Brevet FR2545542A1 — publié le 19841109

PISTON EN MATERIAUX REFRACTAIRES, NOTAMMENT POUR MOTEURS A ALLU- MAGE PAR COMPRESSION. La présente invention se rapporte à un piston en matériaux réfractaires utilisé dans un moteur à combustion interne et plus particulièrement dans un moteur à allumage par compression. Dans la technique des moteurs à allumage par compression, il a été proposé d'utiliser des chambres de combustion isolées pour augmenter le rendement et pour diminuer la pollution Par ail- leurs, la température disponible pour entraîner la turbine d'un moteur à turbocompresseur est considérablement augmentée Une solution connue consiste à pulvériser sur les surfaces de la chambre de combustion un matériau isolant à base de céramique. Une autre solution courante est de réaliser au moins un compo- sant qui délimite la chambre de combustion, en un matériau iso- lant En variante, on peut noyer un insert de céramique dans l'un de ces composants ou rajouter un écran thermique. Dans la première solution, les difficultés résident dans le main- tien de l'intégrité de la couche isolante, à cause des con- traintes du cycle de combustion et par suite des problèmes de dilatation thermique. Avec ces solutions, on se heurte à des difficultés engendrées par des gradients de température considérables existant entre les matériaux Des contraintes thermiques excessives et des déformations peuvent en résulter, lorsqu'il s'agit d'un matériau n'ayant pas un coefficient de dilatation thermique extrêmement faible. Les problèmes ci-dessus sont résolus par l'invention dont l'objet est un piston en matériaux réfractaires, notamment pour un moteur à allumage par compression, du type comprenant une tête, une jupe et leurs moyens de fixation mutuels. 2 2545542 L'invention propose un piston plus fiable, plus léger et plus adiabatique que ceux traditionnellement élaborés en alliaged'alu- minium ou en fonte Ces trois propriétés concourent à l'améliora- tion des rendements thermodynamique et mécanique des moteurs à allumage par compression, et à la diminution des niveaux vibra- toire et sonore de ces derniers. Suivant une particularité de l'invention, cette jupe entièrement en matériau réfractaire comporte deux parties semi-cylindriques qui présentent chacune des nervures et une cavité semi-sphérique, et forment après assemblage,suivant un plan contenant l'axe lon- gitudinal du piston, un logement de rotule pour un pied de bielle. Chaque partie de jupe présente une structure très rigide due au nervurage, et simple, ce qui permet une élaboration facile Le remplacement du traditionnel axe de piston par une rotule auto- rise l'emploi de matériaux fragiles, allège l'ensemble des masses en mouvement alternatif, et est particulièrement bien adapté au fonctionnement des moteurs à deux temps. Suivant une autre particularité de l'invention, cette tête de piston entièrement en matériau réfractaire comporte une cuvette de combustion ainsi que des évidements répartis autour de l'axe longitudinal du piston et débouchant sur la face inférieure de raccordement à la jupe Cette tête présente une structure simple, légère et ses évidements renforcent l'isolation thermique néces- saire entre celle-ci et la jupe de piston, déjà favorisée par l'emploi d'un matériau réfractaire. D'autres particularités et avantages de l'invention ressortiront de la description qui suit, d'un mode de réalisation préféré, donnée à titre d'exemple nullement limitatif, en référence aux dessins annexés dans lesquels la figure 1 est une vue en coupe longitudinale et axiale d'un piston conforme à l'invention; 49308 1 1076 3 2545542 la figure 2 est une vue en coupe suivant la ligne 2 2 de la figure 1 la figure 3 est une vue en coupe suivant la ligne 3 3 de la figure 1, et la figure 4 est une vue en coupe suivant la ligne 4 4 de la figure 1. Les figures 1 à 4 montrent un piston 2 pour un moteur à allumage par compression et à injection directe, qui comprend une tête 4 et une jupe 6 Ce piston coulisse alternativement dans une che- mise 8 et comporte une cuvette de combustion conventionnelle 10 ainsi que trois évidements 12 régulièrement répartis autour de l'axe longitudinal 14 du piston et de la cuvette 10 Ces évide- ments 12 débouchent sur la face inférieure de raccordement à la jupe 6 et contiennent un produit isolant 16 tel que de la laine de verre La jupe 6 est constituée par deux parties semi-cylin- driques 18 et 20 dont l'assemblage s'effectue suivant un plan contenant l'axe longitudinal 14 du piston 2 Chacune de ces par- ties 18 et 20 présente des nervures 22 verticales, perpendicu- laires au plan de montage des deux parties de jupe 18 et 20 et situées entre deux portions cylindriques supérieure 24 et infé- rieure 26 Ces portions cylindriques 24 et 26 présentent respec- tivement des gorges 28 et 30 qui reçoivent respectivement un segment d'étanchéité 32 et un segment râcleur 34. Les deux parties de jupe 18 et 20 comportent des cavités semi- sphériques 36 et 38 respectives qui forment après assemblage, un logement de rotule pour un pied de bielle non représenté Cha- cune de ces parties est pourvue de deux trous borgnes 40 dont les axes sont perpendiculaires au plan d'assemblage de celles-ci et symétriques par rapport à l'axe longitudinal 14 du piston 2. Ces trous 40 sont destinés à recevoir deux bagues de centrage rectifiées 42. Trois alésages 44 d'axes parallèles à l'axe longitudinal 14 du piston 2 et régulièrement répartis à 1200 autour de cet axe tra- versent la jupe 6 (un et deux respectivement pour les parties de jupe 18 et 20) Ces alésages reçoivent chacun une vis de fixation 46 et un insert taraudé 48 formant écrou et bague de centrage de la jupe sur la tête 4, dans laquelle il est noyé. Le piston 2 précédemment décrit et réalisé en matériaux réfrac- taires,tels que les différentes céramiques, peut fonctionner à des températures très élevées pour améliorer la combustion et les rendements thermodynamique et mécanique du moteur. L'emploi de ces matériaux, en fonction de leurs caractéristiques physico-mécaniques et de leur mode d'élaboration, conduit à con- cevoir le piston sous une forme inhabituelle. En effet, la tête 4 du piston 2 comporte des évidements 12 en plus de la chambre de combustion 10 dans le cas d'un moteur à injection directe La jupe 6 assemblée en deux parties nervurées 18 et 20 coiffe un pied de bielle sphérique et reçoit une segmen- tation appropriée à la chemise 8 ou cylindre dans laquelle elle doit se mouvoir. Le matériau réfractaire employé pour la tête devra présenter de très faibles coefficients de dilatation et de conduction ther- miques ainsi qu'une bonne résistance à la compression, par exemple le sialon. Le matériau réfractaire employé pour la jupe devra présenter des caractéristiques semblables associées à une bonne résistance à la flexion et à un faible coefficient de frottements, par exemple le nitrure de silicium. Pour qu'un piston ainsi constitué fonctionne convenablement, la chemise 8 ou cylindre dans laquelle celui-ci se déplace doit éga- lement être en matériau réfractaire, par exemple en carbure de silicium. 49398 11676 2545542 Le jeu existant entre la tête de piston 4 et la chemise 8 ou cylindre est de ce fait minimisé et le plus constant possible durant les différentes phases de fonctionnement du moteur. Cette tête 4 peut comporter des gorges de détente destinées à améliorer son étanchéité aux gaz de combustion Avant son assem- blage sur la jupe de piston 6, les évidements 12 dont il est pourvu peuvent être garnis d'un produit isolant, par exemple de la laine de verre, afin d'augmenter l'effet d'isolation thermique que procure l'air emprisonné entre cette tête et cette jupe. La jupe 6 comme la tête 4 doit satisfaire aux mêmes critères de dilatation thermique vis-à-vis de la chemise 8 ou du cylindre Sa portance est réduite le plus possible et, si le coefficient de frottement ainsi que la lubrification l'autorisent, la segmenta- tion 28, 30, 32 et 34 sera supprimée. Les parties constitutives (tête et jupe) du piston 2 présentent un mode d'élaboration approprié aux matériaux réfractaires em- ployés Elles forment un ensemble léger, particulièrement adapté aux moteurs diesel à injection directe (chambre de combustion dans le piston). La tête 4 dont la température est élevée facilite la combustion et les départs à froid. Dans le cas des moteurs diesel à injection indirecte du type Ricardo -, elle est évidemment réduite, voire même supprimée; les deux parties de jupe 18 et 20 sont assemblées entre elles et la hauteur de jupe est augmentée vers la face de compression. Cette tête 4 reçoit les inserts taraudés 48 qui servent à son centrage sur la jupe 6 et à sa liaison par la vis de fixation 46 sur cette dernière La jupe 6, composée des deux parties 18 et 20 centrées entre elles, forme, après assemblage de ces dernières, 49: 6 _ 2545542 une cavité sphérique 36, 38 dans laquelle tourillonne un pied de bielle non représenté Une alimentation d'huile sous pression en provenance de la bielle en assure le bon fonctionnement. La jupe 6 ainsi définie peut présenter une faible hauteur grâce aux qualités de frottement des matériaux réfractaires employés et à une lubrification appropriée Son basculément et les "claquages à froid" peuvent être minimisés par le jeu de fonctionnement réduit qui est rendu possible par l'emploi d'une chemise 8 ou d'un cylindre en un matériau dont le coefficient de dilatation thermique est adapté à celui de la jupe 6 Bien entendu, dans le cas des moteurs fonctionnant suivant le cycle à deux temps et à balayage équicourant, la hauteur de la jupe 6 est conditionnée par la position des lumières. Les deux segments que cette jupe comporte, dits d'étanchéité 32 et râcleur 34, peuvent être supprimés suivant les qualités des matériaux réfractaires employés pour réaliser l'ensemble consti- tué par la jupe 6, la chemise 8 ou le cylindre, et la tête 4. 49398 11676 7 2545542- REVENDICATIONS 1 Piston ( 2) en matériaux réfractaires, notamment pour un moteur à allumage par compression, du type comprenant une tête ( 4), une jupe ( 6) et leurs moyens de fixation mutuels, caractérisé en ce que cette jupe ( 6) entièrement en matériau réfractaire comporte deux parties semicylindriques ( 18, 20) qui présentent chacune des nervures ( 22) et une cavité semi-sphérique ( 36, 38), et forment, après assemblage suivant un plan contenant l'axe longitudinal ( 14) du piston ( 2), un logement de rotule pour un pied de bielle. 2 Piston en matériaux réfractaires selon la revendication 1, caractérisé en ce que cette tête ( 4) entièrement en matériau réfractaire comporte une cuvette de combustion ( 10) ainsi que des évidements ( 12) répartis autour de l'axe longitudinal ( 14) du piston ( 2) et débouchant sur la face inférieure de raccordement à cette jupe ( 6). 3 Piston en matériaux réfractaires selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé par des moyens de centrage ( 40, 42, 44, 48) entre les deux parties de jupe ( 18, 20) d'une part, et entre la tête ( 4) et la jupe ( 6) d'autre part, ainsi que par des moyens de fixation ( 44, 46, 48) entre la tête ( 4) et la jupe ( 6). 4 Piston en matériaux réfractaires selon l'une quelconque des revendications 1, 2 et 3, caractérisé en ce que les évidements ( 12) de la tête ( 4) sont garnis d'un matériau thermiquement iso- lant ( 16), notamment de laine de verre. Piston en matériaux réfractaires selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la tête ( 4) est faite d'un matériau réfractaire présentant de très faibles coefficients de dilatation et de conduction thermiques, et une bonne résistance à la compression, notamment une céramique comme le sialon. 8 2545542 6 Piston en matériaux réfractaires selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la jupe ( 6) est faite d'un matériau réfractaire présentant de très faibles coefficients de dilatation et de conduction thermiques, une bonne résistance à la compression et à la flexion, et un faible coefficient de frot- tement, notamment une céramique comme le nitrure de silicium. 7 Piston en matériaux réfractaires selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la jupe ( 6 > présente une portance minimale assurée par au moins une surface cylindrique lisse ( 24, 26), dépourvue de gorge de segmentation. 8 Piston en matériaux réfractaires selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il se déplace dans un cylindre ou chemise ( 8) également en matériau réfractaire, notam- ment en carbure de silicium. 49398 11676