FR3039875A1 - Piece de moteur thermique, moteur thermique comprenant une telle piece, et procede de fabrication d'une telle piece - Google Patents
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Abstract
La présente invention concerne une pièce de moteur thermique (1), caractérisée en ce qu'elle comporte au moins un logement (10) dépourvu d'insert, et un revêtement métallique (20) appliqué par projection sur une surface (12) du logement (10). L'invention concerne également un moteur thermique comprenant au moins une telle pièce (1), et un procédé de fabrication d'une telle pièce (1)
Description
PIECE DE MOTEUR THERMIQUE, MOTEUR THERMIQUE COMPRENANT UNE TELLE PIECE, ET PROCEDE DE FABRICATION D’UNE TELLE PIECE
La présente invention concerne une pièce de moteur thermique, en particulier un carter moteur (également appelé bloc-cylindres), une culasse ou une bielle. En alternative, la pièce de moteur thermique peut être un vilebrequin, un arbre à cames, un piston ou un segment. L’invention concerne également un moteur thermique comprenant au moins une telle pièce, ainsi qu’un procédé de fabrication d’une telle pièce.
Le domaine de l’invention est celui des moteurs thermiques, par exemple pour véhicules automobiles, machines spéciales, équipements industriels ou marins.
Classiquement, les pièces de moteur thermique telles que les carters et les culasses sont coulées en une seule pièce, en mettant en œuvre un procédé de fonderie. Afin de réduire leur coût de fabrication et leur poids, ces pièces peuvent avantageusement être réalisées en alliage d’aluminium. Toutefois, le comportement en frottement des alliages d’aluminium n’est pas toujours satisfaisant.
Pour des raisons de tenue thermomécanique et de résistance à la friction, il est ainsi connu d’agencer des inserts tubulaires (« liners » en Anglais) dans les cylindres d’un carter moteur en alliage d'aluminium, avant ou après la coulée. Ces inserts visent à assurer les fonctions suivantes : guidage des pistons dans les cylindres, liaison thermique entre l’intérieur des cylindres (foyer de l’explosion) et le reste du carter, résistance à la friction, bonne lubrification à l’interface entre les pistons et les cylindres. Ces inserts sont par exemple réalisés en fonte ou en alliage d'aluminium hyper-eutectique (Si > 13 %). Cependant, de tels inserts augmentent le coût de fabrication et le poids du carter.
Dans un contexte de réduction de taille des moteurs (« downsizing » en Anglais), leur géométrie se complexifie et les caractéristiques thermomécaniques imposées par les cahiers des charges atteignent des niveaux importants. La conception de moteurs de plus petites cylindrées, et de puissances égales ou supérieures à la génération précédente, implique une réduction du poids de leurs pièces constitutives, mais également un important travail de compacité.
Parmi les principaux travaux en cours figure la réduction de l’espace intercylindres, c’est-à-dire l’espace entre deux cylindres voisins. Or, dans le cas des carters moteurs en alliage d'aluminium, l’épaisseur des inserts agencés dans les cylindres limite la réduction de l’espace inter-cylindres.
Le but de la présente invention est de proposer des pièces de moteur thermique remédiant aux inconvénients ci-dessus. A cet effet, l’invention a pour objet une pièce de moteur thermique, caractérisée en ce qu’elle comporte au moins un logement dépourvu d’insert, et un revêtement métallique appliqué par projection sur une surface du logement.
Ainsi, le revêtement projeté dans le logement remplace avantageusement l’insert, ce qui permet un gain de poids et améliore la compacité de la pièce de moteur thermique. En fonction de l’application visée, l’invention permet également de diminuer les frottements et/ou la dilation thermique à l’interface entre le revêtement et un organe mobile dans le logement. L’invention a également pour objet un moteur thermique comprenant au moins une pièce telle que mentionnée ci-dessus. A titre d’exemples, le moteur thermique peut équiper un véhicule automobile, une machine spéciale, un équipement industriel ou marin. Dans certains cas, le moteur thermique peut comporter plusieurs pièces telles que mentionnée ci-dessus, par exemple à la fois un carter moteur, une culasse et une bielle. L’invention a également pour objet un procédé de fabrication d’une pièce de moteur thermique telle que mentionnée ci-dessus, comprenant au moins un logement dépourvu d’insert. Le procédé est caractérisé en ce qu’il comprend une étape de projection d’un revêtement métallique sur une surface du logement.
Selon d’autres caractéristiques avantageuses de l’invention, prises isolément ou en combinaison : - La surface du logement recevant le revêtement métallique est cylindrique, et le revêtement métallique a une surface externe cylindrique usinée. - La surface du logement recevant le revêtement métallique est tronconique. - La pièce de moteur thermique est en alliage d'aluminium, en fonte ou en acier. - La pièce de moteur thermique est un carter moteur, une culasse ou une bielle. - La pièce de moteur thermique est un vilebrequin, un arbre à cames, un piston ou un segment. - Le revêtement métallique est projeté sous forme de poudre sur la surface du logement. - Le revêtement métallique comprend des particules métalliques. - Les particules métalliques ont une taille comprise entre 1 et 50 micromètres. - Le revêtement métallique est projeté à une vitesse comprise entre 300 à 1200 mètres par seconde. - Le revêtement métallique est projeté à l’état solide sur la surface du logement. - Avant l’étape de projection, le procédé comprend une étape d’usinage préliminaire de la surface du logement. - Après l’étape de projection, le procédé comprend une étape d’usinage de finition du revêtement métallique appliqué sur la surface du logement. L’invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d’exemple non limitatif et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels : la figure 1 est une vue en élévation d’une pièce de moteur thermique conforme à l’invention, du type carter moteur, comprenant plusieurs logements revêtus ; la figure 2 est une coupe selon la ligne ll-ll à la figure 1, montrant l’un des logements revêtus ; la figure 3 est une vue à plus grande échelle du détail III à la figure 2, montrant le logement revêtu ; et la figure 4 est une vue analogue à la figure 3, montrant un logement recevant un insert, conformément à l’état de la technique connu.
Sur les figures 1 à 3 est représentée une pièce de moteur thermique conforme à l’invention, plus précisément un carter moteur 1 de véhicule automobile.
Le carter 1 comprend une partie centrale 8 incluant trois cylindriques 10, prévus pour recevoir les pistons du moteur. Ces pistons ne sont pas représentés dans un but de simplification. De préférence, le carter 1 est réalisé en alliage d'aluminium. En alternative, le carter moteur 1 peut être réalisé en fonte ou en acier. Le matériau du carter 1 dépend notamment de l’application visée.
Chaque cylindre 10 comporte une surface cylindrique 12 centrée sur un axe central X10. Un revêtement métallique 20 est formé par projection contre la surface 12 du cylindre 10. Le revêtement 20 présente une surface interne cylindrique 22 épousant la surface 12 du cylindre 10, et une surface externe cylindrique 24 prévue pour recevoir le piston mobile dans le cylindre 10. La surface 24 présente un diamètre D20 centré sur l’axe X10, qui dépend du diamètre des pistons et donc des dimensions du moteur thermique. Entre les surfaces 22 et 24, le revêtement 20 présente une épaisseur e20 définie radialement à l’axe X10. A titre d’exemple non limitatif, pour un diamètre D20 de 80 millimètres, l’épaisseur e20 peut être de l’ordre de 500 micromètres. En alternative, l’épaisseur e20 peut être de l’ordre de 1 à 2 millimètres.
De préférence, le revêtement 20 est appliqué sur toute la hauteur du cylindre 10, suivant une direction parallèle à l’axe X10. En alternative, le revêtement 20 est appliqué seulement sur une partie de la hauteur du cylindre 10.
Selon l’invention, le procédé de fabrication du carter 1 comprend des étapes successives détaillées ci-après.
Le procédé comprend de préférence une étape d’usinage préliminaire, également appelée écroûtage, consistant à usiner la surface 12 de chaque cylindre 10. Ainsi, le revêtement 20 formé par projection présentera des dimensions plus proches des dimensions finales souhaitées.
Le procédé comprend une étape de projection du revêtement métallique 20 sur la surface 12 du cylindre 10. De préférence, le revêtement 20 est projeté à grande vitesse sous forme de poudre, comprenant des particules métalliques (alliages d’aluminium, de cuivre, de cobalt, de nickel, de molybdène, d’aluminium quasi-cristaux AI-QC...). La composition de la poudre est minutieusement choisie en fonction de l’application visée et du cahier des charges correspondant. A titre d’exemple, les particules de poudre peuvent avoir une taille de l’ordre de 1 à 50 micromètres et être projetées à une vitesse de l’ordre de 300 à 1200 mètres par seconde (Mach 1, 2 ou 3). De telles vitesses peuvent être atteintes en projetant la poudre avec un flux gazeux supersonique, comprenant par exemple de l’air et/ou de l’hélium.
De préférence également, la poudre est projetée à froid, c’est-à-dire à l’état solide et non liquide. La projection à froid permet de conserver les propriétés thermo-physiques des matériaux projetés, contrairement à une projection à chaud lors de laquelle le changement d’état solide - liquide altère les propriétés des matériaux projetés. En fonction des matériaux constitutifs de la poudre, celle-ci est projetée à froid à une température comprise entre 20 et 1300 °C.
Le procédé comprend enfin une étape d’usinage de finition du revêtement 20, permettant d’obtenir la surface 24 et le diamètre D20 finals, avec les cotes souhaitées. Avantageusement, cet usinage de finition consiste en un alésage réalisé suivant la gamme habituelle. A ce stade, le cylindre 10 pourvu du revêtement 20 est prêt à recevoir le piston.
Lorsque le procédé ne comprend pas d’écroûtage de la surface 12, plus de matière doit être enlevée lors de l’usinage de finition pour obtenir les cotes souhaitées. Comme le coût de la matière utilisée pour le revêtement 20 est supérieur au coût de la matière utilisée pour couler le carter 1, il est donc plus avantageux de réaliser un écroûtage avant de projeter le revêtement 20 dans le cylindre 10.
La figure 4 montre un carter 1 comportant un cylindre 10 chemisé par un insert 30, conformément à l’état de la technique connu. L’insert 30 est généralement en fonte ou en alliage d'aluminium hyper-eutectique (Si > 13 %). L’insert 30 est rapporté dans le cylindre 10 et présente une forme tubulaire, avec une surface interne cylindrique 32 disposée contre la surface 12 du cylindre 10, et une surface externe cylindrique 34 prévue pour recevoir le piston mobile dans le cylindre 10. L’insert 30 présente une épaisseur e30 défini entre les surfaces 32 et 34, et un diamètre D30 défini par la surface 34.
Sur les figures 3 et 4, les diamètres D20 et D30 sont identiques. En revanche, grâce à la mise en œuvre du procédé selon l’invention, le revêtement 20 peut être réalisé avec une épaisseur e20 inférieure à l’épaisseur e30 de l’insert 30. A titre d’exemple non limitatif, pour un diamètre D20 ou D30 de 80 millimètres, l’épaisseur e20 peut être de l’ordre de 500 micromètres, tandis que l’épaisseur e30 est de l’ordre de 3 millimètres.
Ainsi, pour une même épaisseur de carter 1 de part et d’autre du cylindre 10, il est possible de réaliser un carter 1 plus compact avec le revêtement 20 qu’avec l’insert 30. Par conséquent, l’utilisation du revêtement 20 en remplacement de l’insert 30 permet un gain de poids et une diminution de l’espace intercylindres.
En pratique, la projection du revêtement 20 dans le cylindre 10 permet donc de supprimer l’insert 30, tout en garantissant la fonction de guidage du piston dans le cylindre 10. Egalement, l’utilisation du revêtement 20 permet d’améliorer : le pouvoir lubrifiant (réduction des pertes par frottement) à l’interface entre le cylindre 10 et le piston, et donc le rendement du moteur ; les flux thermiques entre le cylindre 10 et le reste du carter 1, et donc l’homogénéité thermique de l’ensemble du moteur ; la fiabilité mécanique et thermique du carter 1 ; la compacité du carter 1, notamment en diminuant les dimensions des espaces intercylindres ; le poids du carter 1. L’exemple décrit ci-dessus en référence aux figures 1 à 3 concerne une pièce de moteur thermique 1 du type carter moteur. Néanmoins, la pièce 1 peut être conformée différemment des figures 1 à 3 sans sortir du cadre de l’invention. En particulier, la pièce 1 peut être différente d’un carter moteur sans sortir du cadre de l’invention.
En variante, la pièce 1 peut être une culasse, comportant des logements 10 du type support d’arbre à came et/ou siège de soupape.
Selon une autre variante non représentée, la pièce 1 peut être une bielle, comportant un ou plusieurs logements 10 du type alésage, prévu pour recevoir un arbre en liaison pivot. Par exemple, la bielle peut comporter un premier alésage recevant un vilebrequin, et un second alésage recevant un arbre solidaire d’un piston.
Selon une autre variante non représentée, la pièce 1 peut être un vilebrequin, un arbre à cames, un piston ou un segment.
Selon une autre variante non représentée, la pièce 1 peut comporter un logement 10 et un revêtement 20 ayant des surfaces 12, 22, 24 non-cylindriques, par exemple tronconiques, ou autres.
Quel que soit le mode de réalisation, la pièce de moteur thermique 1 comporte au moins un logement 10 dépourvu d’insert, et un revêtement métallique 20 appliqué par projection sur une surface 12 du logement 10.
En outre, les caractéristiques techniques des différents modes de réalisation et variantes mentionnés ci-dessus peuvent être, en totalité ou pour certaines d’entre elles, combinées entre elles. Ainsi, la pièce de moteur thermique 1 peut être adaptée en termes de coût, de fonctionnalités et de performance.
Claims (10)
- REVENDICATIONS1. Pièce de moteur thermique (1), caractérisée en ce qu’elle comporte : au moins un logement (10) dépourvu d’insert, et un revêtement métallique (20) appliqué par projection sur une surface (12) du logement (10).
- 2. Pièce de moteur thermique (1) selon la revendication précédente, caractérisée en ce que la surface (12) du logement (10) recevant le revêtement métallique (20) est cylindrique, et le revêtement métallique (12) a une surface externe (24) cylindrique usinée.
- 3. Pièce de moteur thermique (1) selon l’une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la pièce de moteur thermique (1) est en alliage d'aluminium.
- 4. Pièce de moteur thermique (1) selon l’une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la pièce de moteur thermique (1) est un carter moteur, une culasse ou une bielle.
- 5. Moteur thermique, caractérisé en ce qu’il comprend au moins une pièce de moteur thermique (1) selon l’une des revendications 1 à 4.
- 6. Procédé de fabrication d’une pièce de moteur thermique (1), comportant au moins un logement (10) dépourvu d’insert, caractérisé en ce que le procédé comprend une étape de projection d’un revêtement métallique (20) sur une surface (12) du logement (10).
- 7. Procédé de fabrication selon la revendication 6, caractérisé en ce que le revêtement métallique (20) est projeté sous forme de poudre sur la surface (12) du logement (10).
- 8. Procédé de fabrication selon l’une des revendications 6 ou 7, caractérisé en ce que le revêtement métallique (20) est projeté à l’état solide sur la surface (12) du logement (10).
- 9. Procédé de fabrication selon l’une des revendications 6 à 8, caractérisé en ce qu’avant l’étape de projection, le procédé comprend une étape d’usinage préliminaire de la surface (12) du logement (10).
- 10. Procédé de fabrication selon l’une des revendications 6 à 9, caractérisé en ce qu’après l’étape de projection, le procédé comprend une étape d’usinage de finition du revêtement métallique (20) appliqué sur la surface (12) du logement (10).
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