WO2011012786A1 - Chemise de cylindre pour l'habillage de la paroi cylindrique d'un cylindre d'un moteur a combustion interne - Google Patents
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Definitions
- Cylinder liner for casing the cylindrical wall of a cylinder of an internal combustion engine
- the present invention relates to a cylinder liner for the dressing of the cylindrical wall of a cylinder of an internal combustion engine and a cylinder block of an internal combustion engine having at least one cylinder equipped with such a cylinder liner.
- an internal combustion engine or heat engine, comprises a motor unit in which is formed at least one cylinder within which is mounted movably a piston connected by a connecting member such a link, to a crankshaft.
- the engine block comprises three main parts, one of which is called cylinder block (s), because it comprises one or more cylinders.
- cylinder block s
- the single spelling block "cylinders" is adopted without this should exclude from the invention the engines having a single cylinder.
- the cylinder block is covered on one side with a cylinder head (second main part) in which are arranged the means necessary for the operation of the internal combustion, including intake means, exhaust means and optionally ignition means.
- a crankcase in which is housed a crankshaft
- the engine block comprises at least one cylinder delimited by a straight cylindrical wall inside which can translate a piston connected by a connecting rod at the crankshaft.
- the cylinder head comprises, for the cylinder or for each of the cylinders, the distribution means, for example at least one intake valve, at least one exhaust valve and possibly a spark plug, as well as mechanical means for the valve control.
- the crankcase contains the crankshaft and connecting rod and the oil tank needed to lubricate the engine.
- WO 2004/083474 it is proposed in WO 2004/083474 to produce cylinder blocks and / or cylinder heads based on lamellar graphite cast iron having increased tensile strength.
- This document describes in particular the use of a lamellar graphite cast iron with pearlitic matrix comprising from 2.7 to 3.8% of carbon, from 1 to 2.2% of silicon, from 0.3 to 1, 2% manganese, 0.02 to 0.1% phosphorus, 0.04 to 0.15% sulfur, 0.05 to 0.15% tin, up to 1.5% copper, up to 0.6% chromium, up to 0.6% molybdenum and from 0.0095 to 0.016% nitrogen. This latter component is added to increase the tensile strength of the cast iron.
- This cylinder liner can be fixed or movable, and when it is fixed, it can be fixed durably in the cylinder block or be removable.
- the advantage of the design of an internal combustion engine having a jacketed cylinders cylinder block is to be able to benefit from both a light and flexible engine and rigid cylinders and in particular sufficiently resistant to the constraints generated by the explosion as well as the wear and seizure that can be generated by the assembly "piston / segments”.
- the shirts are currently made of lamellar graphite cast iron pearlite matrix and phosphor, material which differs from the cast presented in WO 2004/083474.
- Such a material makes it possible in particular to confer a good resistance to wear and seizing to resist the friction of the assembly "piston / segments”.
- the object of the invention is therefore to provide a cylinder lamellar cast iron cylinder pearlite matrix having improved tensile strength and fatigue while preserving all the expected qualities of such a cast as to its conductivity , its machinability and its resistance to wear and seizure.
- the invention therefore relates to a cylinder liner for the dressing of the cylindrical wall of a cylinder of an internal combustion engine, made of lamellar graphite cast iron pearlitic matrix comprising carbon, silicon, manganese, phosphorus, sulfur, chromium, characterized in that the phosphorus content of the melt is in the range of 0.2 to 0.5% and in that the melt additionally comprises nitrogen in a content in the range of 95 to 160 ppm.
- the addition of nitrogen in the content provided according to the invention allows between 15 and 30% gain on the strength of the jacket made according to the invention.
- the addition of nitrogen modifies the shape of the graphite lamellae, which improves the fatigue strength of the cast iron: the lamellae become shorter, thicker and have more rounded ends.
- this nitrogen addition according to the invention makes it possible to improve the mechanical strength without taking the risk of generating internal defects which would then degrade this mechanical strength as it might be the case if the content exceeded the content of the product.
- a cylinder liner according to the invention is made of lamellar graphite cast iron with pearlitic matrix, phosphorous and nitrogen doped.
- This iron comprises iron, carbon with a content in the range of 2.7 to 3.8%, silicon with a content in the range of 1 to 3%, manganese with a content in the range of the range of 0.3 to 1, 2%, chromium whose content is in the range of 0.3 to 0.8%, sulfur whose content is less than 0.15%.
- the cast iron may also comprise nickel, the content of which is less than 1%, and / or copper whose content is less than 1%, and / or tin whose content is less than 1%, and / or molybdenum is less than 1%.
- boron, titanium and aluminum must be considered as impurities whose respective content must be less than 0.02%.
- these elements have a strong affinity with nitrogen and neutralize its action in the cast iron. This avoids the formation of titanium nitrides, for example.
- the cast iron contains from 0.2 to 0.5% of phosphorus while a nitrogen doping can strengthen the tensile content and fatigue of this melting.
- nitrogen is limited to a nitrogen content of 95 to 160 ppm. All the percentages are expressed by weight relative to the total weight of the composition.
- the invention provides a jacket whose operating performance is improved in the case of more loaded engines while maintaining the properties of the shirts related to lamellar graphite cast iron.
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Abstract
L'invention concerne une chemise de cylindre pour l'habillage de la paroi cylindrique d'un cylindre d'un moteur à combustion interne, réalisée en une fonte à graphite lamellaire à matrice perlitique comprenant du carbone, du silicium, du manganèse, du phosphore, du soufre et du chrome. L'invention consiste en ce que la teneur en phosphore de la fonte est comprise dans la plage de 0,2 à 0,5 % et en ce que la fonte comprend en outre de l'azote dans une teneur comprise dans la plage de 95 à 160 ppm.
Description
Chemise de cylindre pour l'habillage de la paroi cylindrique d'un cylindre d'un moteur à combustion interne
[0001] La présente invention concerne une chemise de cylindre pour l'habillage de la paroi cylindrique d'un cylindre d'un moteur à combustion interne ainsi qu'un bloc cylindres d'un moteur à combustion interne ayant au moins un cylindre équipé d'une telle chemise de cylindre.
[0002] Dans sa forme la plus générale, un moteur à combustion interne, ou moteur thermique, comprend un bloc moteur dans lequel est formé au moins un cylindre à l'intérieur duquel est monté mobile un piston relié par un élément de liaison telle une biellette, à un vilebrequin. Le bloc moteur comprend trois parties principales dont une est appelée bloc cylindre(s), car elle comporte un ou plusieurs cylindres. Pour la suite de la rédaction, l'orthographe unique bloc « cylindres » est adoptée sans que cela ne doive exclure de l'invention les moteurs ayant un seul cylindre.
[0003] Le bloc cylindres est recouvert d'un côté d'une culasse (deuxième partie principale) dans laquelle sont disposés les moyens nécessaires au fonctionnement de la combustion interne, notamment des moyens d'admission, des moyens d'échappement et éventuellement des moyens d'allumage. De l'autre côté, le bloc cylindres est recouvert d'un carter moteur dans lequel est logé un vilebrequin
(troisième partie principale). Lorsque le moteur à combustion est du type de piston à mouvement de translation, par opposition au moteur à piston rotatif, le bloc moteur comporte au moins un cylindre délimité par une paroi cylindrique droite à l'intérieur duquel peut translater un piston relié par une biellette au vilebrequin. La culasse comprend, pour le cylindre ou pour chacun des cylindres, les moyens de distribution, par exemple au moins une soupape d'admission, au moins une soupape d'échappement et éventuellement une bougie d'allumage, ainsi que des moyens mécaniques pour la commande des soupapes. Et le carter moteur contient le vilebrequin et la biellette et le réservoir d'huile nécessaire à la lubrification du moteur.
[ooo4] Quelque soit le type de fonctionnement d'un tel moteur à combustion interne, à savoir fonctionnement à deux temps, à quatre temps, à allumage par compression ou allumage commandé, ce fonctionnement comportera toujours, pour chacun des cylindres, une étape d'admission d'un combustible et de l'air nécessaire à la
combustion, une étape de compression du mélange combustible/air, une étape de combustion interne du mélange combustible/air et une étape d'échappement du combustible brûlé. Ces quatre étapes sont organisées, par une architecture adéquate du moteur à combustion, en deux ou en quatre cycles. [oooδ] On comprend aisément que la conception du moteur à combustion interne et le choix du matériau en lequel il est réalisé sont déterminés essentiellement par les contraintes auxquelles le moteur est exposé pendant l'étape de combustion qui est une vraie explosion.
[0006] Ainsi, il est proposé dans WO 2004/083474 de réaliser des bloc-cylindres et/ou des culasses à base de fonte à graphite lamellaire présentant une résistance en traction accrue. Ce document décrit en particulier l'utilisation d'une fonte à graphite lamellaire à matrice perlitique comprenant de 2,7 à 3,8% de carbone, de 1 à 2,2% de silicium, de 0,3 à 1 ,2 % de manganèse, de 0,02 à 0,1 % de phosphore, de 0,04 à 0,15% de soufre, de 0,05 à 0,15% d'étain, jusqu'à 1 ,5% de cuivre, jusqu'à 0,6% de chrome, jusqu'à 0,6% de molybdène et de 0,0095 à 0,016% d'azote. Ce dernier constituant est ajouté en vue d'augmenter la résistance à la traction de la fonte. L'utilisation d'une fonte pour réaliser le bloc-cylindres et/ou la culasse engendre un poids important ce qui n'est pas une solution intéressante en termes de recherche de performances du moteur. [0007] En effet, la plupart des compromis trouvés pour l'architecture d'un moteur à combustion interne et montrant à la fois résistance aux contraintes et souplesse aux déformations, a trait à une conception selon laquelle le moteur (bloc-cylindres / culasse) est réalisé de préférence en un alliage léger, en général un alliage à base d'aluminium, et chacun des cylindres est pourvu d'une chemise de cylindre réalisée en un matériau résistant et déterminant l'alésage du cylindre.
[oooδ] Cette chemise de cylindre peut être fixe ou mobile, et lorsqu'elle est fixe, elle peut être fixée durablement dans le bloc cylindres ou être amovible.
[0009] L'avantage de la conception d'un moteur à combustion interne ayant un bloc cylindres à cylindres chemisés est de pouvoir bénéficier à la fois d'un moteur léger et souple et de cylindres rigides et notamment suffisamment résistants aux contraintes
générées par l'explosion ainsi qu'à l'usure et au grippage qui peuvent être engendrés par l'ensemble « piston / segments ».
[0010] Ainsi, les chemises sont à l'heure actuelle réalisées en fonte à graphite lamellaire à matrice perlitique et phosphoreuse, matériau qui diffère de la fonte présentée dans WO 2004/083474. Un tel matériau permet notamment de conférer une bonne résistance à l'usure et au grippage permettant de résister au frottement de l'ensemble « piston / segments ».
[0011] Cependant, pour les moteurs essence et diesel qui devront répondre aux prochaines normes telles qu'Euro 5 et 6 et futures, l'accroissement des performances spécifiques à ces normes a pour conséquence une augmentation des sollicitations mécaniques des pièces. En particulier, il est alors nécessaire d'augmenter la résistance en traction et en fatigue des chemises, qui à l'heure actuelle n'est pas suffisante par rapport à ces normes. Mais il convient en outre de conserver les qualités premières de ces chemises à savoir une bonne conductivité thermique, une bonne usinabilité et une bonne résistance à l'usure et au grippage.
[0012] Dans US 5 851 014, il est proposé de réaliser des chemises de cylindre réalisées en fonte à graphite lamellaire à matrice perlitique, comprenant de 2,99% de carbone, 4,61 % de silicium, 0,77% de manganèse, de 0,53% de phosphore, de 0,039% de soufre, 1 ,86% de cuivre, 1 ,7% de chrome, 0,81 % de vanadium, le reste étant du fer. Cette composition, pour augmenter sa résistance à l'usure, peut en outre comporter jusqu'à 8% en poids d'au moins l'un des éléments suivants : nickel, cobalt, molybdène, tungstène, aluminium, étain, azote fixé, titane, niobium, tantale et bore. Toutefois, ces additions ne visent qu'à améliorer la résistance aux frottements et ne proposent nullement d'améliorer la tenue mécanique des chemises ainsi réalisées. [0013] Dans la mesure où les fontes à graphite lamellaire présentent de nombreux avantages, il est souhaitable de pouvoir continuer à les utiliser. Or, les méthodes conventionnelles telles qu'addition d'éléments perlitisants, diminution du carbone équivalent, etc, permettant d'augmenter la résistance mécanique de telles fontes entraînent de sévères problèmes de coulabilité rendant leur exploitation difficile.
[0014] Le but de l'invention est donc de proposer une chemise de cylindre en fonte à graphite lamellaire à matrice perlitique présentant une résistance en traction et en fatigue améliorée tout en préservant toutes les qualités attendues d'une telle fonte quant à sa conductivité, son usinabilité et sa résistance à l'usure et au grippage. [0015] L'invention a donc pour objet une chemise de cylindre pour l'habillage de la paroi cylindrique d'un cylindre d'un moteur à combustion interne, réalisée en fonte à graphite lamellaire à matrice perlitique comprenant du carbone, du silicium, du manganèse, du phosphore, du soufre, du chrome, caractérisé en ce que la teneur en phosphore de la fonte est comprise dans la plage de 0,2 à 0,5% et en ce que la fonte comprend en outre de l'azote dans une teneur comprise dans la plage de 95 à 160 ppm.
[0016] De manière avantageuse, on obtient ainsi une chemise de cylindre présentant une tenue en fonctionnement améliorée dans le cas de moteurs plus chargés tout en conservant les propriétés attendues des fontes à graphite lamellaire en termes d'usinabilité et de coût de production, mais aussi en termes de qualités de résistance à l'usure et au grippage du fait de la teneur en phosphore.
[0017] On a pu s'apercevoir de manière avantageuse que l'addition d'azote dans la teneur prévue selon l'invention permet entre 15 et 30% de gain sur la résistance mécanique de la chemise réalisée selon l'invention. Par ailleurs, l'addition d'azote modifie la forme des lamelles de graphite ce qui améliore la résistance en fatigue de la fonte : les lamelles deviennent moins longues, plus épaisses et ont des extrémités plus arrondies.
[0018] En outre, cette addition d'azote selon l'invention permet d'améliorer la résistance mécanique sans prendre le risque de générer des défauts internes qui dégraderaient alors cette tenue mécanique comme cela pourrait être le cas si la teneur dépassait le teneur en azote définie dans l'invention. L'azote permet notamment de renforcer le caractère perlitique de la matrice.
[0019] On décrira maintenant l'invention plus en détails à l'aide d'un exemple de réalisation d'une chemise de cylindre selon l'invention.
[0020] Une chemise de cylindre selon l'invention est réalisée en fonte à graphite lamellaire à matrice perlitique, phosphoreuse et dopée en azote. Cette fonte comprend du fer, du carbone dont la teneur est comprise dans la plage de 2,7 à 3,8%, du silicium dont la teneur est comprise dans la plage de 1 à 3%, du manganèse dont la teneur est comprise dans la plage de 0,3 à 1 ,2%, du chrome dont la teneur est comprise dans la plage de 0,3 à 0,8%,du soufre dont la teneur est inférieure à 0,15%..
[0021] La fonte peut également comprendre, du nickel dont la teneur est inférieure à 1 %, et/ou du cuivre dont la teneur est inférieure à 1 %, et/ou de l'étain dont la teneur est inférieure à 1 %, et/ou du molybdène est inférieure à 1 %.
[0022] De préférence, le bore, le titane et l'aluminium doivent être considérés comme des impuretés dont la teneur respective doit être inférieure à 0,02%. En effet, ces éléments présentent une forte affinité avec l'azote et neutraliseraient son action dans la fonte. On évite ainsi la formation de nitrures de titane par exemple. [0023] De manière à présenter de bonnes qualités de résistance à l'usure et au grippage, la fonte contient de 0,2 à 0,5 % de phosphore tandis qu'un dopage en azote permet de renforcer la teneur en traction et en fatigue de cette fonte.
[0024] L'addition d'azote est donc limitée à une teneur en azote de 95 à 160 ppm. L'ensemble des pourcentages sont exprimés en poids par rapport au poids total de la composition.
[0025] Ainsi, l'invention permet d'obtenir une chemise dont la tenue en fonctionnement est améliorée dans le cas de moteurs plus chargés tout en conservant les propriétés des chemises liées aux fontes à graphite lamellaire.
Claims
1. Chemise de cylindre pour l'habillage de la paroi cylindrique d'un cylindre d'un moteur à combustion interne, réalisée en une fonte à graphite lamellaire à matrice perlitique comprenant du carbone, du silicium, du manganèse, du phosphore, du soufre et du chrome, caractérisée en ce que la teneur en phosphore de la fonte est comprise dans la plage de 0,2 à 0,5% et en ce que la fonte comprend en outre de l'azote dans une teneur comprise dans la plage de 95 à 160 ppm.
2. Chemise selon la revendication 1 , caractérisée en ce que la teneur en carbone est comprise dans la plage de 2,7 à 3,8%.
3. Chemise selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que la teneur en silicium est comprise dans la plage de 1 à 3%.
4. Chemise selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que la teneur en manganèse est comprise dans la plage de 0,3 à 1 ,2%.
5. Chemise selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que la teneur en chrome est comprise dans la plage de 0,3 à 0,8%.
6. Chemise selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que la teneur en soufre est inférieure à 0,15%.
7. Chemise selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que la fonte comprend en outre du cuivre, du molybdène et de l'étain dans une teneur respective inférieure à 1 %.
8. Chemise selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que la teneur en nickel est inférieure à 1 %.
9. Bloc-cylindres d'un moteur à combustion interne ayant au moins un cylindre équipé d'une chemise de cylindre selon l'une des revendications 1 à 8.
10. Moteur à combustion interne comprenant un bloc-cylindres selon la revendication 9.
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