Brevet FR2531174A1 — publié le 19840203

ELEMENT D'-ETANCHEITE POUR UN BOISSEAU ROTATIF La présente invention concerne un dispositif d'étanchéité pour un boisseau rotatif en particulier pour contrôler l'échappement des moteurs à distribution rotative tels que les moteurs à combustion interne selon les cycles à deux ou quatre temps à allumage commandé ou Diesel. Une des principale difficultes de réalisation des moteurs à combustion interne réside dans l'étanchéité de la chambre de combustion. Lorsque, pour contrôler le circuit d'admission pour l'échappement des gaz de la chambre de combustion, on utilise un distributeur rotatif qui vient obturer la chambre de combustion durant les phases de combustion à haute pression, il convient de réaliser un joint tournant résistant en plus à des temperatures elevées ( 600 à 900oC ) et à la flamme de la combustion chimiquement agressive. De nombreux systèmes d'étanchéité ont été élabores qui tous conduisent à des grippages ou à des defauts d'étanchéité dans le temps. Pour assurer le fonctionnement du distributeur, il est nécessaire, ainsi que de- crit dans le brevet français n" 70 14.132, de ménager un jeu de fonctionnement entre le distributeur rotatif et son logement ou alésage afin de tenir compte des dilatations. Le brevet français n" 71 05088 décrit un dispositif d'étanchéité faisant partie intégrante de la chambre de combustion et monté coulissant dans un alésage perpendiculaire au logement du distributeur, realisant ainsi l'intèrsection de deux cylindres.Le joint du dispositif est plaqué sur le distributeur rotatif par la pression régnant dans la chambre, ce qui autorise un jeu de fonctionnement entre le distributeur rotatif et le joint annulaire. Les dispositifs connus présentent des difficultés d'étanchéité aux températures de fonctionnement élevées ou au démarrage à froid et des usu-- res elevées des joints d'étanchéité et des surfaces de contact sur le distributeur rotatif. L'un des buts de la présente invention est précisément de pallier ces difficultés d'étanchéité et d'usure. A cet effet, le dispositif d'étancheité pour un boisseau rotatif sensiblement cylindrique traversé par au moins un canal et sur lequel vient s'appliquer un joint d'étanchéité annulaire d'axe transversal à l'axe de rotation du boisseau, en particulier pour assurer l'étanchéité d'une lu mière d'echappement d'une chambre de combustion d'un moteur à combustion interne et dans lequel le joint annulaire est guidé axialement de façon etanche par sa surface extérieure mobile dans un alésage et plaqué sur le boisseau par la pression régnant dans la chambre de combustion, est carac térisé en ce que la zone de contact entre le boisseau et le joint est lubrifiée par un film d'huile maintenu en dépit de la pression des gaz (de la chambre de combustion)traversant le boisseau. Les bords du joint forment à chacune des extrémités du joint en contact avec le boisseau, selon un plan transversal à l'axe de rotation du boisseau, une arête d'extrémité d'angle inférieur à 90". L'arête d'extremite du joint, située du côté de l'entrée en contact au débouché du canal ménagé dans le boisseau avec le joint annulaire, est munie d'un chanfrein d'entrée apte à former un coin d'huile qui fait pénétrer le film d'huile entre les surfaces au contact du boisseau et du joint annulaire. Selon un autre mode de réalisation, dans sa partie de plus faible section axiale, le joint annulaire présente une hauteur axiale voisine de la hauteur minimale assurant la résistance à la pression de la chambre de combustion regnant à l'intérieur du joint, de manière à lui assurer une bonne élasticité au placage sur le boisseau et à ameliorer la tenue du film d'huile. Le joint annulaire présente dans le sens axial une épaisseur de paroi variable dont l'inertie à la section minimale (8) est déterminée pour permettre la déformation du joint (3) et sur placage sur le boisseau (1) pour de faibles surpressions de l'ordre de 0,1 à 1 bar tout en assurant la résistance du joint (3) à l'éclatement sous l'effet de la pression de la chambre de combustion (4) et le maintien du film d'huile entre le joint (3) et la surface du boisseau (1). Selon un autre mode de réalisation du joint, son diamètre extérieur est compris entre 4/7 et 6/7 du diamètre exterieur du boisseau pour réaliser un bon compromis entre la section de passage centrale du joint , la surface de contact avec le boisseau apte à améliorer la tenue du film d'huile et la courbure des zones de contacts avec le boisseau aux bords du-joint selon un plan transversal à l'axe de rotation du boisseau, cette courbure étant propre à diminuer la tenue du film d'huile. D'autres buts, avantages et caractéristiques de l'invention apparaitront à la lecture de la description à titre non limitatif d'un mode de réalisation de l'élément d'étanchéité, faite en regard du dessin annexé où: - la figure 1 représente une vue en coupe transversale d'un distribu teur rotatif équipe de l'élément d'étanchéité selon l'invention; - la figure 2 représente une vue en coupe transversale de l-'élément d'etancheité montrant sa section minimale; - la figure 3 représente, de façon exagérée dans un but d'illustra tion et a grande échelle, une vue en coupe transversale de l'élément d'étanchéité lorsqu'il est déforme par un échauffement de friction et/ou une usure-du contact avec la surface du boisseau;; - la figure 4 représente, également à grande échelle, une vue en coupe transversale de l'élément d'étanchéité lorsqu'il est de formé exagérément par des gaz d'échappement. Le distributeur rotatif 1 en forme de boisseau ( fig 1) est supporté par des roulements ou paliers lisses et tourne à l'intérieur de l'alésage 2 d'un logement ou stator la avec un jeu de fonctionnement empêchant tout contact avec les parois de l'alésage malgré les dilatations différentielles que le passage des gaz chauds peut engendrer. Le sens de rotation du rotor est indique par une flèche au voisinage de la périphérie du distributeur.1. L'élément d'étanchéité 3 est destiné à assurer l'étanchéité d'une chambre de combustion 4 d'un moteur à combustion interne. Cet élément est monté libre et coulissant avec un jeu fonctionnel important dans un alésage 5 perpendiculaire à l'alésage 2 du logement ou stator et qui présente une faibli conicité dont la pointe est dirigee vers le chambre de combustion 4. L'étanchés périphérique de l'élément 3 constituant une bague annulaire est assurée- par un plusieurs segments 5. Le passage des gaz d'échappement de la chambre de combustion 4 vers llechappement steffectue via un passage transversal 7 ménagé dans le distributeur et l'orifice central 7a de la bague annulaire 3. Au cours du fonctionnement du moteur thermique, le distributeur rotatif 1 et son élément d'étanchéité 3 sont soumis à diverses contraintes mecaniques et thermiques provoques par: - la différence de température moyenne entre le distributeur 1 et l'-élé- ment d'étanchéité 3 qui reçoit le "coup de feu" des gaz d'échappement et évacue une grande partie de la chaleur reçue par sa surface en contact avec le distributeur 1; - le fait que les materiaux dans lesquels sont réalisés le distribu teur 1 et l'élément d'étanchéité 3 sont différents.Pour conserver de bonnes qualités frottantes et thermiques, l'élément d'étanchéité est généralement réalisé en fonte possedant un coefficient de dila tation sensiblement moitié de celui de l'alliage d'aluminium dans lequel est réalisé le distributeur 1 et son logement la; - les déformations yéométriques du distributeur dues a sa forme, aux dilatations, aux contraintes mécaniques engendrées par sa rotation et à la force centrifuge. Les paramètres ci-dessus ont pour résultat que le rayon de courbure OA du distributeur et le rayon de courbure OB de la surface frottante de l'élément d'étanchéité 3, qui devraient être continuellement confondus, se déforment, principalement sous l'effet du choc thermique des bouffées alternées de gaz d'échappement du moteur. L'élément d'étanchéité suivant l'invention est réalisé de telle sorte que son inertie a sa section minimale, suivant le plan de coupe 8 (voir la figure 2), lui permette une grande souplesse afin que, dès l'application d'une pression de gaz même faible -(début de compression moteur) dans la chambre de combustion 4, le rayon de courbure OB de l'élément puisse se conformer sur le rayon de courbure OA du distributeur par la flexion de l'élément 3 même pour des différences sensibles entre ces deux rayons OA et OB et assurer le contact permanent permettant l'étan- chéité. La figure 3 représente la déformation du joint annulaire 3, principalement sous l'effet de l'échauffement au contact de friction avec le distributeur 1. Le rayon de courbure OA du distributeur est plus grand que le rayon de courbure OB de l'élément d'étanchéité. Sous l'effet de l'application de la pression, l'élément 3 se deforme vers l'extérieur pour que OA égale OS. Sur la figure 4, le rayon de courbure du distributeur OA est plus petit que le rayon de courbure OB de l'élément 3 non soumis à la pression. Sous l'effet de la pression de la chambre de combustion 4, l'êlé- ment d'étanchéité 3 se déforme vers l'intérieur pour que OA égale OB. On doit noter que l'application de la pression à l'intérieur de l'orifice de passage 7a de l'élément d'étanchéité 3 tend à provoquer l'éclatement dudit élément en créant une contrainte maximale dans sa section minimale, suivant le plan de coupe 8 (figure 2) qui doit être suffisante pour que la contrainte en ce point de résistance minimale soit compatible avec les caracteristiques mécaniques et de résistance du matériau utilisé pour l'élément d'etancheité annulaire 3. Il apparait des lors évident que les meilleurs résultats seront obtenus avec des matériaux ayant de faible modules d'élasticité et de bonnes caracteristiques en traction et en flexion et tels que l'acier ou la fonte pour segments. La pression regnant à l'intérieur de l'orifice 7a de l'élément d'étanchéité 3 tend à le courber selon la figure 3 où le rayon de courbure OB est plus grand que le rayon OA final du fait de la reaction de la géométrie du joint aux efforts de pression sur les parois internes 9 de l'orifice 7a. Pour favoriser les démarrages à froid, on choisira de préférence, un rayon de courbure initial OB,à l'usinage de l'élément d'etancheité7qui- soit plus petit que le rayon de courbure initial OA à l'usinage du distributeur 1. Le jeu entre l'élément d'étanchéité 3 et son alésage 5 doit être suffisant pour accepter les deformations de conformabilité sans coincement néfaste au bon Fonctionnement et être choisi en fonction de l'étude approfondie de tous les cas de figure pouvant être rencontrés en fonctionnement. Selon l'invention, diverses mesures sont appliquées au joint annulaire 3 afin de maintenir un film d'huile continu sous la surface de contact entre la surface cylindrique exterieure 15 du distributeur 1 et la surface conjuguée: 16 menagée: sur le joint-annulaire (figures 2 a 4). Parmi ces mesures, on peut prévoir sur l'arête d'extrémité 17 du joint (voir la figure 3) située du côté de l'entréeencontact du débouché du canal 7 (repère 14 sur la figure 1) avec le joint annulaire9 un chanfrein d'entrée 18 qui vient former un coin d'huile à l'entrée des surfaces d'étanchéité en contact.Une source de pression d'huile, ou simplement pour les moteurs à deux temps la condensation de l'huile transportee par les gaz d'échappement, vient alimenter une zone reliée en permanence à un conduit d'échappement vers l'extérieur 19. L'huile déchargée dans cette zone délimitée par le ou les segments d'étanchéité 6 du joint 3 dans l'alésage 5, est entraînee dans l'espace annulaire 13 compris entre la surface de l'alésage 2 et la surface extérieure 15 du distributeur 1 et vient s'accumuler dans le coin d'huile formé par le chanfrein 18. Pour maintenir le film d'huile interposé entre le distributeur 1 et le joint annulaire métallique 3 lorsque la température des gaz d'échappe ment déforme les pièces en contact, il est nécessaire de prévoir une grande élasticité entre ces pièces pour que la pression régnant dans la chambre de combustion 4 plaque bien le joint 3 sur le distributeur. Dans ce but, la section minimale 8'du joint 3 est réduite à la plus faible hauteur admissible permettant de résister aux efforts de la pression régnant dans le passage 7a et qui tend à faire éclater radialement le joint 3. De même l'épaisseur e du joint 3 est comprise entre 1/10 et 1/8 du diamètre extérieur du distributeur 1 pour réaliser un bon compromis entre les efforts de pression appliqués sur le joint en direction du boisseau, la section du joint appliquée sur le boisseau par l'intermédiaire du film d'huile et la déformation du joint sous l'effet de la pression des gaz de la chambre de combustion qui le traversent. Le diamètre extérieur de l'élément 3 et de l'alésage 5 qui le guide peut être compris entre 4/7 et 6/7 du diamètre extérieur du boisseau pour réaliser un bon compromis entre la section de passage centrale du joint, la surface de contact avec le boisseau apte à améliorer la tenue du film d'huile et la courbure des zones de contact avec le boisseau aux bords du joint selon un plan transversal a l'axe de rotation du boisseau, cette courbure étant propre à diminuer la tenue du film d'huile. Bien entendu, la présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits et representés -et elle est susceptible de nombreuses variantes accessibles à l'homme de l'art, sans que l'on ne s'écarte de l'esprit de l'invention. Ainsi le jeu axial entre la base plane 20 du joint 3 et la face d'appui 12 ménagée dans le corps la qui contient le distributeur 1 doit être réduit au minimum compatible avec les dilatations de ce corps la, du joint 3 et du distributeur 1, c'est-a-dire pour les dimensions courantes des moteurs deux temps, à des dimensions de l'ordre de 5/10 de millimètres, De même, on doit comprendre que le placage permanent de l'élément, d'étanchéité 3 sur le distributeur 1 en forme de boisseau est assuré sans la présence d'un ressort de rappel du simple fait de la légère conicité de l'alésage 5 qui tend à repousser par une sorte d'effet mecano-pneumatique le joint 3 en direction du boisseau 1 à l'encontre de la pesanteur agissant sur l'élément 3 lorsque le dispositif d'étanchéité est placé,selon la figure 1,en tête de la chambre de combustion. De plus, l'élément 3 peut présenter un diamètre extérieur très voisin de celui de l'alésage 5 de façon qu'au cours de son gonflement diamétral sous l'action de la pression de la chambre de combustion 4, il vienne en appui sur la paroi de cet alésage ce qui permet de limiter les risques d'éclatement. REVENDICATIONS 1.- Dispositif dtètanchéité pour un boisseau rotatif sensiblement cylindrique traversé par au moins un canal et sur lequel vient s'appliquer un joint d'étanchéité annulaire d'axe transversal à l'axe de rotation du boisseau, en particulier pour assurer lteancheite d'une lumière d'échappement d'une chambre de combustion d'un moteur a combustion interne et dans lequel le joint annulaire est guidé axialement de façon étanche par sa surface exterieur mobile dans un alésage et plaqué sur le boisseau par la pression régnant dans la chambre de combustion, caractérisé en ce que l'alésage (5) de guidage du joint (3) presente -une légère conicité dont la pointe est dirigée vers la chan bre de combustion (4) pour repousser en permanence le joint (3) en direction d boisseau (2) et en ce que la zone de contact entre le boisseau (1) et le joint est lubrifiee par un film d'huile maintenu malgre la pression des gaz de la ch bre de combustion (4) qui traversent le boisseau (1). 2.- Dispositif selon la revendication 1 dans lequel les bords du joint forment à chacune des extrémités du joint en contact avec le boisseau selon un plan transversal a l'axe de rotation du boisseau une arête d'extrémité d'angle inférieur à 900, caractérisé en ce que l'arête d'extrémité (17) du joint (3) située du côté de l'entrée en contact (14) du débouché du canal (7) ménagé dans le boisseau (1); avec le joint annulaire (3), est munie d'un chanfrein d'entrée (18) apte à former un coin d'huile qui fait pénétrer le film d'huile entre les surfaces en contact du boisseau (1) et du joint annulaire (3). 3.- Dispositif selon l'une des revendications 1 Ou 2, caractérisé en ce que dans sa partie (8) de plus faible section axiale, le joint annulaire (3) présente une hauteur axiale voisine de la hauteur minimale assurant la resis- tance a la pression de la chambre de combustion (4) régnant à l'intérieur du joint, de manière à lui assurer une bonne élasticité, au placage sur le boisseau (1) et a améliorer la tenue du film d'huile. 4.- Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le joint annulaire (3) présente dans le sens axial une épaisseur de paroi variable dont l'inertie à la section minimale (8)est déterminée pour permettre la déformation du joint (3) et son placage sur le boisseau (1) pour de faibles surpressions de l'ordre de 0,1 à 1 bar tout en assurant la résistance du joint (3) a l'éclatement sous l'effet de la pression de la chambre de combustion (4) et le maintien du film d'huile ente te joint (3) et la surface du boisseau t1). 5.- Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, caractérise en ce qu le diamètre extérieur du joint annulaire (3) est compris entre 4/7 et 6/7 du diamètre extérieur du boisseau (1) pour réaliser un bon compromis entre la section de passage (7a) centrale du joint, la surface de contact avec le boisseau (1) apte à améliorer la tenue du film d'huile et la courbure des zones de contact avec le boisseau aux bords du joint (3) selon un plan transversal à l'axe de rotation du boisseau (1), cette courbure étant propre à diminuer la tenue du film d'huile.