FR2886348A1 - Dispositif limiteur de deformations pour le cylindre d'un moteur a combustion interne, moteur a combustion interne comportant un tel dispositif, ainsi que procede de mise en place d'un tel dispositif - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un dispositif limiteur de déformations qui comprend un élément raidisseur (4) à raideur radiale très importante réalisé en un matériau ayant un coefficient de dilatation inférieur à celui de la chemise (2) et conformé pour être disposé entre une paroi (21) du cylindre (2) et la chemise (3).L'invention concerne également un moteur à combustion interne comportant un tel dispositif, ainsi qu'un procédé de mise en place d'un tel dispositif.

Description

2886348 1

La présente invention concerne un dispositif limiteur de déformations dues à un effet thermique d'une chemise destinée à revêtir la paroi d'un cylindre d'un moteur à combustion interne, un moteur à combustion interne comprenant au moins un cylindre dont la paroi est revêtue d'une chemise et qui comprend un tel dispositif, ainsi qu'un procédé de mise en place d'un tel dispositif dans un moteur à combustion interne.

Dans un moteur à combustion interne, le cylindre, ou chacun des cylindres, a le rôle de réaliser un espace clos permettant à un piston qui se meut à l'intérieur du cylindre, de compresser un mélange combustible et d'exploiter les forces mécaniques qui se libèrent par la combustion du mélange combustible, pour engendrer une puissance de travail utilisable, par exemple, pour la traction d'un véhicule.

Pour exploiter la puissance issue de la combustion du mélange combustible de la meilleure manière possible, on cherche à faire des cylindres qui assurent une étanchéité maximale. Elle a pour but de diminuer au maximum la quantité de gaz qui s'échapperait de la chambre de combustion et ne participerait donc pas au travail du moteur. L'étanchéité entre la paroi d'un cylindre et le pourtour du piston est assuré moyennant des segments montés sur le piston et frottant sur la paroi du cylindre lorsque le piston se meut à l'intérieur du cylindre.

Le frottement des segments sur la paroi du cylindre entraîne des pertes mécaniques, donc une diminution de la puissance que le moteur développe par la combustion.

Ces parois, encore appelées chemises, font l'objet d'un traitement de surface très soigné afin de minimiser les frottements et d'éviter l'usure de la surface. Suivant les cas, les chemises font parties intégrantes des cylindres ou sont flottantes , ce qui permet notamment de les réaliser en un matériau spécialement choisi pour sa résistance au frottement et son effet lubrifiant, en coopération avec l'huile utilisée pour la lubrification du moteur. Dans la suite de cette description, le terme de chemise sera employé pour désigner la surface du cylindre contre laquelle les segments des pistons frottent, que cette surface soit rapportée ou partie intégrante du cylindre.

Par ailleurs, le cylindre, y compris la chemise, sert aussi à évacuer, par conduction, la chaleur de combustion hors de la zone de course du piston afin de limiter la montée en température du moteur due à la combustion.

Sous l'effet de la chaleur, les cylindres, y compris les chemises revêtant la paroi des cylindres, se déforment. Cette déformation génère des jeux entre les segments et la chemise, réduit donc l'étanchéité entre la paroi du cylindre et le pourtour du piston, et augmente ainsi les pertes gaz issues de la combustion et donc diminue la performance du moteur.

Les pertes en gaz varient dans un cylindre selon les différents degrés de dilatation radiale d'un cylindre en fonction de la hauteur allant du bas du cylindre jusque vers le haut du carter tel que cela est représenté sur la figure 1 des dessins annexés. Le diagramme de la figure 1 représente la dilatation, exprimé en micromètres ( m), d'un cylindre pendant un cycle de combustion suivant différents niveaux considérés à l'intérieur du cylindre, la hauteur de ces niveaux étant exprimée en millimètres (mm) par rapport à un niveau de référence situé dans la partie inférieure non représentée du cylindre. La dilatation a été mesurée par ailleurs à trois températures différentes entre environ 140 C et 250 C. Selon le diagramme de la figure 1, la dilatation varie peu d'une température à l'autre.

Pour remédier à cet inconvénient, plusieurs solutions possibles ont été essayées. La première solution consistait à augmenter la tare des segments afin qu'ils se conforment mieux à la chemise. Toutefois, ceci a pour conséquence d'augmenter les pertes mécaniques par frottement et de diminuer ainsi le rendement du moteur.

Une autre solution consistait à augmenter l'épaisseur des cylindres afin de diminuer leur expansion. Toutefois, ceci conduit à diminuer la conductivité thermique des cylindres, du fait de l'épaisseur plus grande, et entraîne donc une augmentation de la température du moteur. Outre une diminution de la durée de vie des matériaux par une telle hausse de température, l'augmentation de la température du moteur entraîne aussi une augmentation de la viscosité de l'huile qui se trouve entre les segments. Cette viscosité accrue a généralement pour conséquence un risque élevé de rupture du film d'huile sur la chemise, ce qui entraîne un frottement important, voire même un grippage du piston, et pour le moins un rendement moteur faible accompagné d'une usure plus rapide des différentes pièces frottant les unes sur les autres. Ce frottement peut même conduire jusqu'à la destruction du mécanisme.

Le but de l'invention est de proposer une solution qui permette de palier les différents inconvénients décrits ci avant.

L'invention devrait permettre plus particulièrement de limiter les déformations dues à un effet thermique que le cylindre, et notamment une chemise d'un cylindre, d'un moteur à combustion interne subit lors du fonctionnement du moteur.

Le but de l'invention est atteint avec un dispositif limiteur de déformations dues à un effet thermique d'une chemise destinée à revêtir la paroi d'un cylindre d'un moteur à combustion interne, dispositif qui comprend un élément raidisseur à raideur radiale très importante réalisé en un matériau ayant un coefficient de dilatation inférieur à celui de la chemise et conformé pour être disposé entre la paroi du cylindre et la chemise.

2886348 4 L'invention consiste donc en l'ajout d'un raidisseur gainant la chemise, et donc de même de forme cylindrique, et qui sera encore appelé par la suite cylindre raidisseur. Le raidisseur est de préférence utilisé pour chacun des cylindres du moteur à combustion interne. Le cylindre raidisseur est réalisé en un matériau ayant un très faible coefficient de dilatation.

Ce coefficient de dilatation est avantageusement inférieur à 10-5 K-1.

Par ailleurs, le cylindre raidisseur est réalisé de préférence en un matériau ayant un coefficient de conductivité thermique compris entre 15 et 30 W.m-1K-1.

Dans cette variante de l'invention, le cylindre raidisseur peut contribuer à améliorer le refroidissement du moteur.

Indépendamment du choix du matériau, une raideur radiale très importante peut être obtenue en donnant au cylindre raidisseur une structure fibreuse. Toutefois, d'autres structures, notamment une structure massive, sont également possibles.

Selon un mode de réalisation décrit plus loin de l'invention, le cylindre raidisseur est réalisé à partir de fibres disposés le long de la circonférence de la chemise.

Le cylindre raidisseur peut être réalisé en fibres de carbone.

L'épaisseur du cylindre raidisseur est avantageusement inférieure à 1 mm, de préférence de l'ordre d'un dixième de mm.

Un cylindre raidisseur à structure fibreuse peut être réalisé essentiellement de deux manières. La première consiste à embobiner la chemise avec des fibres et de les solidariser avec la chemise à l'aide d'un liant ou d'un liant-colle approprié. Lorsque le liant ou liant-colle est choisi parmi des produits polymérisants ayant des caractéristiques thermiques proches de ou identiques à celles des fibres, les avantages obtenus par l'ajout de 2886348 5 cylindres raidisseurs ne se trouvent pas diminués par le fait de lier les fibres entre elles, voire de les coller sur la chemise.

La seconde manière de réaliser un cylindre raidisseur à structure fibreuse consiste à former un manchon par tissage ou par tressage. Ce manchon peut être obtenu en tissant ou tressant un manchon tubulaire ou en tissant ou tressant d'abord un tissu plat qui est ensuite enroulé autour de la chemise.

Par ailleurs, le cylindre raidisseur peut être mis en place entre le carter et la chemise d'un cylindre en enfilant ou glissant le cylindre raidisseur sur la face extérieure de la chemise, ou en l'enroulant autour de la chemise, et en insérant l'ensemble chemise/cylindre raidisseur dans le ou un des cylindres du moteur.

Selon une solution alternative, un ensemble chemise/cylindre raidisseur est disposé dans une matrice servant à mouler le carter. Lorsque le carter est formé, par coulée ou par injection, le cylindre raidisseur est emprisonné entre le métal arrivant dans le moule et la chemise et est solidarisé, au cour du refroidissement du métal coulé ou injecté, à la fois avec la chemise et le carter Le but de l'invention est également atteint avec un moteur à combustion interne comprenant au moins un cylindre dont la paroi est revêtue d'une chemise, le moteur comprenant un dispositif limiteur comme décrit plus haut.

Le but de l'invention est par ailleurs atteint par un procédé de mise en place d'un dispositif limiteur de déformations dues à un effet thermique d'une chemise destinée à revêtir la paroi d'un cylindre d'un moteur à combustion interne. Le procédé comprend une étape de solidarisation d'un cylindre à raideur radiale très importante avec une chemise destinée à revêtir la paroi d'un cylindre, chemise dont la déformation par effet thermique doit être limitée.

La solidarisation peut être obtenue par les étapes suivantes.

- refroidir la chemise, - chauffer le cylindre à raideur radiale très 5 importante, - glisser le cylindre à raideur radiale très importante sur la chemise.

D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description ci- après d'un mode de réalisation de l'invention, la description étant faite en référence aux dessins. Ces dessins montrent.

- sur la figure 1 un diagramme de dilatation, dilatation qu'un cylindre subit pendant le fonctionnement 15 du moteur, - la figure 2 rappelle, en une vue d'ensemble en perspective, la structure d'un carter ayant quatre cylindres avec chemise, - la figure 3 montre la disposition de l'invention, - la figure 4 montre la structure d'un exemple de réalisation d'un cylindre raidisseur de l'invention et - la figure 5 montre, en une vue d'ensemble en perspective, un carter ayant quatre cylindres munis de chemises non amovibles.

Un moteur à combustion interne comprend essentiellement un carter à l'intérieur duquel sont formés un ou plusieurs cylindres. Le cylindre ou chacun des cylindres est défini par une paroi circonférentielle revêtue par une chemise. Selon la conception du moteur, la chemise est amovible ou non. Le cylindre, ou chacun des cylindres, est délimité, à chacune de ses deux extrémités opposées, par un carter vilebrequin logeant le vilebrequin auquel est relié le piston du cylindre. A l'autre extrémité, le cylindre est délimité par une tête de cylindre comportant des valves et des moyens pour la commande de l'ouverture et de la fermeture de ces valves.

Les figures 2 et 5 rappellent, de manière générale, la conception d'un carter d'un moteur à combustion interne. Les carters 1 de chacun des deux moteurs représentés comportent quatre cylindres 2 délimités par des parois 21 (voir figure 3), ces parois 21 étant revêtues de chemises 3.

Le carter de la figure 2, qui est souvent appelé carter open deck , comprend des cylindres débouchés en haut du carter. Dans ce type de carter, les cylindres sont généralement équipés de chemises amovibles.

Contrairement à cela, le carter représenté sur la figure 5, qui est souvent appelé carter closed deck , comprend des cylindres qui ne débouchent pas en haut du carter. Dans ce type de carter, les cylindres sont équipés de chemises mises en place lors de la coulée du carter. A cet effet, lors de la coulée du carter, la chemise est disposée dans la matrice servant à mouler le carter. Autrement dit, dans ce type de carter, le carter est coulé autour des chemises, ce qui a pour résultat une liaison serrée entre les parois des cylindres et la chemise correspondante.

Conformément aux dispositions de l'invention, un dispositif limiteur de déformations dues à un effet thermique d'une chemise destinée à revêtir la paroi d'un cylindre d'un moteur à combustion interne comprend un cylindre à raideur radiale très importante 4 réalisé en un matériau ayant un coefficient de dilatation très faible et notamment beaucoup plus faible que celui du matériau de la chemise. Ce cylindre raidisseur assure une raideur radiale supérieure à celle de la chemise 3 et conformée pour être disposé entre la paroi 21 du cylindre 2 et la chemise 3, comme la figure 3 le montre.

Selon le mode de réalisation représenté sur la figure 4, le cylindre raidisseur 4 est réalisé sous la forme d'un cylindre de structure fibreuse, par exemple à partir de fibres de carbone donnant au cylindre raidisseur un coefficient de dilatation d'environ 6,6 x 10-6 K-1 et un coefficient de conductivité thermique compris entre 15 et 30 W m-1 K-1.

Dans la structure fibreuse de la figure 4, le cylindre de structure fibreuse est réalisé par tressage à partir de fibres disposées le long de la circonférence de la chemise, ces fibres constituant des trames 41. Ces trames 41 sont entrelacées par des fibres formant des chaînes 42 orientées parallèlement à un axe longitudinal du cylindre 2. Le motif du tressage représenté sur la figure 4 est arbitraire, tout autre type de tressage rentrant également dans le cadre de la présente invention.

Bien que cela ne ressorte pas nécessairement de la représentation de la figure 3, le cylindre raidisseur du dispositif limiteur selon l'invention a une épaisseur inférieure à 1 mm, de préférence une épaisseur de l'ordre d'un dixième de mm.

Lorsque l'on considère que les chemises habituellement utilisées pour revêtir la paroi d'un cylindre ont un coefficient de dilatation d'environ 1,1 x 10-5 K-1 et un coefficient de conductivité thermique d'environ 51 W. m-1.K-1, on comprend que le dispositif de l'invention apporte un gain d'expansion thermique, c'est-à-dire une limitation de la dilatation thermique, de l'ordre de 2 à 10. En même temps, puisque l'épaisseur du cylindre raidisseur est faible par rapport à une épaisseur moyenne de l'ordre de 7 mm d'une chemise, la conductivité thermique globale ne sera pas diminuée, mais au contraire elle sera améliorée. En effet, puisque le cylindre raidisseur obtenu par tressage ou par tout autre processus pour avoir une structure fibreuse ou une autre structure assurant la raideur radiale très importante recherchée, a une faible épaisseur, et puisqu'il recouvre la chemise entièrement, c'est-à-dire sur toute la longueur axiale de la chemise et avec un rayon intérieur égal au rayon extérieur de la chemise, le cylindre raidisseur constitue une couche conductrice thermique ayant une résistance thermique moindre que celle de la chemise. Le cylindre raidisseur, bien que sur une faible distance radiale, augmente ainsi nettement la conductivité thermique entre le cylindre et le carter.

Pour obtenir une liaison serrée entre le cylindre raidisseur et la chemise qui doit recouvrir pour limiter les déformations dues à un effet thermique de celle-ci, on applique essentiellement deux techniques.

Selon la première technique, utilisée pour les carters open deck, c'est-àdire avec une chemise amovible, on fixe le cylindre raidisseur par simple frettage de celui-ci sur la face extérieure de la chemise. Ce frettage est obtenu avantageusement en refroidissant la chemise afin de la contracter et de diminuer ainsi son diamètre, et en chauffant simultanément le cylindre raidisseur afin de le dilater et d'augmenter ainsi son diamètre. Ensuite le cylindre raidisseur est glissé autour de la face extérieure de la chemise. En revenant à une température semblable, le cylindre raidisseur et la chemise rentrent en contact serré et l'ensemble que forment la chemise et le cylindre raidisseur qui l'entoure, peut être introduit dans le cylindre d'un moteur à combustion interne.

Pour les carters closed deck, c'est-à-dire pour des carters dont les chemises de cylindre ne sont pas démontables, on enfile un cylindre raidisseur sur une chemise comme décrit ci avant et introduit cet ensemble dans une matrice moyennant laquelle le carter est coulé. Lors de la coulée ou lors de l'injection (selon le procédé de fabrication du carter), la chemise entourée du cylindre raidisseur sera prise dans le matériau du carter.

On comprend ici plus particulièrement les avantages de l'utilisation de fibres de carbones ou d'autres matériaux résistant à des températures de coulée.

Le dispositif de l'invention permet, par sa capacité de limiter la déformation radiale engendrée par effet thermique d'une chemise d'un cylindre d'un moteur à combustion interne d'optimiser l'architecture de la segmentation de manière à réduire le frottement des segments sur la chemise et d'obtenir ainsi des gains en consommation de carburant. Par ailleurs, le dispositif de l'invention permet d'améliorer le refroidissement du moteur grâce à une conductivité améliorée du couple chemise/renfort entre un cylindre et le carter dans lequel il est aménagé.

D'un point de vue économique, l'ajout d'un élément dans le moteur entraîne sûrement un coût supplémentaire. Toutefois, le dispositif de l'invention permet de modifier l'architecture du carter et d'obtenir ainsi un gain sur la taille et la tare des segments, ce qui permet de réduire le coût de fabrication. Un second gain est obtenu par l'amélioration de la conductivité du cylindre; on obtient cette amélioration en affinant l'épaisseur de la chemise par autant de ce qui correspond à une épaisseur du cylindre raidisseur. Une meilleure conductivité de chacune des chemises permet de diminuer la puissance de la pompe à eau. Une pompe à eau ayant une puissance moindre coûte moins cher et donne en plus un meilleur rendement du moteur.

Au total, le coût supplémentaire nécessaire par l'ajout d'un cylindre raidisseur à la chemise d'un cylindre d'un moteur à combustion interne est compensé plusieurs fois par l'amélioration de la performance du moteur et notamment par l'optimisation des différentes fonctions. Enfin, à puissance égale, un moteur comprenant un dispositif de l'invention permet d'obtenir un meilleur rendement et notamment une consommation moindre de carburant.

Claims (12)

REVENDICATIONS

1. Dispositif limiteur de déformations dues à un effet thermique d'une chemise (3) d'un cylindre (2) d'un 5 moteur à combustion interne, caractérisé en ce qu'il comprend un cylindre (4) à raideur radiale très importante réalisé en un matériau ayant un coefficient de dilatation inférieur à celui de la chemise (2) et conformé pour être disposé entre une paroi (21) du cylindre (2) et la chemise (3).

2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le cylindre raidisseur (4) est un cylindre de structure fibreuse réalisé en un matériau ayant un coefficient de dilatation inférieur à 10-5 K-1.

3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le cylindre raidisseur (4) est réalisé en un matériau ayant un coefficient de conductivité thermique compris entre 15 et 30 W.m-1.K-1.

4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le cylindre raidisseur (4) est réalisé à partir de fibres disposées le long de la circonférence de la chemise.

5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le cylindre raidisseur (4) est réalisé sous la forme d'un tressage de fibres en chaînes (42) et trames (41).

6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le cylindre raidisseur (4) est réalisé en fibres de carbone.

7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le cylindre raidisseur (4) a une épaisseur inférieure à 1 mm.

8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le cylindre raidisseur (4) a une épaisseur de l'ordre d'un dixième de mm.

9. Moteur à combustion interne comprenant au moins un cylindre (2) dont la paroi (21) est revêtue d'une chemise (3) comprenant un dispositif limiteur de déformation selon l'une quelconque des revendications 1 à 8.

10. Procédé de mise en place d'un dispositif limiteur de déformations dues à un effet thermique d'une chemise (3) destinée à revêtir la paroi (21) d'un cylindre (2) d'un moteur à combustion interne selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, le procédé comprenant une étape de solidarisation d'un cylindre raidisseur avec une chemise destinée à revêtir la paroi d'un cylindre, chemise dont la déformation par effet thermique doit être limitée.

11. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que la solidarisation est obtenue par les étapes suivantes.

- refroidir la chemise, - chauffer le cylindre raidisseur, -glisser le cylindre raidisseur sur la chemise.

12. Procédé de mise en place d'un dispositif limiteur de déformations selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, selon lequel ledit dispositif limiteur est mis en place dans le moule de fonderie lors de la fabrication du cylindre.