Brevet FR2540562A1 — publié le 19840810

La présente invention concerne les pistons des mo- teurs à combustion interne et plus précisément ceux des mo- teurs diesel. Comme le carburant est enflammé, dans un moteur diesel, par la température de l'air comprimé dans le cylin- dre avant l'injection du carburant, il est nécessaire, pour que la combustion ait lieu, que l'air soit comprimé d'une quantité prédéterminée afin que la température nécessaire à l'inflammation du carburant soit atteinte Le carburant est cependant injecté avant qu'un piston placé dans un cylindre du moteur atteigne le point mort haut si bien que la pression dans le cylindre continue à augmenter après l'injection du carburant Etant donné les rapports élevés de compression utilisés dans les moteurs diesel, la pression maximale dans le cylindre, atteinte au point mort haut ou peu après, peut être importante Cette pression maximale impose au piston des forces qui peuvent détériorer les coussinets et réduire l'efficacité de la lubrification En outre, elle peut créer des ondes de choc transmises par le bloc-moteur et qui peu- vent alors provoquer une cavitation dans les circuits de re- froidissement par eau, pouvant provoquer une érosion du mé- tal du côté des cylindres qui est au contact de l'eau. La vitesse d'élévation de la pression provoque aussi une fatigue et une fissuration du piston et réduit la durée des bossages des axes de piston En outre, la vitesse élevée d'élévation de la pression est un facteur important dans le spectre d'émission de bruit par les moteurs diesel La pres- sion maximale détermine aussi l'importance de la mise de l'air sous pression avant sa pénétration dans le cylindre et affecte de façon nuisible l'appareil d'injection du carbu- rant O En outre, elle peut parfois rendre nécessaire l'uti- lisation d'un dispositif de chauffage lors de la mise en route du moteur. L'invention concerne un piston destiné à un moteur à combustion interne et comprenant une tête formée au moins en partie par un organe mobile par rapport au reste du pis- ton, cet organe se déplaçant à chaque course de compression, lorsque la pression dans le cylindre associé atteint une valeur prédéterminée, d'une première à une seconde position dans laquelle le volume de la chambre de combustion aug- mente, l'organe gardant cette seconde position jusqu'à ce qu'une pression prédéterminée soit atteinte à chaque course de détente, lorsque l'organe revient vers sa première posi- tion. D'autres caractéristiques et avantagesde l'invention seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre d'exemples de réalisation et en se référant aux des- sins annexés sur lesquels la figure 1 est une coupe d'un premier mode de réalisation de piston destiné à un moteur diesel ayant une coupelle de combustion de volume variable la figure 2 est un graphique représentant schéma- tiquement la variation de pression dans le cylindre d'un moteur diesel, en fonction de l'angle du vilebrequin, dans le cas du piston de la figure 1 et dans le cas d'un piston ayant une coupelle de combustion de volume fixe; la figure 3 est une coupe d'une variante du piston de la figure 1; et la figure 4 est une coupe d'un second mode de réa- lisation de piston pour moteur diesel, ayant une coupelle de combustion de volume variable. On se réfère d'abord à la figure 1 qui indique que le premier mode de réalisation de piston comporte un corps 10 formé d'aluminium ou d'un alliage d'aluminium moulé et ayant une jupe Il et des gorges 12 de logement de segments Le centre du corps a un alésage 13 aboutissant, à l'extrémité inférieure, à une surface annulaire radiale 14 ayant un trou central et un gradin annulaire 15 La surface 14 est couverte par une plaque d'acier 16 Une tête 17 formée d'un alliage à base de fer ou d'aluminium, est fixée au corps 10 par des boulons 18 et comprend une face externe 19 contiguë à la jupe il et ayant éventuel- lement une gorge 12 de logement d'un segment supplémentaire. La tête 17 a une forme générale annulaire et a une surface annulaire interne radialement 20 qui délimite une entrée d'une coupelle 21 de combustion Un alésage 22 part du bord 254056 ? radialement interne de la surface 20 Le diamètre de l'alé- sage 22 est inférieur à celui de l'alésage 13 du corps du piston si bien qu'un gradin 23 est formé entre les deux par- ties. Un organe de forme générale cylindrique 24 et ana- logue à un piston est porté par le corps 10 et a une face supérieure 25 qui forme la partie centrale de la chambre 21 de combustion Cet organe 24 a une surface externe cylin- drique 26 et peut coulisser dans l'alésage 22 de la tête. La surface 26 aboutit à une feuillure annulaire 27 qui, dans la position de l'organe 24 représentéesur la figure 1, est au contact du gradin 23 formé entre la tête 17 et le corps afin que l'organe 24 ne puisse pas se déplacer axialement vers le haut La surface cylindrique 26 a des gorges 28 qui logent des segments d'étanchéité (non représentés) destinés à assurer l'étanchéité entre l'organe 24 et la tête 17. L'organe 24 a aussi une partie inférieure 29 de forme générale cylindrique, logée dans l'alésage 13 formé dans le corps 10 et dont le diamètre est nettement infé- rieur à celui de l'alésage Des paires groupées de ressorts plats 30 sont disposées dans l'espace annulaire compris entre la partie inférieure 29 et l'alésage 13, le ressort supérieur étant en appui contre l'organe 24 et le ressort inférieur contre la plaque 16 d'acier La disposition est telle que les ressorts plats 30 sont maintenus en compres- sion partielle ou sous une charge préalable lorsque le piston est dans la position indiquée sur la figure 1. Le piston est monté par introduction de la plaque 16 dans le corps 10 puis par montage des ressorts plats 30 sur la plaque 16 L'organe 24 est alors placé de manière que la partie cylindrique 29 dépasse vers le bas par les rondelles et vienne en butée contre les ressorts 30 La tête 17 est alors mise en position de manière que le gradin 23 appuie contre la feuillure 27 de l'organe 24 et comprime ainsi en partie les ressorts 30 Les boulons 18 sont alors introduits afin qu'ils fixent la tête 17 au corps et main- tiennent les ressorts 30 sous une force de compression par- tielle. Lors de l'utilisation, le piston est introduit dans un cylindre d'un moteur diesel qui peut être d'un type à deux temps ou à quatre temps et qui peut être à aspiration naturelle ou à compresseur De manière connue, un moteur diesel fonctionne par compression d'une charge d'air jus- qu'à une température à laquelle un carburant diesel s'en- flamme puis, lorsque la compression nécessaire a été at- teinte, par injection du carburant afin qu'il provoque une course de détente et d'échappement suivie par une nouvelle compression et une combustion Le carburant est injecté avant le point mort haut Le rapport de compression du mo- teur peut être bien supérieur à celui d'un moteur à cycle d'Otto, par exemple compris entre 12 et 18/1 dans le cas des moteurs à injection directe, afin que l'air atteigne la température nécessaire au déclenchement de la combustion. Lorsque le carburant a été injecté et que la com- bustion a commencé, la pression s'élève et atteint une valeur maximale juste après le point mort haut, avant de diminuer pendant la course de détente Cette disposition est repré- sentée schématiquement par la courbe en trait interrompu 31 sur la figure 2 dans le cas d'un piston classique ne compre- nant pas l'organe 24 La pression maximale élevée présente un certain nombre de résultats nuisibles, notamment l'ap- plication de contraintes élevées aux coussinets et éléments du moteur, la rupture des films de lubrification, la créa- tion d'ondes de choc transmises par le bloc-moteur et qui peuvent alors provoquer une cavitation dans le circuit de refroidissement par eau et une érosion du métal du moteur, et l'impossibilité pour le moteur de supporter une surpres- sion élevée pendant de longues périodes En outre, cette pression maximale a un effet nuisible sur l'appareillage d'injection de carburant, peut présenter des difficultés à la mise en route, tout en pouvant présenter des difficul- tés pour l'obtention de spectres acceptables d'émission de bruit et de vibrations. Le piston décrit précédemment en référence à la figure 1 fonctionné de la manière suivante Lorsque le pis- ton commence la course de compression afin qu'il comprime la charge d'air, l'organe 24 reste dans la position indiquée sur la figure 1 si bien que la cuvette de combustion a un volume réduit Le piston agit alors de la même manière qu'un piston classique et comprime l'air jusqu'à la tempé- rature nécessaire à la combustion du carburant L'injection du carburant a alors lieu et les ressorts 30 subissent une charge préalable telle que, jusqu'à la pression atteinte au moment de l'injection du carburant, aucun déplacement de l'organe 24 n'a apparu A ce moment cependant, la pression dans le cylindre agissant à la surface 25 de la coupelle de combustion de l'organe 24 est suffisante pour que les res- sorts 30 soient comprimés et provoque un coulissement de l'organe 24 dans l'alésage 22 de la tête 17 vers une seconde position (non représentée) dans laquelle la coupelle 21 de combustion a un volume bien plus grand L'extrémité infé- rieure de l'organe 24 est en appui contre la partie de la plaque 16 qui se trouve radialement vers l'intérieur du gradin 14 La plaque 16 empêche ainsi l'usure du corps du piston par les ressorts 30 et l'organe 24. Le résultat est que le volume minimal de la chambre de combustion dans le cylindre est accru et la pression maximale est réduite Lorsque le piston a dépassé le point mort haut et la pression maximale, la pression dans le cylindre diminue jusqu'à ce que la pression limite soit à nouveau atteinte L'organe 24 revient alors vers la pre- mière position représentée sur la figure 1, dans laquelle la feuillure 27 est en butée contre le gradin 23 et la coupelle 21 de combustion a son volume le plus petit. Cette disposition est schématiquement représentée sur la figure 2, par la courbe en trait plein 32 On note que les courbes 31 et 32 se suivent jusqu'à ce que le point d'injection du carburant soit atteint La pression dans le cylindre est alors plus faible, par rapport au piston classique, jusqu'à ce qu'une pression d'équilibrage soit atteinte à nouveau, les deux courbes coïncidant alors pra- tiquement à nouveau. Le piston de la figure 1 présente les avantages suivants. 1 La pression de crête dans le cylindre est ré- duite, de même que la vitesse d'élévation de la pression après l'injection Cette disposition provoque une augmen- tation de la durée des coussinets par réduction des forces, et facilite l'entretien d'un film satisfaisant d'huile au niveau des coussinets des axes de piston et des surfaces d'appui de ces axes. 2 Les caractéristiques de couple cyclique du mo- teur sont améliorées et une partie de l'énergie absorbée à proximité du point mort haut est ensuite restituée lors de la course de détente Ainsi, la puissance spécifique du moteur reste égale ou légèrement supérieure à celle d'un moteur n'ayant pas le piston décrit précédemment-en réfé- rence à la figure 1, pour une quantité déterminée de carbu- rant injecté Ainsi, la réduction de la puissance spécifi- que afin que la combustion soit plus régulière et moins bruyante, n'est plus nécessaire, et les vibrations par chocs dans la structure du moteur sont réduites. 3 L'intensité des ondes de choc est réduite si bien que la tendance à l'érosion par cavitation des che- mises des cylindres refroidis par eau est réduite. 4 Etant donné l'augmentation du volume de la cou- pelle 21 de combustion, la surface 25 a une plus longue durée de vie, pour une plus faible érosion du bord de la coupelle de combustion En outre, la durée des axes de pis- ton est accrue étant donné la réduction de la pression. Le moteur supporte des suralimentations plus importantes pendant de plus longues périodes, pourvu que les dispositions prises pour le refroidissement soient convenables. 6 Un tel piston peut simplifier l'appareillage d'injection de carburant et le coût de cet appareillage et, dans certains cas, peut permettre l'élimination d'un dispo- sitif de chauffage pour la mise en route. 7 Le moteur peut accepter des carburants diffé- rents sans devoir être redessiné. 8 Le rapport de compression n'est pas affecté lors de la mise en route, si bien que les caractéristiques de mise en route du moteur ne subissent pas d'effets nui- sibles. L'espace dans lequel sont placés les ressorts peut recevoir de l'huile, à la fois afin que ceux-ci soient re- froidiset afin que le déplacement de l'organe 24 soit amorti. Il faut noter que le piston n'a pas forcément une coupelle 21 de combustion Le piston peut avoir une tête plate classique, l'organe 24 débouchant une cavité lorsque la pression prédéterminée est atteinte et fermant la cavité lorsque la pression tombe au-dessous de la pression-prédé- terminée Il faut aussi noter que le piston ne comporte pas obligatoirement des ressorts plats 30, tout dispositif élastique convenable, par exemple des ressorts hélicoïdaux, pouvant être utilisé. Les figures 3 et 4 représentent deux modes de réa- lisation ayant des ressorts hélicoïdaux Sur la figure 3, le-piston est réalisé-de façon générale de la même manière que le piston décrit précédemment en référence à la figure 1 et les éléments communs aux figures 1 et 3 portent les mêmes références numériques et on ne les décrit pas en détail. Dans le piston de la figure 3, l'organe 24 a, à sa face in- férieure, une cavité annulaire centrale 32 et la plaque 16 d'acier a une saillie centrale 33 tournée vers le haut De ressorts hélicoïdaux coaxiaux 34, 35 sont placés entre l'or- gane 24 et la plaque 16 Le ressort hélicoïdal interne 34 est au contact de la cavité 32 et de la saillie 33 et le ressort hélicoïdal externe 35 est au contact de parties externes de l'organe 24 et de la plaque 16 Les ressorts 34 et 35 ont des pas de signes opposés. Le piston de la figure 3 fonctionne de la même manière que celui de la figure 1 et présente les mémes avan- tages La disposition des deux ressorts hélicoïdaux 33, 34 permet l'application d'une force accrue à l'organe 24, par rapport au piston de la figure 1 Cette disposition peut être souhaitable dans certains moteurs diesel dans lesquels les pressions créées sont particulièrement élevées. On se réfère maintenant à la figure 4 sur laquelle le second mode de réalisation de piston comporte une tête 40 et un corps 41 tous deux formés d'aluminium ou d'un alliage d'aluminium La tête 40 a une forme générale annulaire et comporte une bande annulaire 42 comprenant trois gorges 43 de logement de segments Le centre de la tête 40 a une surface annulaire 44 formant une entrée d'une coupelle 45 de combustion Un alésage 46 partvers le bas du bord in- terne de la 'surface 44. Le corps 41 a une partie centrale 49 de forme géné- rale tronconique, reliée par des boulons 50 à la tête 40. L'extrémité supérieure du corps a des saillies espacées 47 qui sont tirées contre la tête 40 par les boulons 51 et qui sont angulairement espacées afin qu'elles forment des fentes entre elles Des alésages alignés 51 sont destinés à loger les axes de piston, et l'extrémité inférieure de la partie centrale 49 est raccordée à une jupe annulaire 52 dont la surface supérieure se trouve dans un plan perpendi- culaire à l'axe du piston Une bielle 53 a un alésage 54 de passage d'axe de piston aligné sur l'alésage 54 formé dans le corps 41 et raccordé à celui-ci par un axe 60. Un organe 55 de forme générale cylindrique, ana- logue à un piston, peut coulisser dans l'alésage 46 de la tête et a une face supérieure 56 formant la partie cen- trale de la coupelle 45 de combustion L'organe 55 a des bras 57 dépassant vers le bas et vers l'extérieur, par les fentes formées entre les saillies 47 du corps 41 et qui portent, à leurs extrémités, un anneau 62 qui est au con- tact d'une face inférieure 58 de la tête 40 Ainsi, l'organe est libre de coulisser dans l'alésage 56 par rapport à la tête 40 et au corps 41. Un ressort hélicoïdal partiellement-comprimé 59 est placé entre l'anneau 62 et une rondelle 61 placée sur la chemise 52 De cette manière, l'organe 55 est repoussé dans la position représentée sur la figure 4. Le piston décrit précédemment en référence à la figure 4 a un fonctionnement analogue à celui des pistons décrits précédemment en référence aux figures 1 à 3, et il présente les mêmes avantages Par rapport aux pistons des figures 1 à 3, le piston de la figure 4 est plus léger et la plus grande longueur du ressort 59 lui permet d'appli- quer une force accruecontre l'organe 55. La coupelle de combustion, lorsqu'elle est pré- sente, peut avoir toute forme nécessaire. Bien qu'on ait décrit des pistons des figures 1 à 4 en référence à un moteur diesel, il faut noter qu'ils peuvent être aussi utilisés dans un moteur à essence ou dans tout autre type de moteur. REVENDICATIONS 1 Piston pour moteur à combustion interne, caracté- risé en ce qu'il comprend une tête ( 17) formée au moins en partie par un organe ( 24) mobile par rapport au reste du piston, l'organe ( 24) se déplçant à chaque course de compression, lorsque la pression dans le cylindre associé atteint une valeur prédéterminée, d'une première à une se- conde position dans laquelle le volume de la chambre de com- bustion augmente, ledit organe ( 24) gardant sa seconde position jusqu'à ce qu'une pression prédéterminée soit at- teinte à chaque course de détente, lorsque l'organe revient vers la première position. 2 Piston selon la revendication 1, caractérisé en ce que la tête ( 17) comporte une coupelle de combustion ( 21) délimitée en partie par ledit organe ( 24), ce dernier for- mant une coupelle de combustion de volume réduit lorsqu'il est dans sa première position et formant une coupelle de combustion de volume plus grand lorsqu'il est dans sa se- conde position. 3 Piston selon l'une des revendications 1 et 2, carac- térisé en ce que ledit organe ( 24) est rappelé élastique- ment vers sa première position, et est déplacé malgré la force de rappel vers la seconde position lorsque la pres- sion prédéterminée est atteinte pendant la course de com- pression. 4 Piston selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit organe ( 24) est déplacé par la pression dans le cylindre agissant sur cet organe ' Piston selon l'une des revendications 3 et 4, ca- ractérisé en ce que la force de rappel est appliquée par un dispositif à ressort ( 30) agissant sur ledit organe. 6 Piston selon la revendication 5, caractérisé en ce que le dispositif à ressort ( 30) est formé par un ou plusieurs ressorts plats ou hélicoïdaux soumis à une tension préalable. 7 Piston selon l'une quelconque des revendications 2 à 6, caractérisé en ce que le reste de la tête délimite une entrée dans la coupelle de combustion, entourant un alésage cylindrique ( 22), ledit organe ( 24) ayant une sur- face de forme générale cylindrique ( 26) qui peut coulisser dans l'alésage afin qu'elle se déplace entre la première et la seconde position, une extrémité supérieure dudit or- gane formant le reste de la coupelle de combustion. 8 Piston selon la revendication 7, caractérisé en ce que la surface cylindrique ( 26) porte un ou plusieurs segments formant un joint étanche entre ledit organe ( 24) et l'alésage ( 22). 9 Piston selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le déplacement dudit organe ( 24) vers la première position est limité par contact de parties coopérantes du reste de la tête ( 17) et de l'organe ( 24). 10 Piston selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que la tête ( 17) est formée sépa- rément du'reste du piston et est fixée à celui-ci. 11 Piston selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que la tête ( 17) est formée par un organe annulaire radialement externe fixé par rapport au reste du piston, et l'organe mobile ( 24) est placé à l'intérieur de l'organe annulaire externe et est mobile en direction parallèle à l'axe du piston -