EP2041417B1 - Culasse pour moteur a combustion interne comportant un element de renfort - Google Patents

Culasse pour moteur a combustion interne comportant un element de renfort Download PDF

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EP2041417B1
EP2041417B1 EP07803942A EP07803942A EP2041417B1 EP 2041417 B1 EP2041417 B1 EP 2041417B1 EP 07803942 A EP07803942 A EP 07803942A EP 07803942 A EP07803942 A EP 07803942A EP 2041417 B1 EP2041417 B1 EP 2041417B1
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EP
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cylinder head
lattice
head according
aluminum alloy
face
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Romain Dejean
Eric Nicouleau-Bourles
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Renault SAS
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Renault SAS
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    • 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
    • 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
    • B22D19/02—Casting in, on, or around objects which form part of the product for making reinforced articles
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • 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

Definitions

  • the present invention relates to a cylinder head for an internal combustion engine.
  • the cylinder heads of internal combustion engines are generally made of aluminum alloy.
  • the FR2671310 and 2682899 describe cylinder heads of an internal combustion engine having improved resistance to the aforementioned stresses.
  • the FR 2 059 230 shows a cylinder head according to the first part of claim 1.
  • the object of the invention is to create a cylinder head for an internal combustion engine, made of aluminum alloy having a significantly increased resistance to the mechanical and thermal stresses mentioned above.
  • a cylinder head characterized in that it comprises a perforated element extending near the face of the cylinder head adjacent to the combustion chamber, this perforated element being completely coated with the aluminum alloy of the cylinder head and being made of a material having a higher bending strength than said aluminum alloy.
  • the perforated element above reinforces in particular with respect to the bending forces it undergoes during the operation of the engine, the part of the yoke called tablature which is adjacent to the combustion chamber.
  • the perforated element is made of steel and consists of a grid or a lattice.
  • This grid or mesh preferably extends parallel to the face of the cylinder head adjacent to the combustion chamber.
  • This grid or mesh, steel or other high-strength alloy is thus separated from said face by a constant aluminum alloy thickness.
  • said lattice extends over substantially the entire length and width of the yoke.
  • said lattice reinforces with respect to the bending and thermal forces, the entire part of the yoke that is adjacent to the combustion chamber.
  • said mesh extends between the intake and exhaust ducts and the passages for the cooling liquid made in the cylinder head and said face adjacent to the combustion chamber.
  • said lattice is separated from said ducts, passages and said face by an aluminum alloy thickness at least equal to the thickness of said lattice.
  • said lattice comprises recesses surrounding the exhaust and intake ducts, the fuel injector and the glow plug.
  • the lattice is composed of parallel bars extending along the length of the bolt, of bars parallel extending along the width of the yoke and parallel bars extending along diagonals.
  • the bars have a smaller thickness in the plane of the lattice than in a direction perpendicular to this plane.
  • the figure 1 shows in section the cylinder head 1 of an internal combustion engine, made of aluminum alloy, in particular a direct injection diesel engine.
  • This yoke 1 comprises a perforated element 2 extending near the face 3 of the yoke adjacent to the combustion chamber.
  • This perforated element 2 is completely covered by the aluminum alloy of the yoke 1 and is made of a material such as steel having a higher bending strength than the aluminum alloy constituting the yoke 1.
  • the perforated element 1 is a lattice that can be cut or stamped into a steel plate or be molded.
  • the figure 1 shows that the mesh 2 extends parallel to the face 3 of the yoke 1, adjacent to the combustion chamber and extends over substantially the entire length and width of the yoke 1.
  • the mesh 2 extends between the intake ducts 4 and exhaust 5 and the passages 6, 7, 8 for the cooling liquid made in the cylinder head and the face 3 adjacent to the combustion chamber.
  • the lattice 2 is separated from the ducts 4, 5, passages 6, 7, 8 and from the face 3 by an aluminum alloy thickness at least equal to the thickness of the lattice 2.
  • the figures 2 and 4 show on the other hand, that the mesh 2 has circular recesses 9, 10, 11, 12, 13 for surrounding the exhaust ducts and intake, the fuel injector and the glow plug.
  • the lattice is composed of parallel bars 14 extending along the length of the yoke, parallel bars 15 extending along the width of the yoke and parallel bars 16, 17 extending along diagonals.
  • the bars 14, 15, 16 and 17 have a smaller thickness in the plane of the lattice 2 than in a direction perpendicular to this plane.
  • This feature gives the mesh 2 a high resistance to bending stresses, despite the fact that the openings between the bars 14 to 17 represent a surface greater than 90% of the total surface of the mesh 2.
  • the molten alloy completely covers the bars 14 to 17 of the mesh 2 and completely fills the openings, that is to say the spaces between the bars.
  • the steel mesh 2 reinforces with respect to the bending forces the tablature of the cylinder head and prevents the cracking thereof, despite the strong mechanical and thermal stresses it undergoes in the case of an engine whose power can to reach 80 KW per liter of displacement.
  • the mesh 2 may also be made of another alloy with high strength than steel.

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Description

  • La présente invention concerne une culasse pour moteur à combustion interne.
  • Les culasses des moteurs à combustion interne sont généralement réalisées en alliage d'aluminium.
  • Dans les moteurs à combustion interne actuels, en particulier dans les moteurs diesel turbocompressés à injection directe dont la puissance peut atteindre 80 kW par litre de cylindrée, la face de la culasse adjacente à la chambre de combustion est sollicitée par des pressions pouvant atteindre 200 bars engendrant des efforts de flexion considérables auxquelles s'ajoutent des sollicitations thermiques dues aux fortes températures régnant dans la chambre de combustion.
  • Ces sollicitations mécaniques et thermiques peuvent conduire à la fissuration de la tablature de la culasse, c'est-à-dire la couche d'alliage d'aluminium qui sépare la face adjacente à la chambre de combustion, des conduits d'admission et d'échappement ainsi que des passages pour le liquide de refroidissement qui sont réalisés dans la culasse.
  • Les FR2671310 et 2682899 décrivent des culasses de moteur à combustion interne ayant une résistance améliorée à l'égard des sollicitations précitées.
  • Les solutions décrites dans les documents ci-dessus consistent à réaliser la culasse par coulées successives de deux alliages différents.
  • Cependant ces solutions sont de mise en oeuvre délicate et coûteuse et ne sont pas suffisantes pour éviter la fissuration des culasses des moteurs de forte puissance spécifique prévus dans le futur. Le FR 2 059 230 montre une culasse selon la première partie de la revendication 1.
  • Le but de l'invention est de créer une culasse pour moteur à combustion interne, réalisée en alliage d'aluminium ayant une résistance nettement augmentée à l'égard des sollicitations mécaniques et thermiques évoquées plus haut.
  • Ce but est atteint selon l'invention par une culasse caractérisée en ce qu'elle comprend un élément ajouré s'étendant près de la face de la culasse adjacente à la chambre de combustion, cet élément ajouré étant complètement enrobé par l'alliage d'aluminium de la culasse et étant réalisé dans une matière ayant une résistance à la flexion supérieure à celle dudit alliage d'aluminium.
  • L'élément ajouré ci-dessus renforce notamment à l'égard des efforts de flexion qu'elle subit lors du fonctionnement du moteur, la partie de la culasse appelée tablature qui est adjacente à la chambre de combustion.
  • L'élément ajouré est en acier et est constitué par une grille ou un treillis.
  • Cette grille ou treillis s'étend de préférence parallèlement à la face de la culasse adjacente à la chambre de combustion. Cette grille ou treillis, en acier ou en un autre alliage à haute résistance, est ainsi séparée de ladite face par une épaisseur d'alliage d'aluminium constante.
  • Avantageusement, ledit treillis s'étend sur sensiblement toute la longueur et la largeur de la culasse.
  • De ce fait, ledit treillis renforce à l'égard des efforts de flexion et thermiques, toute la partie de la culasse qui est adjacente à la chambre de combustion.
  • Avantageusement, ledit treillis s'étend entre les conduits d'admission et d'échappement et les passages pour le liquide de refroidissement réalisés dans la culasse et ladite face adjacente à la chambre de combustion.
  • De préférence, ledit treillis est séparé desdits conduits, passages et de ladite face par une épaisseur d'alliage d'aluminium au moins égale à l'épaisseur dudit treillis.
  • De préférence également, ledit treillis comporte des évidements entourant les conduits d'échappement et d'admission, l'injecteur de carburant et la bougie de préchauffage.
  • Ces évidements du treillis sont séparés desdits conduits, passages et bougie par une épaisseur suffisante d'alliage d'aluminium.
  • Dans une réalisation préférée de l'invention, le treillis est composé de barrettes parallèles s'étendant suivant la longueur de la culasse, de barrettes parallèles s'étendant suivant la largeur de la culasse et de barrettes parallèles s'étendant suivant des diagonales.
  • Pour augmenter la résistance à la flexion du treillis, les barrettes ont une épaisseur plus faible dans le plan du treillis, que dans une direction perpendiculaire à ce plan.
  • D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront encore tout au long de la description ci-après.
  • Aux dessins annexés, donnés à titre d'exemples, non limitatifs :
    • la figure 1 est une vue en coupe transversale d'une culasse comportant un élément ajouré en forme de treillis,
    • la figure 2 est une vue en plan du treillis,
    • la figure 3 est une vue en perspective d'une partie du treillis,
    • la figure 4 est une vue en perspective d'une partie de la culasse dans laquelle le treillis est enrobé,
    • la figure 5 est une vue en coupe du détail A de la figure 4.
  • La figure 1 représente en coupe la culasse 1 d'un moteur à combustion interne, réalisée en alliage d'aluminium, en particulier d'un moteur diesel à injection directe.
  • Cette culasse 1 comprend un élément ajouré 2 s'étendant près de la face 3 de la culasse adjacente à la chambre de combustion. Cet élément ajouré 2 est complètement enrobé par l'alliage d'aluminium de la culasse 1 et est réalisé dans une matière telle que l'acier ayant une résistance à la flexion supérieure à celle de l'alliage d'aluminium constituant la culasse 1.
  • On voit sur les figures 2 et 3 que l'élément ajouré 1 est un treillis qui peut être découpé ou estampé dans une plaque en acier ou être moulé.
  • La figure 1 montre que le treillis 2 s'étend parallèlement à la face 3 de la culasse 1, adjacente à la chambre de combustion et s'étend sur sensiblement toute la longueur et la largeur de la culasse 1.
  • Par ailleurs, le treillis 2 s'étend entre les conduits d'admission 4 et d'échappement 5 et les passages 6, 7, 8 pour le liquide de refroidissement réalisés dans la culasse et la face 3 adjacente à la chambre de combustion.
  • Le treillis 2 est séparé des conduits 4, 5, des passages 6, 7, 8 et de la face 3 par une épaisseur d'alliage d'aluminium au moins égale à l'épaisseur du treillis 2.
  • Les figures 2 et 4 montrent d'autre part, que le treillis 2 comporte des évidements circulaires 9, 10, 11, 12, 13 destinés à entourer les conduits d'échappement et d'admission, l'injecteur de carburant et la bougie de préchauffage.
  • Comme montré sur les figures 2 et 3, le treillis est composé de barrettes parallèles 14 s'étendant suivant la longueur de la culasse, de barrettes parallèles 15 s'étendant suivant la largeur de la culasse et de barrettes parallèles 16, 17 s'étendant suivant des diagonales.
  • De plus, les barrettes 14, 15, 16 et 17 ont une épaisseur plus faible dans le plan du treillis 2 que dans une direction perpendiculaire à ce plan.
  • Cette particularité confère au treillis 2 une importante résistance aux efforts de flexion, malgré le fait que les ajours compris entre les barrettes 14 à 17 représentent une surface supérieure à 90% de la surface totale du treillis 2.
  • Lors de la fabrication de la culasse 1 par coulée sous pression d'alliage d'aluminium dans une moule, l'alliage en fusion enrobe complètement les barrettes 14 à 17 du treillis 2 et remplit entièrement les ajours c'est-à-dire les espaces compris entre les barrettes.
  • Le treillis 2 en acier renforce à l'égard des efforts de flexion la tablature de la culasse et empêche la fissuration de celle-ci, malgré les fortes sollicitations mécaniques et thermiques qu'elle subit dans le cas d'un moteur dont la puissance peut atteindre 80 KW par litre de cylindrée.
  • Le treillis 2 peut également être réalisé en un autre alliage à haute résistance que l'acier.

Claims (9)

  1. Culasse (1) pour moteur à combustion interne, réalisée en alliage d'aluminium et comprenant un élément ajouré (2) s'étendant près de la face (3) de la culasse adjacente à la chambre de combustion, cet élément ajouré (2) étant complètement enrobé par l'alliage d'aluminium de la culasse et étant réalisé dans une matière ayant une résistance à la flexion supérieure à celle dudit alliage d'aluminium, caractérisée en ce que l'élément ajouré (2) est un treillis.
  2. Culasse selon la revendication 1, caractérisée en ce que le treillis (2) est en acier.
  3. Culasse selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que ledit treillis (2) s'étend parallèlement à la face (3) de la culasse (1) adjacente à la chambre de combustion.
  4. Culasse selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que ledit treillis (2) s'étend sur sensiblement toute la longueur et la largeur de la culasse (1).
  5. Culasse selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que ledit treillis (2) s'étend entre les conduits d'admission (4) et d'échappement (5) et les passages (6, 7, 8) pour le liquide de refroidissement réalisés dans la culasse et ladite face (3) adjacente à la chambre de combustion.
  6. Culasse selon la revendication 5, caractérisée en ce que ledit treillis (2) est séparé desdits conduits (4, 5), passages (6, 7, 8) et de ladite face (3) par une épaisseur d'alliage d'aluminium au moins égale à l'épaisseur dudit treillis (2).
  7. Culasse selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que ledit treillis (2) comporte des évidements (9, 10, 11, 12, 13) entourant les conduits d'échappement et d'admission, l'injecteur de carburant et la bougie de préchauffage.
  8. Culasse selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le treillis (2) est composé de barrettes parallèles (14) s'étendant suivant la longueur de la culasse, de barrettes parallèles (15) s'étendant suivant la largeur de la culasse et de barrettes parallèles (16, 17) s'étendant suivant des diagonales.
  9. Culasse selon la revendication 8, caractérisée en ce que les barrettes (14 à 17) ont une épaisseur plus faible dans le plan du treillis (2), que dans une direction perpendiculaire à ce plan.
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