Brevet FR2524936A1 — publié le 19831014

La présente invention se rapporte à des pistons pour moteurs à combustion interne à essence ou diesel, du type qui comprend une gorge de segment annulaire et un segment de compression logé dans la gorge de segment pour s'appuyer à joint étanche contre un cylindre ou une chemise correspondante. Un piston pour un moteur à combustion interne est habituellement équipé de trois ou plus de trois segments qui sont logés dans des gorges de segments correspondantes qui s'étendent sur la circonférence du piston. Chaque segment est destiné à établir un joint étanche sur la paroi du piston ou de la chemise correspondante et éga- lement sur les parois latérales de la gorge. Ces joints étanches empêchent les gaz de passer de la chambre de combustion qui surmonte le piston à l'huile de lubrification située au-dessous (ce qu'on appelle communément la ventilation) et empêchentégalement l'huile de pénétrer dans la chambre de combustion. Des essais sur moteurs ont montré que les déplacements axiaux qu'un segment décrit dans sa gorge pendant le mouvement alternatif du piston ne correspondent pas à un modèle constant et que, pendant une grande fraction du temps, les faces latérales du segment ne sont pas appuyées à joint étanche contre les flancs de la gorge du piston et qu'au contraire, le segment flotte entre les flancs de la gorge. Lorsque le segment n'est pas appliqué à joint étanche contre les flancs de la gorge, les gaz sous pression contournent 1'arrière du segment, en passant entre le bord radialement le plus intérieur du segment et le fond de la gorge.Ceci réduit la force qui est exercée par les gaz sur l'une ou l'autre des faces latérales du segment et qui applique la face latérales opposée du segment sur la surface adjacente de la gorge pour établir un joint étanche entre ces deux surfaces. Etant donné que, pour appliquer le segment à joint étanche sur le flanc de la gorge, cette force a à surmonter des forces d'inertie ainsi que les forces de frottement créées par le contact entre le segment et la paroi du cylindre, cette réduction de la force appliquée par la pression des gaz réduira les chances d'établissement d'un joint étanche et accroîtra donc la fuite.En outre, on a constaté qu'invariablement les segments de compression ne ferment que les bords radialement extérieurs des flancs de la gorge, du fait que la force descendante n'établit un joint étanche entre le segment et la gorge qu'uniquement sur une petite zone qui longe ce bord radialement extérieur de la gorge. Ceci est dû au fait que le segment s'incline de sorte que ses flancs ne se trouvent plus dans des plans perpendiculaires à l'axe du piston. Ceci réduit la force axiale due à la pression des gaz et réduit par conséquent l'étanchéité sur cette petite zone, en donnant ainsi lieu à un frottement. Selon l'invention, on réalise un piston pour un moteur à combustion interne comprenant une gorge de segment annulaire, un segment de compression logé dans cette gorge pour s'appliquer à joint étanche contre un cylindre ou une chemise correspondante, et un dispositif d'étanchéité contenu dans la gorge de segment et entre la gorge de segment et le segment de compression pour réduire ou évi- ter l'écoulement des fluides autour de l'extrémité radialement intérieure autour du segment de compression. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre, d'un exemple de réalisation de l'invention, et en se référant aux dessins annexés sur lesquels, la figures 1 est une coupe d'une partie d'un piston qui montre un segment auxiliaire établissant un joint étanche entre une gorge de segment et un segment de compression la figure 2 montre un segment auxiliaire en deux pièces la figure 3 est une vue en élévation de côté d'une partie du piston de la figure 1, qui montre le segment de compression modifié par l'addition de bossages entretoises la figure 4 est une vue analogue à la figure 1 mais qui montre le segment de compression muni d'une feuillure la figure 5 est une vue analogue à la figure 1 mais qui montre une rainure de logement du segment auxiliaire ménagée dans une pièce rapportée fixée dans le piston la figure 6 est une vue d'un piston, analogue à la figure 1 mais dans le cas où une protubérance fixe fait saillie sur le fond de la gorge de segment et pénètre dans une rainure ménagée dans une face terminale radialement intérieure du segment de compression ; et la figure 7 est une vue analogue à la figure 6 mais qui montre la protubérance formée sur une pièce rapportée fixée dans le piston. Comme on peut le voir en se reportant tout d'abord à la figure 1, le piston 1 représente une gorge de segment 2 qui reçoit un segment de compression 3, de préférence un segment de compression en fer. Une surface terminale radialement intérieure du segment de compression 3 est munie d'un évidement présentant la forme d'une rainure 4 et le fond de la gorge de segment 2 est également muni d un évidement ayant la forme d'une rainure 5. Les rainures 4 et 5 sont alignées et reçoivent des parties espacées d'un segment auxiliaire réalisé sous la forme d'une barre 6 en acier. Le segment auxiliaire 6 peut être formé de deux ou plus de deux pièces (-voir figure 2) pour faciliter son montage dans le piston. La barre 6 peut être ajustée sans jeu dans les rainures 4, 5 ou encore elle peut être libre de s'engager dans les rainures 4, 5 et de s'en dégager. La barre 6 forme ainsi un joint étanche qui em pêche les gaz et l'huile de contourner l'extrémité radialement intérieure du segment de compression 3. Les jeux entre les flancs de la gorge et les flancs du segment 3 et entre le segment auxiliaire 6 et les rainures 4, 5 sont suffisamment petits pour tendre à augmenter la différence de pression entre les deux faces du segment de compression et pour engendrer une force axiale tendant à mettre les flancs du segment de compression 3 entièrement en contact avec l'un ou l'autre des flancs de la gorge 2 en établissant ainsi un joint étanche plus efficace entre segment et piston. De cette façon, il se forme en un certain sens une sorte de joint à labyrinthe à l'intérieur de la gorge de segment 2, en arrière du segment de compression 3. On estime que le segment auxiliaire séparé 6 aura l'avantage d'établir un joint plus efficace, à la fois pour s'opposer à l'écoulement des gaz autour de la face arrière du segment de compression 3 et pour s'opposer aux remontées d'huile qui, si on les laissait s'échapper, formeraient des dépôts brayé8 au-dessus du piston. En outre, la différence de pression entre les deux faces du segment obligera le segment de compression 3 à réagir rapidement et à s'appliquer contre la paroi correspondante de la gorge du piston, sensiblement par toute sa surface supérieure ou inférieure. Le segment auxiliaire 6 établira une bonne étanchéité sur ses bords radialement intérieurs et extérieurs et pourra de cette façon réaliser une étanchéité efficace, même Si le segment de compression ne forme plus un joint étanche le long de son flanc infé- rieur. Le segment auxiliaire 6 peut assurer à lui seul la fonction de formation d'un joint étanche entre le piston et le segment, en laissant le segment de compression 3 établir uniquement le joint étanche entre le piston et la paroi du cylindre. Ce résultat peut être obtenu par la présence de moyens prévus sur les flancs du segment de compression et qui l'empêchentde former un joint étanche sur les parois de la gorge de segment. Ces moyens peuvent revêtir la forme de bossages 13 (voir figure 3) prévus sur les flancs du segment de compression 3. Ainsi qu'on l'a indiqué sur la figure 1 ci-dessus, le segment de compression 3 est muni d'une rainure 4. Comme on le voit sur la figure 4, cette rainure 4 peut être remplacée par une feuillure 14 qui s'étend sur tout le tour de l'extrémité radialement intérieure du segment de compression 3. Comme on l'a également représenté sur la figure 1, la rainure 5 de la gorge de segment 2 est formée directement dans le corps du piston 10. Au contraire, et comme on le représente sur la figure 5, cette rainure 5 peut être formée dans une pièce rapportée 10' retenue dans le corps 10 du piston et qui forme également le fond de la gorge de segment 2. La pièce rapportée 10' peut être incorporée par fonderie au cours de la coulée du piston 10.Les parties restantes représentées sur les figures 4 et 5 sont telle qu'elles ont été décrites plus haut en regard de la figure 1 et elles portent les me mes numéros de référence. On se reportera maintenant à la figure 6 sur laquelle les éléments qui sont communs aux figures 1 à 5 et à la figure 6 sont désignés par les mêmes numéros de référence et ne seront pas décrits en détails. Dans le piston de la figure 6, le segment auxiliaire 6 est remplacé par une languette annulaire 7 qui fait saillie radialement vers l'extérieur sur le fond de la gorge de segment 8. La languette 7 est engagée dans un évidement formé par une rainure 9, qui est ménagée dans la surface terminale radialement intérieure du segment de compression 3, qui est sensiblement identique à celle représentée sur la figure 1. Naturellement, la protubérance 7 pourrait être formée sur le segment 8 et la rainure 9 dans la gorge du piston ou dans la pièce rapportée.Comme dans le cas de la forme de réalisation des figures 1 à 5, la languette 7 et la rainure 9 peuvent être ajustées sans jeu ou avec jeu. La languette 7 ne forme pas un joint entièrement étanche, ceci afin de permettre d'accumuler le maximum de différence de pression entre les faces du segment de compression, et de produire ainsi un effet de joint étanche sensiblement sur la totalité de la surface correspondante du segment grâce à un déplacement axial de ce segment. Toutefois, la languette 7 et la rainure 9 formeront ce qui constitue effectivement un joint à labyrinthe, en laissant ainsi une certaine accumulation de pression se produire pour appliquer plus rapidement le segment de compression à joint étanche contre les parois de la gorge. Les rainures 4, 5 et 9 peuvent être, non pas des rainures à flancs droits mais des rainures à flancs incurvés, convergents ou divergents ou coniques, ceci afin d'améliorer l'efficacité du joint à labyrinthe, de réduire le flottement du segment de compression et d'augmenter la force axiale qui établira rapidement un joint étanche sur toute l'étendue du segment de compression. Les formes de réalisation décrites plus haut en regard des dessins sont de nature à améliorer les performances dlun piston à trois ou plus de trois segments.La réduction de la ventilation, obtenue par une-étanchéité plus efficace, donne la possibilité d'allonger les intervalles entre les vidanges d'huile le et de réduire la consommation d'huile en évitant la formation de dépôts carbonés sur le piston au-dessus du segment racleur d'huile extrême supérieur. Depuis des années, on utilise dans les moteurs des pistons à trois, quatre ou cinq segments pour réduire la ventilation et la consommation de carburant. On estime que les avantages des formes de réalisation décrites plus haut en regard des dessins sont suffisamment substantiels pour permettre de réaliser une construction à deux segments, à savoir un segment de compression et un segment racleur d'huile, au lieu de deux ou plus de deux segments de compression et d'un segment racleur d'huile. Ceci réduit l'espace occupé par le deuxième segment de compression sur la ceinture de segments. De cette façon, on peut réduire la hauteur et, par conséquent, le poids du piston ou, en variante, on peut allonger la jupe du piston pour améliorer le guidage. En outre, avec un joint plus efficacement étanche, on a la possibilité d'obtenir une réduction du frottement. En effet, dans la technique antérieure, pour réaliser un joint plus efficacement étanche, on accroit la pression exercée par le segment de l'intérieur vers l'ex- térieur contre les parois du cylindre, de sorte que pour obtenir cette meilleure étanchéité,on accroît l'usure et le frottement tandis qu'il est préférable de n'exercer qu'une légère pression vers l'extérieur tout en obtenant encore une étanchéité efficace et rapide. Les formes de réalisation décrites ci-dessus en regard des dessins possèdent encore un autre avantage, en particulier dans le cas des pistons pour les gros moteurs diesel. En raison des pressions qui sont engendrées dans ces moteurs au moment de la course d'explosion, le segment de compression est répétitivement basculé vers le bas et appliqué à force contre le flanc inférieur de la gorge correspondante et ceci peut entraîner une importante usure du segment de compression et de la gorge. En outre, la pression peut provoquer une courbure ou flexion du segment dans une direction radiale. Dans les formes de réalisation des figures 1, 5, 6 et 7, la présence d"une saillie qui coopère avec le segment de compression réduit ces problèmes en rendant le segment de compression moins sujet à basculer et en opposant une résistance à la courbure ou à la flexion du segment. Bien entendu, diverses modifications pourront être apportées par l'homme de l'art aux dispositifs qui viennent d'être décrits uniquement à titre d'exemplesnon limitatifs sens sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS. 1. Piston pour moteur à combustion interne, du type qui comprend une gorge de segment annulaire (2) et un segment de compression logé dans cette gorge pour sap- pliquer à joint étanche contre un cylindre ou une chemise correspondante, caractérisé en ce qu'un dispositif de joint étanche (4, 5, 6 ; 5 6, 14 t 7, 9 11) est contenu dans la gorge de segment (2) et entre la gorge de segment (2) et le segment de compression (3) pour réduire ou éviter l'écoulement des fluides autour de l'extrémité radialement intérieure du segment de compression. 2. Piston selon la revendication 1, caractérisé en ce que la gorge de segment et le segment de compression sont munis d'évidements respectifs alignés (4, 5 t 5, 14) qui s'étendent sur toute leur circonférence, le dispositif de joint étanche comprenant un segment auxiliaire annulaire (6) qui possède deux parties annulaires espacées, lesquelles se logent respectivement dans l'évidement (5) de la gorge de segment et dans l'évidement (4) du segment de compression. 3. Piston selon la revendication 2, caractérisé en ce que la gorge de segment (2) possède des parois latérales espacées, orientées radialement et un fond annulaire, ledit évidement étant formé par une rainure (5) ménagée dans le fond de la gorge et en ce que le segment de compression (3) possède des flancs espacés qui s'étendent radialement et une surface terminale radialement intérieure située entre lesdits flancs, l'évidement (4 ; 14) étant formé dans ladite surface terminale radialement intérieure. 4. Piston selon la revendication 3, caractérisé en que le fond de la gorge de segment est formé par une pièce rapportée (10') montée dans le piston, la rainure (5) étant formée dans cette pièce rapportée. 5. Piston selon l'une quelconque des revendicatisons 2 à 4, caractérisé en ce que l'évidement du segment de compression est formé par une rainure (4) ou par une feuillure (14) du segment (3). 6. Piston selon l'une quelconque des revendicatios 2 à 5, caractérisé en ce que les parties annulaires du segment auxiliaire (6) et les évidements (4, 5 ; 5, 14) sont dimensionnés les uns par rapport aux autres de manière qu'au moins une partie du segment auxiliaire soit ajustée sans jeu dans l'évidement correspondant. 7. Piston selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif de joint étanche comprend un élément saillant (7) qui est engagé dans une rainure (9) coopérant avec cet élément, un élément étant prévu dans la gorge de segment (8) et l'autre élément dans le segment de compression (3). 8. Piston selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'.élément saillant comprend une languette annualire (7) qui s'étend sur la circonférence du fond de la gorge de segment (8) et est située dans un plan perpendiculaire à l'axe du piston et en ce que la rainure (9) s'étend sur la circonférence d'une surface terminale radialement intérieure du segment de compression (3) et se trouve sensiblement dans le même plan que ladite languette (7). 9. Piston selon la revendication 8, caractérisé en ce que le fond de la gorge de segment est formé par une pièce rapportée (11) retenue dans le piston et en ce que la pièce rapportée porte ledit élément saillant. 10. Piston selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le segment de compression (3) possède des flancs qui s'étendent radialement et en ce qu'au moins l'un des flancs est muni de moyens (13) qui l'empêchent de s'appliquer à joint étanche contre la gorge de segment sur toute sa périphérie.