Brevet FR2333962A1 — publié le 19770701

La présente invention est relative aux pistons de moteurs à combustion interne du type dans lequel le piston effectue un mouvement de va-et-vient, et elle concerne plus particulièrement un piston comportant une matière de faible masse spécifique et de conductivité thermique élevée, enfermée de façon étanche dans des cavités formées dans la paroi latérale du piston qui est adaptée pour être mise en contact de glissement sur sa surface externe avec la surface interne de la paroi d'un cylindre. Il est bien connu que, d'une façon générale, la surchauffe d'un piston dans un moteur à combustion interne de ce type affecte de façon nuisible le fonctionnement du moteur dans une mesure importante. Cependant il nra été proposé jusqu'à présent aucune solution satisfaisante à ce problème. Les têtes des pistons à mouvement alternatif d'un moteur à combustion interne adaptés pour fonctionner à une vitesse élevée pour développer une puissance élevée tendent à surchauffer en fonc tionnement et à provoquer ainsi un grippage du segment de piston et une fuite de gaz à haute température, ce dont il résulte un grippage thermique et une détérioration du piston par frottement. Un but de l'invention est de fournir un piston pour un moteur, comportant des moyens pour transférer de la chaleur, qui se dévelop pe dans la tête du piston au cours du fonctionnement du moteur, à la partie inférieure de ce piston, afin de diffuser cette chaleur et d'augmenter la surface de dissipation de la chaleur du piston, de manière que le piston ne présente pas de surchauffe locale et ne risque pas d'etre détérioré par la chaleur. Un autre but de l'invention est de réaliser un piston pour moteur à combustion interne, comportant une seule ou plusieurs cavités disposées de part et d'autre de l'axe du piston, et une matière de faible masse spécifique et de conductivité thermique élevée enfermée de façon étanche dans les cavités. Suivant l'invention, les cavités peuvent avoir des dimensions appropriées et être disposées en des emplacements également appropriés dans la paroi latérale du piston, au voisinage immédiat de sa surface externe qui est adaptée pour être en contact de glissement avec le cylindre, en prenant en considération la répartition de la température dans le piston pendant le fonctionnement du moteur, la vitesse du moteur, les dimensions réelles du piston, et la nécessité de réduire le poids du pis ton.La matière enfermée dans chaque cavité en quantité suffisante peut être un métal solide, du sodium métallique qui passe à l'état liquide à une température que le piston atteint pendant le fonctionnement du moteur, ou encore un produit tel que le "Preston" marque déposée d'un agent antigel à base d'éthylène glycol, vendu par la société des Etats-Unis "Union Carbide and Carbon Corp.", USA), ou toute autre huile appropriée. La caractéristique principale de l'invention est qu'un métal à l'état solide ou liquide est utilisé en tant qu'agent pour conduire, diffuser et dissiper rapidement la chaleur, de telle sorte que le piston peut être maintenu à une température relativement faible par des moyens rationnels et simples. Le piston suivant l'invention ne nécessite aucun dispositif spécial de refroidissement tel que ceux utilisés dans les pistons de la technique antérieure, et le piston suivant l'invention présente une utilité particulière dans les moteurs à deux temps du type dans lesquels la compression s'effectue dans la chambre du vilbrequin, et qui ne comportent pas de dispositif efficace pour refroidir le piston. L'utilisation du piston suivant l'invention est efficace pour empêcher les pannes et améliorer le fonctionnement du moteur. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparai- tront au cours de la description qui va suivre, faite en se réfé- rant aux dessins annexés donnés uniquement à titre d'exemples et sur lesquels - la Fig. l est une vue en coupe verticale d'un piston pour moteur, suivant un mode de réalisation de l'invention, et dans lequel on peut utiliser soit un agent solide soit un agent liquide; - la Fig. 2 est une vue en coupe verticale d'une variante du piston représenté à la Fig.l, du type comportant une seule cavité et dans lequel on utilise seulement un agent liquide; - la Fig. 3 est une vue en coupe verticale d'une autre variante du piston représenté à la Fig.l, dans laquelle on utilise seulement un agent solide;; - les Fig. 4 et 5 sont des vues de dessous des pistons représentés aux Fig. 1 à 3. En se référant aux Figures et notamment à la Fig. 1, un piston 1 comporte un axe 2 s'étendant radialement à travers la partie centrale du piston et portant une bielle 3 adaptée pour effectuer un mouvement oscillant. Le piston comporte, sur la surface interne de sa paroi latérale 4 dont la surface externe est adaptée pour ê- tre en contact de glissement avec la surface interne d'un cylindre, des parties 5 de plus grande épaisseur qui sont disposées de part et d'autre de l'axe 2 du piston en des positions diamétralement opposéeS telles que ces parties ne peuvent pas venir en contactavec la bielle 3 pendant le mouvement oscillant de celle-ci.Les parties 5 de plus grande épaisseur comportent chacune plusieurs cavités 6 formées par usinage, ces cavités 6 s'étendant en direction de la tête du piston de sorte que leurs extrémités supérieures se trouvent disposées au voisinage de la tête du piston 1. Les cavités 6 présentent chacune une ouverture 7 qui peut être fermée par un bouchon ou obturateur 8 maintenu en place par vissage ou par soudage. Les parties supérieures des cavités 6 sont formées par usinage, mais le piston suivant l'invention peut être conçu de façon que les parties supérieures des cavités 6 soient formées chacune en une seule partie par coulée, par forgeage ou par usinage. Une quantité prédéterminée de sodium métallique 10 est introduite dans chacune des cavités 6. Ces cavités sont ensuite fermées par les bouchons 8 vissés ou soudés en place, enfermant ainsi de façon étanche le sodium métallique 10 dans les cavités. Le sodium métallique fond et devient liquide à une température d'environ 98 OC, Les propriétés physiques du sodium métallique sont telles que son point d'ébullition est de 880 OC et que sa masse spécifique est de 0,9 (100 à 300 OC). I1 est ainsi amené à 1'é- tat liquide par la chaleur engendrée par le fonctionnement du piston 1. Il n'existe pas de différences considérables dans la conductivité thermique et la masse spécifique entre le sodium métallique, dont le point d'ébullition est à une température élevée, et les alliages d'aluminium dont est fait le piston 1. Ceci permet au sodium métallique â l'état liquide d'être utilisé en tant qu'agent pour le transfert de la chaleur engendrée à la tete du piston 1, par suite de son mouvement alternatif à vitesse élevée, à la partie inférieure du piston. Ceci empeche une surchauffe locale du piston 1 et permet d'augmenter la surface du piston l dissipant la chaleur, favorisant ainsi le refroidissement du piston. On pense habituellement que la température de la tête du piston I atteint 300 OC lorsque le piston fonctionne dans des condi tions normales, la température au voisinage de la jupe du piston 1 atteignant environ 100 C. Ainsi, la charge de sodium métallique enfermée dans chaque cavité est complètement fondue et maintenue à l'état liquide.De plus, du fait que le piston se déplace suivant un mouvement de va-et-vient de façon continue pendant le fonctionnement du moteur, le sodium à l'état liquide est constamment agité, de telle sorte qu'il absorbe de la chaleur lorsqutil est amené en contact avec la paroi interne de chaque cavité au voisinage de la tête du piston, qui se trouve à une température élevée, et le sodium liquide transfère et dissipe de la chaleur lorsqu'il est amené en contact avec la paroi interne de chaque cavité au voisinage de la jupe du piston. Ce cycle est répété et le sodium métallique à l'état liquide assure de façon répétée le transfert et la dissipation de la chaleur. Ainsi, la chaleur est rapidement conduite de la tête à la jupe du piston 1, offrant ainsi l'avantage d'un refroidissement rapide de la partie du piston 1 se trouvant à une température élevée.On évite ainsi une surchauffe locale du piston, et les différentes parties de celui-ci peuvent présenter une température uniforme. Le piston 1 est réalisé en un alliage d'aluminium. L'aluminium et le sodium métallique ne forment pas un alliage dans la plage de températures précitée, dans laquelle le piston et le sodium métallique sont maintenus en cours de fonctionnement. Ainsi, la charge de sodium métallique enfermée dans chacune des cavités 6 du piston 1 n'est pas affectée du pointe de vue métallurgique par la matière du piston. Ceci est un facteur important qui est à la base de l'invention. Pour empêcher un alliage du sodium métallique à l'état liquide avec la matière constituant le piston 1, un chemisage en fer ou autre peut être appliqué par placage sur la surface interne de la paroi de chacune des cavités 6, sans sortir du cadre de l'inven- tion. La Fig.3 est une vue en coupe verticale d'un autre mode de réalisation de l'invention, dans lequel un métal à l'état solide est introduit directement dans chacune des cavités 6, ou versé dans celles-ci à l'état fondu, et aucun organe de fermeture n'est prévu sur l'ouverture de chaque cavité pour la fermer. Dans ce mode de réalisation, le métal à l'état solide est choisi parmi le groupe comprenant l'argent, le cuivre et l'aluminium pur, qui sont des matériaux ayant une conductivité thermique plus élevée que la matière dont est fait le piston. En pratique, les cavités 6 formées par usinage comme représenté à la Fig.l peuvent être utilisées pour introduire un métal à l'état solide dans le piston.Cependant,pour favoriser l'abaissement de la température de la tête du piston 1; les parties supérieure des cavités 6 peuvent être prolongées vers la partie supérieure du piston 1 comme le sont les parties supérieures des cavités 6a de la Fig.2, qui montre une variante du piston de la Fig.l. Lorsqu'un métal à ltétat solide est utilisé en tant qu'agent de dispersion de la chaleur, le but est atteint en utilisant le fait que le métal à l'état solide présente une conductivité thermique plus élevée que la matière dont est constitué le piston 1, ou en utilisant le fait que le métal présente un c coefficient de dilatation thermique analogue à celui de cette matière.Il est bien connu que l'aluminium pur, qui est utilisé dans le mode de réalisation représenté à la Fig.3, présente une masse spécifique et une conductivité thermique élevées, et que le piston 1 présente une conductivité thermique faible en raison du fait. qu'il est constitué d'un alliage résistant à la chaleur ou ayant une résistance mécanique élevée. On remarque ainsi que 11 utilisation de l'aluminium pur en tant qu'agent de dispersion de la chaleur engendrée dans la tête du piston est économique et acceptable du point de vue commercial. Dans le mode de réalisation représenté à la Fig.3, les parties 5 de plus grande épaisseur comportent chacune une ou plusieurs cavités 6 s'étendant vers la partie supérieure du piston 1 jusque dans une position située au-dessous de la tête de celui-ci. Les cavités 6 de forme complexe peuvent être formées au moyen d'un moulage en plâtre dans lequel on utilise un plâtre soluble dans l'eau pour réaliser des noyaux de dimensions très précises. Lorsque cette technique est utilisée, de l'aluminium pur fondu est versé dans les cavités et on le laisse se solidifier jusqu'à ce que le métal solide soit lié aux parois des cavités et noyé dans le piston. Dans ce mode de réalisation, les ouvertures 7 des cavités ne nécessitent pas d'être fermées par des bouchons ou autres obturateurs. D'une façon commode, des tiges 105 d'aluminium pur peuvent etre ajustées à force avec précision dans les cavités 6 du type représenté à la Fig.3 et incorporées à celles-ci. L'utilisation d'aluminium pur à ltétat solide, pour servir d'agent conducteur de la chaleur, noyé dans la paroi latérale du piston de façon à s'étendre depuis la partie supérieure de celui-ci, qui se trouve à une température élevée, jusqu') sa partie inféorieure, permet de conduire rapidement de la chaleur de la partie supérieure du piston à sa partie inférieure par l'intermédiaire de l'agent conducteur de la chaleur. La chaleur est transférée du piston au cylindre pour être dispersée et dissipée par celui-ci.Grâce à cet agencement, il est possible de dissiper la chaleur qui se développe dans la tête du piston par l'intermédiaire de l'agent conducteur de la chaleur, plus rapidement qu'elle ne pourrait l'être par l'intermédiaire de la matière constituant le piston, permettant ainsi de refroidir le piston plus rapidement que cela ne serait possible s'il n'était pas prévu un agent conducteur de la chaleur. Dans un autre mode de réalisation de l'invention, une quantité prédéterminée de sodium métallique 10 est versée à l'état liquide dans chacune des cavités, ou est introduite à l'état solide dans celles-ci, de telle sorte que le liquide enfermé dans les cavités peut être utilisé comme agent de transfert thermique par convexion (courants de convexion) pour refroidir la tête du piston. Dans les exemples des Fig.l à 4, les parties 5 plus épaisses présentent chacune un certain nombre de cavités 6 réalisées par usinage. Cependant, les cavités de chaque côté de l'axe 2 peuvent être réalisées sous forme d'une seule cavité 6', par exemple par coulage, comme représenté à la Fig.5. Habituellement, le piston d'un moteur compact à deux tempsprésente une forme particulière telle en fonctionnement normal que le piston est dilaté sous l'action de la chaleur normalement engendrée par la combustion du mélange de combustible et d'air, et transfère de façon appropriée la chaleur à la surface interne d'un cylindre tout en étant maintenu en contact de glissement avec celui-ci. Ceci assure un refroidissement approprié du piston. Cependant, si la puissance nominale de sortie du moteur est trop élevée ou que la température du piston s'élève jusqu'à une valeur excessivement-élevée en raison d'une augmentation de la température de combustion du mélange de combustible et d'air, le piston perd alors sa forme particulière et subit une déformation anormale dûe à la dilatation thermique. Ceoi empêche le segment du piston d'être ajusté étroitement sur ce dernier et permet à des gaz de combustion à une tempé- rature élevée de fuir au-delà du piston. I1 est ainsi impossible de maintenir le piston en bon contact de glissement avec le cylindre, ce dont il résulte un développement de chaleur à la tête du piston, du fait qu'un refroidissement normal ne se produit pas et qutil est impossible de dissiper la chaleur du piston. Un moteur du type à deux temps dans lequel la compression est effectuée dans la chambre du vilebrequin, tel que décrit plus haut, manque de moyens appropriés pour refroidir son piston. Ainsi, un piston de ce type, lorsqu'il est amené à ltétat indiqué ci-dessus, est maintenu à une température élevée. Un état prolongé du piston à des températures élevées a pour résultat une diminution de la puissance développée par le moteur et provoque un grippage du piston. L'application de l'invention à un moteur à deux temps du type ci-dessus permet de refroidir efficacement le piston, du fait que le piston suivant l'invention peut être refroidi de façon satisfaisante par transfert et dissipation de chaleur en raison des caractéristiques décrites plus haut. Des expériences ont été effectuées avec le piston suivant 1' invention pour déterminer stil était possible de l'utiliser dans la pratique. Habituellenent, ltexposition prolongée d'un piston à des températures élevées provoque la formation de dépôts de carbone sur la surface supérieure du piston, en raison de la combustion, et la surface de celui-ci est ainsi rendue rugueuse ou grossière. Ceci provoque également une coloration intensive de la pellicule dthuile sur la surface interne de la paroi du piston et le passage des gaz de combustion au-delà du segment, et leur coloration. Cependant, les résultats des expériences effectuées ont montré que dans le cas du piston suivant ltinvention, il ne se produisait aucun dépôt de carbone sur la surface supérieure du piston, et que la coloration de la pellicule d'huile sur la surface interne do la paroi latérale du piston était très faible à la suite du maintien prolongé du piston à des températures élevées, indiquant ainsi que la température du piston était réduite de façon notable. Une étude du piston suivant l'invention qui a été soumis aux essais montre que la répartition de la température dans le piston est uniforme dans toutes les parties de celui-ci.Les résultats des essais montrent que l'utilisation du piston suivant l'invention assure un fonctionnement continu du moteur en toute sécurité et le maintien de la puissance développée par le moteur à une valeur donnée en raison du rendement amélioré du piston. L'invention peut trouver des applications, non seulement dans les moteurs à combustion interne à deux temps, mais également dans d'autres types de moteurs à combustion interne. Lorsque le piston suivant l'invention est utilisé avec des moteurs d'un type autre que le type à deux temps, la nécessité d'utiliser un dispositif de refroidissement compliqué qui existait jusqu'à présent dans la technique antérieure peut être supprimée. En résumé, l'invention permet de réaliser le refroidissement du piston par des moyens rationnels et simples, contribuant ainsi de façon considérable à une augmentation de la puissance développée par le moteur et assurant un fonctionnement de celui-ci,sûr et positif. R E V E N D I C A T I 0 N S 1 - Piston pour moteur à combustion interne, caractérisé en ce qu'il comporte une matière de faible masse spécifique et de conductivité thermique élevée, qui est disposée à l'intérieur d'une paroi latérale du piston adaptée pour être mise en contact de glissement avec un cylindre par sa surface externe. 2 - Piston suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu' il comporte des cavités formées dans ladite paroi latérale du piston, du sodium métallique étant enfermé de façon étanche en quantité prédéterminée dans chacune desdites cavités, ces cavités étant fermées après le remplissage avec le sodium métallique. 3 - Piston pour moteur à combustion interne, caractérisé en ce qu'il comprend un axe, des parties de plus grande épaisseur prévues sur une paroi latérale du piston et formées de part et d'autre de l'axe du piston, des cavités formées dans lesdites parties de plus grande épaisseur de la paroi latérale du piston et disposées le long de cette paroi latérale afin de s'étendre depuis des parties inférieures internes opposées de la paroi latérale jusqu'à la partie supérieure du piston et un métal à l'état solide disposé dans chacune desdites cavités. 4 - Piston pour moteur à combustion interne, caractérisé en ce qu'il comprend un axe, des parties de plus grande épaisseur d'une paroi latérale du piston, qui sont disposées le long de ladite paroi latérale afin de maintenir les parties inférieures internes opposées de cette paroi latérale en communication avec la partie supérieure du piston et un métal à l'état solide logé dans lesdites parties de plus grande épaisseur. 5 - Piston pour moteur à combustion interne, caractérisé en ce qu'il comprend un axe, des parties de plus grande épaisseur prévues sur une paroi latérale du piston, de part et d'autre dudit axe,des cavités étant ménagées dans lesdites parties de plus grande épaisseur de la paroi latérale du piston et ces parties étant disposées le long de la paroi latérale afin de maintenir les parties inférieures internes opposées de la paroi latérale en communication avec la paroi supérieure du piston et un matériau liquide enfermé de façon étanche dans chacune desdites cavités, ces cavités étant fermées après leur remplissage avec le matériau liquide