FR3058473B1 - Culasse de moteur thermique - Google Patents

Abstract

L'invention porte sur une culasse de moteur thermique comportant un circuit de refroidissement par un liquide caloporteur, ledit circuit étant aménagé à l'intérieur de la culasse et comprenant une chambre (1) reliée fluidiquement à une entrée et une sortie de fluide caloporteur, caractérisée en ce que la paroi supérieure (2) de la chambre, en position de montage, est une surface sensiblement plane interrompue par au moins une protubérance (5') saillante vers l'intérieur de la chambre, ladite paroi comportant une ligne de dégazage du liquide caloporteur qui chemine sur la ou une des zone(s) de protubérance, et en ce que ladite zone de protubérance présente un premier front faisant obstacle à l'écoulement du liquide avec une pente moyenne inférieure ou égale à 30%, notamment inférieure ou égale à 20%, par rapport au reste de la paroi supérieure (2).

Description

CULASSE DE MOTEUR THERMIQUE

[0001] L’invention porte sur une culasse de moteur thermique, sur le moteur qui l’intègre et sur son procédé de fabrication. Elle s’intéresse, notamment, aux culasses de moteur thermique équipant des véhicules, notamment des véhicules automobiles, mais aussi aux culasses de moteurs autres qu’automobiles (pour autres moyens de locomotion ou en tant que génératrice).

[0002] Les culasses de moteur thermique, de façon connue, comportent des circuits de refroidissement dans lesquels s’écoule un fluide caloporteur. Ce circuit comporte une entrée, une sortie et entre les deux une chambre de refroidissement, également appelée par extension « noyau d’eau >>. Ce terme fait référence au mode de fabrication des culasses par le procédé de fonderie faisant appel à la coulée gravité, qui utilisent des noyaux, en sable par exemple, qui, disposés dans le moule lors de la coulée de métal en fusion, permettent de créer des cavités de forme complexe à l’intérieur de la culasse).

[0003] La chambre de refroidissement est délimitée par des parois, dont une paroi dite supérieure en référence à la culasse en position de montage / de fonctionnement dans le moteur. C’est le long de cette paroi que cheminent les éventuelles bulles résultant du dégazage du liquide caloporteur, avant d’être évacuées par la sortie du circuit. Il est important que ces bulles ne restent pas stagner dans la chambre de refroidissement, qu’elles ne se retrouvent pas bloquées dans des zones de rétention. En effet, une zone de rétention de ces bulles pourrait provoquer des défauts matière par corrosion sur la culasse. Le cheminement des bulles est généralement délimité dans des zones dites de circulation de la paroi supérieure de la chambre de refroidissement, appelées également lignes de dégazage, qui se créent de fait ou en créant volontairement des rainures dans la paroi supérieure de la chambre, selon sa configuration.

[0004] La paroi supérieure de la chambre de refroidissement peut comporter un certain nombre de protubérances saillantes dans la chambre pour fonctionnaliser la culasse notamment pour créer en surface de la culasse des logements pour des composants. Or ces protubérances peuvent gêner la circulation des bulles le long des lignes de dégazage, et ceci suffisamment pour créer des zones de rétention préjudiciables.

[0005] L’invention a alors pour but d’améliorer la conception des chambres de liquide de refroidissement dans les culasses. Elle a plus particulièrement pour but de minimiser tout risque d’apparition de zones de rétention de bulles provenant du dégazage du liquide de refroidissement destiné à circuler dans les chambres en question.

[0006] L’invention a tout d’abord pour objet une culasse de moteur thermique comportant un circuit de refroidissement par un liquide caloporteur, ledit circuit étant aménagé à l’intérieur de la culasse et comprenant une chambre reliée fluidiquement à une entrée et une sortie de fluide caloporteur. La paroi supérieure de la chambre, en position de montage, est une surface sensiblement plane interrompue par au moins une protubérance saillante vers l’intérieur de la chambre. Ladite paroi comporte une ligne de dégazage du liquide caloporteur qui chemine sur la ou une des zone(s) de protubérance, et la zone de protubérance présente un premier front faisant obstacle à l’écoulement du liquide avec une pente moyenne inférieure ou égale à 30%, notamment inférieure ou égale à 20%, par rapport au reste de la paroi supérieure.

[0007] On comprend par « sensiblement >> plane, une surface qui est plane et dépourvue de rugosité, dans la signification de ce terme donnée dans le domaine technique intéressant l’invention, à savoir le domaine des parois de culasse obtenue par fonderie.

[0008] On comprend par « front faisant obstacle à l’écoulement du liquide >> la partie de la paroi de la protubérance faisant face à la direction d’écoulement général du fluide de refroidissement.

[0009] L’invention préconise donc de prendre en compte les contraintes d’architecture, conduisant à avoir des protubérances saillantes dans la chambre de fluide de refroidissement, et de les modifier pour diminuer voire supprimer les impacts négatifs qu’elles peuvent avoir dans l’écoulement des bulles de dégazage venant longer la paroi supérieure de la chambre. Il s’agit donc d’identifier les protubérances saillantes de la paroi supérieure qui rencontrent la ou les lignes de dégazage, et d’en modifier la géométrie en « adoucissant >>, en « lissant » la paroi de la protubérance qui fait face à l’écoulement de fluide (et donc à l’écoulement des bulles éventuelles qui les suivent). De fait, ces protubérances servent à loger des composants, donc il ne s’agit pas d’en diminuer, par exemple, la hauteur par rapport au reste de la paroi supérieure, ni de diminuer le volume avec lequel elles empiètent sur le volume de la chambre. Il s’agit plutôt d’avoir, du côté faisant face à l’écoulement, une pente moins raide, plus douce, permettant de ne pas créer de zones de rétention de bulles, évitant que celles-ci ne se trouvent guidées par ce flanc vers la base de la protubérance sans pouvoir y être délogées ensuite. La facilité des bulles à se trouver ainsi coincées dans des zones de rétention à la base de ces protubérances tient à au moins deux facteurs : d’abord la raideur de la pente évoquée plus haut, sur laquelle l’invention agit, ensuite, la vitesse (et le débit) d’écoulement du fluide. Plus le liquide s’écoule à vitesse élevée, plus les bulles s’évacueront de la chambre facilement. La pente maximum de 30% proposée par l’invention permet d’éviter des zones de rétention de bulles dans toute la gamme de vitesses habituelle d’écoulement.

[0010] . On prévoit ainsi de préférence que ce front ait une pente d’au moins 5%, notamment d’au moins 10%, notamment d’au moins 15%, pour ne pas élargir trop significativement la base de la protubérance.

[0011] A noter que l’invention propose d’augmenter, d’adoucir la pente de la protubérance faisant face à l’écoulement du liquide de refroidissement, mais pas nécessairement sur le reste de la paroi de la protubérance, puisque, une fois les bulles ayant passé le premier front, elles poursuivent ensuite leur chemin sans que la pente du front opposé influe sur leur cheminement. Ainsi, si on avait, avant modification par l’invention, une protubérance sensiblement symétrique par rapport à un axe sensiblement perpendiculaire à la paroi supérieure de la chambre, on a, après modification, une protubérance dont la base s’est élargie du côté de l’arrivée de l’écoulement, mais pas (ou pas nécessairement) de l’autre côté : on évite ainsi, par ailleurs, au maximum, d’augmenter le volume que la protubérance « prend >> sur le volume total de la chambre, ce qui important en termes d’homogénéité de capacité de refroidissement dans l’ensemble de la culasse.

[0012] De préférence, le front de la zone de protubérance à l’opposé du front faisant obstacle à l’écoulement du liquide présente, dit deuxième front, présente une pente moyenne supérieure à 30% par rapport au reste de la paroi supérieure, notamment supérieure à 50%.

[0013] On a ainsi un mode de réalisation où la protubérance a une pente faisant face à l’écoulement plus douce que la pente opposée, avec à la fois un maintien des capacités de refroidissement de la chambre et une limitation des risques de rétention de bulles.

[0014] Avantageusement, la paroi supérieure de la chambre est inclinée par rapport à l’horizontale, en position de montage, depuis l’entrée jusqu’à la sortie du liquide. En choisissant une paroi supérieure plus « haute >> à l’entrée qu’à la sortie du fluide, on garantit un bon écoulement du fluide, et que les bulles s’écoulent bien également en restant plaquées contre la paroi en question.

[0015] Selon une variante, la culasse selon l’invention comprend un collecteur de gaz d’échappement intégré, également refroidi par le circuit de refroidissement de la culasse.

[0016] Selon un mode de réalisation, la ligne de dégazage est une rainure pratiquée dans la paroi supérieure de la chambre. Il peut y avoir plusieurs lignes. Elle peut aussi se former de façon naturelle, sans une rainure faite exprès pour cela.

[0017] De préférence, le premier front de la zone de protubérance a au moins son sommet arrondi. Cette forme géométrique sans arête, sans angle, va favoriser également le passage des bulles de l’autre côté du sommet de la protubérance [0018] De préférence encore, le front de la protubérance est courbe, de forme convexe ou pour partie convexe et pour partie concave. Il peut aussi être droit.

[0019] De préférence, le raccordement entre le premier front et le reste de la paroi supérieure de la chambre est continu.

[0020] Avantageusement, la pente du front est constante. Alternativement, elle peut augmenter depuis la base de la protubérance venant se raccorder au reste de la paroi supérieure jusqu’à son sommet.

[0021] L’invention a également pour objet tout moteur thermique comprenant la culasse décrite plus haut.

[0022] L’invention a également pour objet tout véhicule, notamment automobile, comprenant le moteur thermique décrit plus haut.

[0023] D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui en est faite ci-après selon un exemple, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux figures annexées, dans lesquelles : - La figure 1 est une représentation schématique, en vue cavalière, d’une portion de la paroi supérieure d’une chambre de refroidissement sans contrainte architecturale ; - Les figures 2a et 2b sont des représentations schématique, en vue cavalière et en vue latérale, d’une portion de la paroi supérieure d’une chambre de refroidissement avec contrainte architecturale et n’appliquant pas l’invention ; - Les figures 3a et 3b sont des représentations schématiques, en vue cavalière et en vue latérale, d’une portion de la paroi supérieure d’une chambre de refroidissement avec contrainte architecturale et appliquant l’invention ; - La figure 4 est la vue selon une section transversale de la chambre de refroidissement au niveau de la protubérance résultant d’une contrainte architecturale selon les figures 2a et 2b ; - La figure 5 est la vue selon une section transversale d’une protubérance résultant d’une contrainte architecturale selon les figures 3a et 4b.

[0024] Toutes ces figures sont schématiques, et les différents composants représentés à la figure 1 ne sont pas nécessairement à l’échelle. Les mêmes références d’une figure à l’autre correspondent aux mêmes composants. L’exemple concerne une culasse de moteur thermique à 3 ou 4 cylindres. L’invention s’applique à tout moteur thermique, quel que soit le nombre de cylindres et le carburant (essence, diesel...). La culasse y est représentée en position de montage.

[0025] La figure 1 représente une portion de la paroi supérieure 2 d’une chambre de refroidissement 1 d’une culasse d’un moteur thermique. Le liquide de refroidissement y circule selon une direction générale indiquée par la flèche F. La paroi supérieure est substantiellement plane, cette surface plane étant interrompue par des perturbations géométriques localement, saillantes 3 Elle comprend aussi une ligne de dégazage 4. Ici, la situation est satisfaisante pour l’écoulement des bulles de dégazage du liquide de refroidissement, car aucune de ces perturbations n’est traversée par la ligne de dégazage. La paroi inférieure 7 de la chambre est représentée aux figures 2b et 3b.

[0026] Mais dans beaucoup d’autres configurations, ces protubérances peuvent se trouver sur le chemin de la ligne de dégazage. Ces configurations sont de plus en plus fréquentes, du fait du développement de moteurs de plus en plus compacts, notamment en hauteur, et il peut s’avérer impossible de les déplacer par rapport à la ligne de dégazage.

[0027] Une telle configuration est représentée aux figures 2a et 3a : la ligne de dégazage traverse une protubérance. La figure 4 grossit et simplifie la représentation du « front >> 51 de la protubérance 5 qui fait face à la direction générale d’écoulement du fluide F, et à celle des bulles le long de la ligne de dégazage 4. On voit que la succession de bulles 6 arrivent contre la base de la protubérance et tendent à s’y retrouver bloquées, n’ayant pas l’énergie/ la vitesse suffisantes pour franchir l’obstacle que constitue ce front 51 qui est très raide.

[0028] Les figures 3a,3b et 5 représentent la solution proposée par l’invention : le front 51’ de la protubérance 5’ est adouci, lissé de façon à ne plus constituer un obstacle bloquant vis-à-vis des bulles de dégazage, même dans le cas de figure où la vitesse du fluide d’écoulement est la plus faible. Pour arriver à lisser ainsi ce front, alors qu’on est contraint de garder à la protubérance sa hauteur H (conditionnée par des contraintes architecturales), l’invention propose d’élargir la base de la protubérance reliée au reste de la paroi supérieure, ce qui permet, du côté du front 51’ faisant face à l’écoulement de fluide, de choisir une pente plus douce. Il a été observé que le risque de création de zones de rétention de bulles (représentées par des petits cercles aux figures 4 et 5) à la base de la protubérance démarrait quand la pente du front était supérieure à 30% par rapport au reste de la paroi supérieure (aux figures 4 et 5). L’invention propose donc une pente inférieure ou égale à 30%, et de préférence inférieure ou égale à 20%(et d’au moins 5 à 15%).On voit à la figure 5 qu’avec un front adouci, les bulles parviennent à le franchir. Et qu’importe, une fois ce front franchi, la forme du front opposé, c’est-à-dire du reste de la paroi de la protubérance, de l’autre côté de l’arrivée du fluide de refroidissement, car ensuite les bulles ne sont plus gênées dans leur déplacement.

[0029] L’invention vient donc modifier la forme de la protubérance, en élargissant sa base de façon à offrir un front moins pentu vis-à-vis de l’écoulement du liquide, et des bulles de dégazage. On vient donc augmenter un peu le volume délimité par cette protubérance, ce qui diminue un peu le volume de la chambre, mais suffisamment peu pour qu’il n’y ait aucun impact négatif sur les performances de refroidissement de la chambrePar contre, on supprime les zones de rétention potentielle de bulles, supprimant ainsi les sources éventuelles de corrosion de la culasse dans ces zones.

[0030] A noter que la figure 5 représente le front 51 ’ sous la forme d’une paroi rectiligne, mais que d’autres variantes de forme sont tout à fait possibles : ainsi, on peut prévoir que ce front soit convexe ou concave, ou pour partie convexe pour partie concave. La pente est alors calculée comme une pente moyenne. La zone de raccordement de la protubérance avec le reste de la paroi supérieure est de préférence lisse et continue.

Claims (10)

1. REVENDICATIONS

   1. Culasse de moteur thermique comportant un circuit de refroidissement par un liquide caloporteur, ledit circuit étant aménagé à l’intérieur de la culasse et comprenant une chambre (1) reliée fluidiquement à une entrée et une sortie de fluide caloporteur, caractérisée en ce que la paroi supérieure (2) de la chambre, en position de montage, est une surface sensiblement plane interrompue par au moins une protubérance (5’) saillante vers l’intérieur de la chambre, ladite paroi comportant une ligne de dégazage (4) du liquide caloporteur qui chemine sur la ou une des zone(s) de protubérance, et en ce que ladite zone de protubérance présente un premier front (51 ’) faisant obstacle à l’écoulement du liquide avec une pente moyenne inférieure ou égale à 30%, notamment inférieure ou égale à 20%, par rapport au reste de la paroi supérieure (2).
2. 2. Culasse selon la revendication précédente, caractérisée en ce que le front de la zone de protubérance (5’) à l’opposé du front (51 ’) faisant obstacle à l’écoulement du liquide présente, dit deuxième front, présente une pente moyenne supérieure à 30% par rapport au reste de la paroi supérieure, notamment supérieure à 50%.
3. 3. Culasse selon l’une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la paroi supérieure (2) de la chambre (1) est inclinée par rapport à l’horizontale, en position de montage, depuis l’entrée jusqu’à la sortie du liquide.
4. 4. Culasse selon l’une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu’elle comprend un collecteur de gaz d’échappement intégré, également refroidi par le circuit de refroidissement de la culasse.
5. 5. Culasse selon l’une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la ligne de dégazage est une rainure (4) pratiquée dans la paroi supérieure (2) de la chambre (1)·
6. 6. Culasse selon l’une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le premier front (51 ’) de la zone de protubérance (5’) a au moins son sommet arrondi.
7. 7. Culasse selon la revendication précédente, caractérisée en ce que le front (51’) de la protubérance (5’) est de forme convexe ou pour partie convexe et pour partie concave.
8. 8. Culasse selon l’une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le raccordement entre le premier front (51’) et le reste de la paroi supérieure (2) de la chambre est continu.
9. 9. Culasse selon l’une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la pente du premier front (51’) est constante ou augmente depuis la base de la protubérance (5’) venant se raccorder au reste de la paroi supérieure (2) jusqu’à son sommet.
10. 10. Moteur thermique, caractérisé en ce qu’il comprend la culasse selon l’une des revendications précédentes.