambers of the cylinder head to be molded.
  • Each combustion chamber 4 of the monobloc core 1 is connected in its part greater than two arms 2 and an arm 3 defining the two intake ducts and the two Siamese cylinder head exhaust pipes to mold.
  • rings 7, not shown on the Figures 1 and 2 are arranged around the conduits intake 2 and exhaust 3, against combustion chambers 4 of the monobloc core 1. These rings 7 are made of material suitable for the valve seat and allow inserting valve seats when pouring of the cylinder head molding.
  • the core monoblock 1 comprises a part 5 arranged under the combustion chambers 4. This part 5 extends mainly towards the rooms of combustion 4 neighbors to form a base 5 supporting the combustion chambers 4 to one adapted distance.
  • the base 5 also extends transversely to form arms 6 whose ends 8 define the raw repository used for machining starts.
  • the thickness of the base 5 is chosen according to the rigidity and holding the desired monobloc core 1.
  • the core 1 as shown in the Figures 1 to 3 can be carried out in a known manner in a core box with compressed sand and agglomerated with a binder.
  • Figures 4 to 6 show a mode particular realization of a device molding using the monobloc core 1 for setting in the process of molding a cylinder head according to the invention.
  • Figure 4 presents more particularly a mold seen from above when only the core monobloc 1 is put in place.
  • This mold has four movable lateral mold elements 11, 12, 16 and 17 can be moved apart to facilitate the demolding of the cylinder head and a mold element lower or sole 10 having a surface plane 15 producing the underside of the cylinder head to mold.
  • Figure 5 shows a section of the mold of figure 4 when the different nuclei classics needed to mold the chamber water from the cylinder head are in place.
  • the mold comprises a movable upper mold element 13, not shown in Figure 4, closing the mold to define the thickness of the walls of the cylinder head to mold and the volume of the chamber oil. Filling holes, not shown in the figure, are arranged through the upper mold element to allow the casting operation.
  • the movable side mold element 11 has a cavity for maintaining position of the free end of the arms 2 realizing the intake ducts when the mold is closed.
  • the side mold element 12 mobile has a cavity allowing the holding the free end of the arms in position 3 making the exhaust pipes.
  • the sole 10 has a cavity 14 intended to receive the monobloc core 1 before closing the mold and the casting operation.
  • the shape and volume of the cavity 14 are adapted and adjusted to base 5 and arms 6 of the monobloc core 1 such that shown in Figures 1 to 3, so that the base 5 and the arms 6 are integrally disposed in the cavity 14 of the sole 10 when the one-piece core 1 is arranged in the mold.
  • the molding process thus carried out allows obtain a cylinder head with excellent location of the rings 7 forming the seats of valve in relation to the intake ducts 2 and exhaust 3. Indeed, the latter being molded directly by the monobloc core 1 and the rings 7, inserted during casting, being supported by this same monobloc core 1, the precision dimensional of the whole bedroom combustion, valve seats, ducts intake, exhaust pipes is independent of the location of the different nuclei present in the mold and depends only on the quality of construction of the monobloc core 1.
  • This molding process using the core monobloc 1 therefore eliminates machining usually required with the conventional cylinder head molding processes using several cores for the conduits and the chamber combustion.
  • the use of the monobloc core 1 allows also to make a connection between the conduits and the combustion chamber including aerodynamics is optimized so as to offer very little resistance to air flow.
  • Minimizing pressure losses obtained by this process is particularly important for improving the performance of engine.
  • the reduction in pressure losses at the connection between the intake duct and the combustion chamber helps to improve noticeably filling the engine and reducing the pollution resulting from combustion.
  • the monobloc core 1 defines also the raw repository used for machining starts which eliminates the location uncertainties related to use of different nuclei and get better location of all machining.

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Description

La présente invention se rapporte à un procédé d'élaboration de pièces de fonderie et vise plus particulièrement un procédé de coulée d'une culasse pour moteur à combustion interne, ainsi qu'un noyau pour la mise en oeuvre de ce procédé, permettant d'améliorer les précisions dimensionnelles de l'ensemble chambres de combustion, conduits d'admission, conduits d'échappement.
Classiquement la réalisation d'une culasse de moteur à combustion interne est effectuée dans un moule comportant aux moins un noyau pour chacun des sous ensembles chambres de combustion, conduits d'admission et conduits d'échappement. Le noyau définissant les formes des chambres de combustion étant souvent réalisé par une empreinte intégrée à la semelle (fond métallique) du moule.
De tels dispositifs présentent l'inconvénient d'être sensibles aux écarts de positionnement des noyaux les uns par rapport aux autres, ces écarts de positionnement provenant soit d'imprécisions lors de la mise en place des noyaux dans le moule, soit de mouvements des noyaux lors de la coulée du métal provoqués par la différence de densité entre les noyaux et le métal coulé.
Ces écarts de positionnement des noyaux réalisant les conduits d'admission et d'échappement provoque généralement un décalage entre la position du siège de soupape lié à la chambre de combustion et l'extrémité du conduit d'admission ou d'échappement qui perturbe l'écoulement de l'air et détériore le rendement du moteur.
Il est connu, pour remédier à cet inconvénient, d'effectuer un usinage de calibrage du raccord entre les conduits et les sièges de soupapes. Cet usinage, réalisé par exemple par fraisage, permet l'alignement du siège de soupape avec le conduit mais entraíne le plus souvent la création d'un becquet, correspondant à une discontinuité de la pente du conduit au niveau de l'intersection de ce dernier avec la trajectoire de la fraise, qui vient perturber l'écoulement de l'air.
Cette perturbation engendrée par le becquet est moins importante que celle précédemment crée par le décalage de l'extrémité du conduit avec le siège de soupape mais est néanmoins pénalisante dans le cas de conduits et de soupapes de faible diamètre.
Le but de la présente invention est donc de proposer un procédé de coulée d'une culasse ainsi qu'un noyau permettant d'obtenir directement une bonne localisation des sièges de soupape par rapport aux conduits d'admission et d'échappement de façon à supprimer l'usinage de calibrage et obtenir un meilleur écoulement des gaz. La réalisation de ce procédé et de son noyau associé restant simple et économique à réaliser.
Le procédé selon l'invention concerne le moulage d'une culasse de moteur à combustion interne, du type par lequel on coule un alliage métallique dans un moule renfermant des noyaux non fusibles correspondant notamment aux parties évidées de la culasse telles que les chambres de combustion, les conduits d'admission, les conduits d'échappement et les chambres d'eau ou d'huile.
Selon l'invention le procédé , est caractérisé en ce qu'il comprend une étape de mise en place dans le moule d'un noyau monobloc intégrant les formes définissant à la fois les chambres de combustion et les conduits d'admission, et supportant des bagues réalisant les sièges de soupape.
Selon une autre caractéristique du procédé de réalisation par moulage d'une culasse selon l'invention, le noyau monobloc intègre également les formes définissant les conduits d'échappement.
Selon une autre caractéristique du procédé de réalisation par moulage d'une culasse selon l'invention, les sièges de soupapes de la culasse sont réalisés par des bagues rapportées et insérées à la coulée, lesdites bagues étant supportées par le noyau monobloc.
Selon une autre caractéristique du procédé de réalisation par moulage d'une culasse selon l'invention, le noyau monobloc intègre également les formes adaptées définissant le référentiel brut utilisé pour les départs d'usinage.
L'invention concerne également un noyau destiné à être utilisé pour la mise en oeuvre du procédé définit ci-dessus et caractérisé en ce qu'il est de type monobloc et intègre les formes définissant à la fois les chambres de combustion et les conduits d'admission, et en ce qu'il supporte des bagues servant de sièges de soupape.
Avantageusement, le noyau monobloc intègre également les formes définissant les conduits d'échappement et supporte les bagues servant de siège de soupapes.
Selon une autre caractéristique de l'invention, le noyau monobloc intègre également les formes adaptées définissant le référentiel brut utilisé pour les départs d'usinage.
Selon encore une autre caractéristique de l'invention, ledit noyau monobloc est réalisé dans une boite à noyau et est constitué de sable comprimé et aggloméré avec un liant tel que de la résine.
On comprendra mieux les buts, aspects et avantages de la présente invention, d'après la description donnée ci-après de différents modes de réalisation de l'invention, présentés à titre d'exemples non limitatifs, en se référant aux dessins annexés, dans lesquels :
  • la figure 1 représente une vue schématique, en perspective, d'un mode de réalisation particulier d'un noyau monobloc servant au moulage d'une culasse de moteur à combustion interne selon l'invention ;
  • la figure 2 est une vue de dessus du noyau monobloc représenté à la figure 1 ;
  • la figure 3 est une vue de côté du noyau monobloc représenté sur la figure 1 ;
  • la figure 4 est une vue de dessus d'un dispositif de moulage utilisé pour la mise en oeuvre du procédé ;
  • la figure 5 représente une section transversale suivant la ligne V-V du dispositif de moulage représenté à la figure 4 ;
  • la figure 6 représente une vue partielle en coupe longitudinale du dispositif de moulage suivant la ligne VI-VI de la figure 4.
Pour faciliter la lecture des dessins, les mêmes pièces portent les mêmes références d'une figure à l'autre. Par ailleurs, seuls les éléments nécessaires à la compréhension de l'invention ont été figurés.
La figure 1 présente un mode de réalisation particulier d'un noyau 1 pour la réalisation par moulage d'une culasse de moteur à combustion interne selon l'invention.
En se reportant aux figures 1 à 3, on voit un noyau 1 de type monobloc utilisé pour le moulage d'une culasse de moteur à combustion interne de type à quatre cylindres en ligne et quatre soupapes par cylindre.
Le noyau monobloc 1 des figures 1 à 3 comporte quatre parties identiques 4 régulièrement espacées, disposées dans un même alignement, et définissant les quatre chambres de combustion de la culasse à mouler. Chaque chambre de combustion 4 du noyau monobloc 1 est reliée dans sa partie supérieure à deux bras 2 et à un bras 3 définissant respectivement les deux conduits d'admission et les deux conduits d'échappement siamoisés de la culasse à mouler.
Comme on peut le voir plus précisément sur la figure 3, des bagues 7, non représentées sur les figures 1 et 2, sont disposées autour des conduits d'admission 2 et d'échappement 3, contre les chambres de combustion 4 du noyau monobloc 1. Ces bagues 7 sont en matériau adapté pour la réalisation d'un siège de soupape et permettent l'insertion à la coulée des sièges de soupape lors du moulage de la culasse.
Conformément aux figures 1 à 3, le noyau monobloc 1 comporte une partie 5 disposée sous les chambres de combustion 4. Cette partie 5 s'étend principalement en direction des chambres de combustion 4 voisines pour former un socle 5 supportant les chambres de combustion 4 à une distance adaptée.
Le socle 5 se prolonge également transversalement pour former des bras 6 dont les extrémités 8 définissent le référentiel brut utilisé pour les départs d'usinage. L'épaisseur du socle 5 est choisie en fonction de la rigidité et de la tenue du noyau monobloc 1 souhaitée.
Le noyau 1 tel que représenté sur les figures 1 à 3 peut être réalisé de façon connue dans une boite à noyau avec du sable comprimé et aggloméré avec un liant.
Les figures 4 à 6 présentent un mode particulier de réalisation d'un dispositif de moulage utilisant le noyau monobloc 1 pour la mise en oeuvre du procédé de moulage d'une culasse selon l'invention.
La figure 4 présente plus particulièrement un moule vue de dessus lorsque seul le noyau monobloc 1 est mis en place. Ce moule comporte quatre éléments de moule latéraux mobiles 11, 12, 16 et 17 pouvant s'écarter pour faciliter le démoulage de la culasse et un élément de moule inférieur ou semelle 10 comportant une surface plane 15 réalisant la face inférieure de la culasse à mouler.
La figure 5 présente une section du moule de la figure 4 lorsque les différents noyaux classiques nécessaires au moulage de la chambre d'eau de la culasse sont mis en place. Le moule comporte un élément de moule supérieur 13 mobile, non représenté sur la figure 4, venant fermer le moule pour définir l'épaisseur des parois de la culasse à mouler et le volume de la chambre d'huile. Des orifices de remplissage, non représentés sur la figure, sont ménagés à travers l'élément de moule supérieur pour permettre l'opération de coulée.
L'élément de moule latéral 11 mobile comporte une cavité permettant le maintien en position de l'extrémité libre des bras 2 réalisant les conduits d'admission lorsque le moule est fermé. De la même façon, l'élément de moule latéral 12 mobile comporte une cavité permettant le maintien en position de l'extrémité libre des bras 3 réalisant les conduits d'échappement.
Comme on peut le voir sur les figures 5 et 6, la semelle 10 comporte une cavité 14 destinée à recevoir le noyau monobloc 1 avant la fermeture du moule et l'opération de coulée. La forme et le volume de la cavité 14 sont adaptés et ajustés au socle 5 et aux bras 6 du noyau monobloc 1 tel que représenté sur les figures 1 à 3, de façon à ce que le socle 5 et les bras 6 soient intégralement disposés dans la cavité 14 de la semelle 10 lorsque le noyau monobloc 1 est disposé dans le moule.
Ainsi, seuls les éléments du noyau monobloc 1 définissant des cavités particulières de la culasse à mouler tels que les conduits d'admission 2, les conduits d'échappement 3, les chambres de combustion 4 et les extrémités 8 des bras 6 sont disposés au dessus de la surface plane 15 de la semelle 10 définissant la face inférieure de la culasse.
Conformément à la description qui précède et aux figures 4 à 6, le procédé de réalisation par moulage de la culasse comporte les opérations suivantes:
  • ouverture du moule par l'écartement des éléments de moule latéraux 11, 12, 16 et 17 et de l'élément de moule supérieur 13;
  • mise en place du noyau monobloc 1 sur la semelle 10;
  • mise en place des noyaux définissant la chambre d'eau et les passages d'huile;
  • fermeture des éléments de moule latéraux 11, 12, 16 et 17 permettant l'immobilisation des noyaux présents dans le moule;
  • fermeture de l'élément de moule supérieur 13 et réalisation d'une opération de coulée classique;
  • démoulage après un certain temps variable suivant le mode refroidissement choisi.
Le procédé de moulage ainsi réalisé permet d'obtenir une culasse possédant une excellente localisation des bagues 7 formant les sièges de soupape par rapport aux conduits d'admission 2 et d'échappement 3. En effet, ces derniers étant moulés directement par le noyau monobloc 1 et les bagues 7, insérées à la coulée, étant supportées par ce même noyau monobloc 1, la précision dimmensionnelle de l'ensemble chambre de combustion, sièges de soupape, conduits d'admission, conduits d'échappement est indépendante de l'emplacement des différents noyaux présents dans le moule et dépend uniquement de la qualité de réalisation du noyau monobloc 1.
Ce procédé de moulage utilisant le noyau monobloc 1 permet donc de s'affranchir de l'usinage de calibrage habituellement nécessaire avec les procédés de moulage de culasse classique utilisant plusieurs noyaux pour les conduits et la chambre de combustion.
L'utilisation du noyau monobloc 1 permet également de réaliser un raccord entre les conduits et la chambre de combustion dont l'aérodynamique est optimisée de façon à n'offrir que très peu de résistance au flux d'air.
La minimisation des pertes de charges obtenue par ce procédé est particulièrement importante pour l'amélioration des performances du moteur. Ainsi, la diminution des pertes de charge au niveau du raccord entre le conduit d'admission et la chambre de combustion contribue à améliorer nettement le remplissage du moteur et à diminuer la pollution résultant de la combustion.
Par ailleurs, le noyau monobloc 1 définit également le référentiel brut utilisé pour les départs d'usinage ce qui permet de supprimer les incertitudes de localisation liées à l'utilisation de noyaux différents et d'obtenir une meilleure localisation de tous les usinages.
Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée au mode de réalisation décrit et illustré qui n'a été donné qu'à titre d'exemple.
Ainsi, le procédé d'utilisation d'un noyau monobloc intégrant les formes définissant à la fois les chambres de combustion, les conduits d'admission et les conduits d'échappement peut être utilisé dans d'autres types de moules tels que des moules à coulée sous pression ou squeeze-casting ou des moules sable (à vert ou autodurcissant).

Claims (8)

  1. Procédé de réalisation par moulage d'une culasse de moteur à combustion interne, du type par lequel on coule un alliage métallique dans un moule (11,12,13,16,17) renfermant des noyaux non fusibles correspondant notamment aux parties évidées de la culasse telles que les chambres de combustion (4), les conduits d'admission (2), les conduits d'échappement (3) et les chambres d'eau ou d'huile, caractérisé en ce qu'il comprend une étape de mise en place dans le moule d'un noyau monobloc intégrant les formes définissant à la fois les chambres de combustion (4) et les conduits d'admission, et supportant des bagues (7) réalisant les sièges de soupape.
  2. Procédé de réalisation par moulage d'une culasse de moteur à combustion interne selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit noyau monobloc (1) intègre également les formes définissant les conduits d'échappement (3).
  3. Procédé de réalisation par moulage d'une culasse de moteur à combustion interne selon l'une quelconque des revendications 1 à 2, caractérisé en ce que les bagues (7) sont insérées à la coulée.
  4. Procédé de réalisation par moulage d'une culasse de moteur à combustion interne selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ledit noyau monobloc (1) intègre également les formes adaptées définissant le référentiel brut (8) utilisé pour les départs d'usinage.
  5. Noyau (1) intégrant des formes définissant des cavités particulières d'une culasse de moteur à combustion interne pour le moulage de celle-ci, caractérisé en ce que ledit noyau(1) est monobloc, en ce qu'il intègre les formes définissant à la fois les chambres de combustion (4) et les conduits d'admission (2), et en ce qu'il supporte des bagues (7) servant de sièges de soupape.
  6. Noyau selon la revendication 5, caractérisé en ce que ledit noyau monobloc (1) intègre également les formes définissant les conduits d'échappement (3).
  7. Noyau selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce que ledit noyau monobloc (1) intègre également les formes adaptées (8) définissant le référentiel brut utilisé pour les départs d'usinage.
  8. Noyau selon revendication 6 ou 7 caractérisé en ce que ledit noyau monobloc (1) est réalisé dans une boite à noyau et est constitué de sable comprimé et aggloméré avec un liant tel que de la résine.
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