Brevet FR2376348A1 — publié le 19780728

Dans la technique des moteurs à combustion interne et plus partieulière- ment, dans la partie de cette technique se rapportant aux moteurs diesel, il a été proposé d'utiliser des chambres de combustion isolées pour augmenter le rendement et pour diminuera pollution. Le rendement est augmenté par le fait que la quantité de chaleur de combustion renvoyée vers le système de refroidissement du moteur est diminuée. De plus, la température disponible pour entraîner la turbine d'un moteur à turbo-compresseur est considerablement augmentée. Les tentatives antérieures pour réaliser des chambres de combustion isolées peuvent être divisées en un certain nombre de grandes catégories. Une première catégorie comprend les solutions dans lesquelles on pulvérise sur les surfaces de la chambre de combustion une matière isolante à base de céramique. Ces surfaces comprennent la couronne du piston, la culasse et, éventuellement, les parois de cylindre. la difficulté de cette approche réside dans le maintien de l'intégrité de la couche isolante, a cause des contraintes du cycle de eom- bustion et par suite des problèmes que pose la dilatation thermique. Une autre solution a été de réaliser un ou plusieurs des composants qui délimitent la chambre de combustion d'une matière isolante. En variante, on pourrait utiliser un insert de céramique ayant une épaisseur appréciable dans l'un de ces composants. On se heurte à certaines difficultés avec les dispositifs de ce genre, du fait qu'ils sont exposés d'un côté, à la chaleur des gaz de combustion et, de l'autre, à la structure de support plus froide entourant la chambre de combustion. Dans ces conditions, les gradients de température considérables (pouvant atteindre 6500C) peuvent exister entre ces matières. Il peut en résulter des contraintes thermiques excessives et des déformations, lorsqu'il s'agit d'une matière n'ayant pas un coefficient de dilatation thermique extremement faible. Les problèmes ci-dessus sont résolus par l'invention qui apporte un piston ayant une couronne annulaire faite d'une matière réfraetaire placee audessus d'un corps de piston correspondant. La couronne et le corps de piston sont reliés ensemble et 1' interface entre eux comporte des moyens ayant une con ductivité thermique globale relativement faible, de sorte que le gradient de températures à travers la couronne est réduit à un minimum. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui va suivre, donne uniquement à titre d'exemple nullement limitatif, en référence au dessin annexé, dans lequel - la figure 1 est une vue latérale, partiellement en coupe, d'un piston conforme à la présente invention ; et, la figure 2 est une coupe de détail d'un piston conforme à une variante de realisation de l'invention. En se referont à la figure 1, on voit un piston 10 qui comprend un corps annulaire 12, le long du pourtour duquel est formée une bande annulaire 14. La bande 14 présente plusieurs gorges 16 qui reçoivent respectivement des segments de compression t5 et des segments racleurs 17. Les segments t5, 1 prennent appui contre un alésage 19 qui se termine par une chambre de combustion 21. Le piston 10 coulisse alternativement dans l'alésage 19. Le corps du piston pressente des bossages 18 percés de trous alignés 23 adaptés a recevoir un axe qui permet de relier le corps du piston à une bielle (ces deux éléments n'étant pas représentés). Dans un moteur à combustion interne, la bielle est reliée à un vilebrequin qui constitue une sortie de mouvement rotatif Le piston 10 représenté comporte une tête pourvue d'une jupe séparée reliée au corps du piston par l'axe d'articulation. Bien qu'une jupe soit néèes- saire pour utiliser avec succès le piston dans un moteur à combustion interne, on se propose de ne pas s'étendre en détail sur celle-ci, afin de simplifier la description de la présente invention.Toutefois, tous les techniciens avertis comprendront aisément que la jupe pourrait aussi bien faire partie intégrante du corps 12 du piston. Le piston comporte aussi une couronne annulaire 20, placée au-dessus de la surface supérieure 22 du corps 12. La face supérieure 24 de la couronne 20 est apparente dans la chambre de combustion 21 qui a la forme d'un "chapeau mexicain" pour assurer une combustion efficace. Toutefois, le contour de la face supérieure 24 du piston n'est pas limite à cet exemple particulier.La couronne 20 peut être formée de l'une quelconque des nombreuses matières résistantes à la chaleur connues.Comme exemple de telles matières,on peut citer les ceramiques, comme le nitrure de silicium (Si3N4), l'oxyde de silice, d'alumine et de lithium (LAS) la silice fondue (Si02) et le carbure de silicium (SiC), le earbure de silicium fritté par réaction (RSS:C), le car'bure de silicium fritte (RSS:C) et le nitrure de silicium lié par réaction (RBSN). Toutes ces matières sont capables de supporter les niveaux de température qu'on rencontre dans la chambre de cor bustion. Toutefois, le mode de construction décrit ci-après, permet d'utiliser avec succès toutes les substances ci-dessus, en dépit de certaines proprietés gênantes, telles que des coefficients de dilatation thermique élevés. En variante, la couronne 20 peut être faite d'un métal réfraetaire. Comme exemples de tels métaux, on peut citer l'acier inoxydable et des aciers plus communs comportant un revêtement. Ces matières ne sont pas capables de supporter des températures aussi élevées que les céramiques, leur limite de temple ture se situant aux environs de 760 à 8100c, alors que la limite des céramiques est d'environ 12000C. Toutefois, leur résistance à la chaleur est encore assez élevée pour permettre d'augmenter l'effieaeité de la combustion. De plus, elles s'adaptent plus facilement à la production de masse. La couronne 20 et le corps 12 du piston sont percés de trous coaxiaux 26 et 28. Une vis 30, ayant une tête 32 reçue dans la cavité 34 de la couronne 20, comporte un corps 36 traversant les trous 26 et 28. De préférence, la tête 32 de la vis 30 est profilée pour former un prolongement de la face supérieure 24 de la couronne 20. De plus, la vis 30 est faite d'un alliage réfractaire à haute résistance, généralement à base de nickel ou de cobalt. Comme exemples de tels alliages, on peut citer l'Udimet 700, le nimonic 115 ou 90, le R-41 ou le Waspalloy. Le corps 36 de la vis 30 se termine par une partie filetée 38 revue dans une cavité 40 formée à l'intérieur du corps 12 du piston. La cavité 40 pré- sente un épaulement 42. La bordure 44 d'une entretoise 46 vient buter contre ltépaulement 42. Un écrou 48 est vissé sur ltextrémité de la vis 30. Un ensemble de ressorts 50 agit entre l'écrou 48 et la paroi intérieure d'un renfoncement 52 de l'entretoise 46 pour tenir la couronne 20 et le corps 12 du piston assemblés, tout en leur permettant des différences de dilatations thermiques . Comme représenté, l'ensemble 50 comprend un certain nombre de ressorts Belleville superposés. Une particularité essentielle de la présente invention réside dans l'utilisation, entre la couronne 20 et le corps 12 du piston, d'un élément intercalaire, désigné en son entier par 54, qui a une faible conductivité thermique effective. Comme on le voit sur la figure 1, l'6lément intercalaire 54 peut comprendre un certain nombre de disques pratiquement plats 56, interposés entre la surface inférieure 58 de la couronne 20 et le plancher d'une cavité annulaire 60 creusée dans le sommet du corps 12 du piston. Chacun des disques 56 est percé d'une ouverture centrale 62 pour le passage du corps 36 de la vis 30. Les disques 56 sont choisis pour que la conductivité thermique effective entre les disques adjacents soit relativement faible.Une conductivité thermique effective relativement faible peut être obtenue avec des matières courantes, en utilisant des rondelles d'acier ayant une surface rugueuse, par exemple. On a constaté que des rondelles d'acier ordinaire, n'ayant subi aucun traitement spécial de rugorisation permettent néanmoins d'obtenir une faible conductivité thermique globale. Les disques empilés sont extrêmement efficaces pour produire une faible conductivité thermique. On obtient ainsi des coefficients de transfert de chaleur dans un rapport de 0,5 à 80 comparativement à une surface de contact continue ou pleine entre la couronne et le corps du piston. Il convient aussi de noter qu'on peut utiliser un nombre plus ou moins grand de disques pour obtenir une conducti vité thermique plus ou moins grande. Etant donné que les disques 56 ne s'étendent pas jusqu'au pourtour de la couronne 20 ou du corps 12, on choisit leur épaisseur, de façon que la partie de la couronne 20 située à I'extérieur des disques 56 ne soit pas au contact avec la bordure 22 du corps 12 du piston. De plus, le disque 56 supporte la couronne 20 sur une surface annulaire plane, relativement large, délimitée intérieurement par le diamètre dQ trou 28 et extérieurement par le diamètre des disques 56. Cette surface de contact dimi- nue la pression par unité de surface s'exerçant sur les disques 56 pour une pression interne donnée dans la chambre de combustion 21 et, de ce fait, contribue à l'obtention d'une faible conductivité thermique, dans le sens de l1eiaisseur entre les disques adjacents. La surface de contact annulaire divise le rayon de la couronne 20 en plusieurs sections approximativement égales.On voit que les dimensions radiales de la couronne 20, entre le trou 26 et un point aligné avec la paroi du trou 28 sont approximativement égales à la dimension radiale entre le pourtour des disques 56 et le pourtour extérieur de la couronne 20 le ce fait, les efforts de flexion qui s'exercent sur le sommet de la couronne 20 par suite des pressions de combustion, sont égalisés. Les disques 56 représentés sur la figure 1 ne constituent qu'un moyen parmi d'autres pour isoler la couronne du corps 12 du piston La figure 2 représente une autre forme d'un intercalaire 54' utilisant un disque 64 qui a une conductivité relativement faible. Le disque 64 pourrait être formé d'un métal poreux ou d'une laine d'acier suffisamment comprimée pour résister aux efforts de compression. Dans certains cas, il pourrait aussi être avantageux d'utiliser plusieurs disques 64. Avec toutes les matières intercalaires décrites ci-dessus, la couronne 20 est effectivement isolée du corps 12 du piston, habituellement formé d'un aluminium ayant une haute conductivité. Cette isolation offre le grand avantage de diminuer le gradient thermique entre gs surface supérieure 24 et inférieure 58 de la couronne 20. Ainsi, les contraintes thermiques internes sont sensiblement réduites.Dans ces conditions, il devient possible d'adopter pour la couronne 20 une matière très flexible, puisqu'il suffit que celle-ci soit capable de résister aux températures de combustion et à des efforts de compression modéres. la majeure partie du gradient des températures est supportée par l'élément intercalaire 54 interpose entre la couronne 20 et le corps 12 du piston Etant donné que la seule charge imposée au piston est un effort de compression, les contraintes thermiques dues au gradient de températures ne sont pas aussi nuisibles qu'elles l'auraient été si elles tétaient produites dans la couronne 20 Par l'utilisa- tion d'un certain nombre de disques, le gradient est distribué entre plusieurs él6- ments intercalaires, diminuant ainsi les contraintes sur les éléments individuels. Les différences de dilatations thermiques qui peuvent apparaître entre le corps du piston, l'élément intercalaire 54 et la couronne 20 sont cunr pensées par l'ensemble de ressorts 50 qui assure un effort le Dom;ressiDn relstive- ment uniforme, tenant les composants assemblés. Entant donné que l'épaulement 42 a une aire plus grande que celle disponible sur le corps 12 pour receesir l'ensemble de ressorts 50, l'entretoise 46 assure une bien meilleure assise par supportes la charge s'exerçant sur le corps 12. On conviendra que le piston decrit ci-dessus atteint les objectifs de l'invention visant à réaliser une chambre de combustion bien isolée pour augmenter le rendement et pour diminuer les émissions. De plus, ce but est atteint par une construction efficace et économique, dont les composants peuvent être facilement remplaces. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent etre apportées aux exemples de réalisation représentés et décrits, sans sortir pour autant du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Piston pour un moteur à combustion interne, caractérisé en ce qu'il comprend une couronne annulaire faite d'une matière réfractaire ; un corps annulaire ; des moyens pour fixer ladite couronne audit corps ; et, un certain nombre de disques empilés ayant une conductivité relativement faible de llun à l'autre et disposés entre ladite couronne et ledit corps du piston afin de former un élément intercalaire ayant une conductivité thermique effective relativement faible, ce qui fait que le gradient de température, à travers ladite couronne, est réduit à un minimum. 2. Piston selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens de fixation comprennent des moyens pour éliminer l'effet nuisible des différences de dilatations thermiques entre les composants de l'ensemble formé de la couronne et du corps du piston. 3. Piston selon la revendication 2, caractérisé en ce que la couronne et le corps sont percés de trous alignes, celui du corps du piston se terminant par une cavité intérieure, et en ce que lesdits moyens de fixation comprennent une vis traversant lesdits trous et ayant une tête placée sur ladite couronne et une partie filetée s'tendant dans ledit corps jusqu'à ladite cavité intérieure, un écrou vissé sur cette vis ; et des moyens disposés entre ledit ecrou et le corps du piston afin de solliciter élastiquement ce dernier et la couronne l'un vers l'autre. 4. Piston selon la revendication 3, caraetérisé en ce que ladite vis est faite d'un alliage réfractaire à haute résistance. 5. Piston selon la revendication 3, caractérisé en ce que lesdits moyens de sollicitation élastique comprennent des moyens à ressorts placés autour de ladite vis et agissant contre ledit écrou et contre ledit corps du piston. 6. Piston selon la revendication 5, earacterisé en ce que lesdits moyens à ressorts comprennent un certain nombre de ressorts Belleville. 7. Piston selon la revendication 6, caractérisé en ce que ledit corps est en aluminium et en ce que eelui-ci est percé d'un trou ayant un diamètre plus grand que celui de la couronne et en ce que ledit piston comr prend, en outre, un insert tubulaire en acier reçu dans ladite ouverture dudit corps du piston, ledit insert ayant une bordure qui bute contre la cavité intérieure dudit corps, ledit ressort agissant entre ledit insert et ledit écrou. 8. Piston selon la revendication 3, caractérisé en ce que chaque disque est pereé d'un trou central que ladite vis traverse afin d'aligner lesdits disques. 9. Piston selon la revendication 1, earactérise en ce que lesdits disques ne s'étendent pas au pourtour de l'interface entre la couronne et ledit corps, l'épaisseur totale desdits disques empilés étant calculée pour que la couronne et ledit corps ne viennent pas au contact l'un de l'autre. 10. Piston selon ia revendication 9, earaetérisé en ce que ledit corps présente une cavité annulaire centrale, de sorte que les efforts de compression exercé8 sur la couronne sont transmis au corps du piston à travers une aire annulaire, le rayon de ladite cavité annulaire étant approximativement égal à la différence des rayons de la couronne et du pourtour extérieur des disques, ce qui fait qu'un effort de flexion uniforme est exercé sur la couronne par les forces de compression. 11. Piston selon la revendication 1; caractérisé en ce que lesdits disques sont faits d'un acier ayant des faces rugueuses. 12. Piston selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un disque métallique poreux. 13. Piston selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un disque formé d'une fine laine métallique suffisamment comprimée pour supporter des efforts de compression. 14. Piston selon la revendication 1, dans lequel ladite couronne et ledit corps ont des trous alignés, caractérisé en ce que lesdits moyens de fixation s'étendent dans lesdits trous pour maintenir ladite couronne, ledit disque et ledit corps du piston en compression et en ce que lesdits disques sont percés d'une ouverture centrale à travers laquelle lesdits moyens de fixation stétendent. 15. Piston selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite couronne est forme d'une céramique. 16. Piston selon la revendication 1, caractérisd en ce que ladite couronne est formée d'une matière métallique réfractaire.