Brevet FR2559212A1 — publié le 19850809

Piston pour moteurs à combustion interne. L'invention concerne un piston pour des moteurs à com- bustion interne, comprenant une couche protectrice de finition déposée sur la tête de piston par pulvérisation de plasma ou par pistolage à la flamme et faite avec un matériau ayant un coefficient de conductibilité thermique comparativement petit de préférence> Les tendances à une moindre consommation et à une plus faible émission de substance nuisible dans les gaz d'échappe- ment de moteurs à combustion interne ont conduit, par exemple dans des moteurs Diesels, à une augmentation de la pression moyenne effective (puissance, couple), à laquelle on parvient dans de nombreux cas par une suralimentation par turbocompres- seur à gaz d'échappement. La contrainte thermique que subit le piston, en raison de la grande puissance spécifique du mo- teur, oblige, pour des raisons de résistance et de fonctionne- ment, à utiliser de plus en plus un refroidissement du piston. Mais à cela s'oppose la tendance de diminuer le transfert de la chaleur perdue du processus de combustion à l'agent réfri- gérant et à l'huile de graissage. Les motifs suivants s'y rat- tachent: la quantité d'huile de graissage, la quantité d'agent réfrigérant et les dimensions du radiateur peuvent être dimi- nuées. Moins de puissance est perdue pour l'entraînement du ventilateur; en tirant partie de la température plus élevée des gaz d'échappement avec le système composé à turbocompresseur, on peut diminuer la consommation de carburant; en évaporant mieux le combustible réparti sur la pa- roi de la tête de piston chaude, on peut améliorer la qualité des gaz d'échappement, surtout dans la phase de mise en tem- pérature. Mais les tendances à la limitation ou à la diminution de la chaleur perdue à évacuer par l'agent réfrigérant con- duisent en revanche à une grande contrainte thermique de la tête du piston, de sorte que celle-ci doit être isolde ther- miquement. Pour réaliser une tête de piston isolée thermiquement, on a déjà proposé plusieurs solutions. C'est ainsi qu'une construction, basée sur un piston d'aluminium, avec une tête en céramique vissée et isolée par rapport à la base par des disques d'acier, a été décrite et essayée par "Stang, J.H.: Designing Adiabatic Engine Components, SEA 780 069". Avec un piston en aluminium de ce type, on peut atteindre des tempé- ratures de 900 C sur la tête du piston. Mais les points de cette solution dite chaude, qui font problème sont les coûts de fabrication d'une partie supérieure en céramique satis- faisant anx exigences de solidité, ainsi que le volume mort, relativement grand qui se trouve au-dessus du premier seg- ment de piston et qui exerce une influence négative sur la composition du gaz d'échappement. Pour isoler thermiquement la tête de piston de moteurs à combustion interne, il est, en outre, prévu une couche pro- tectrice de finition à base d'oxyde de zirconium, de silicate de zirconium, de cermets ou d'un matériau semblable, qui est déposée par pulvérisation de plasma ou par pistolage à la flamme en une épaisseur de couche de 0,5 à 3 mm et dont la surface présente une profondeur de rugosité de 50 à 100 pm. Un inconvénient essentiel de cette couche de finition agissant comme isolant thermique est que l'adhérence aux ma- tériaux formant le piston n'est pas assurée dans tous les cas de contrainte pour garantir, pour une épaisseur de couche suf- fisamment grande, des durées de vie assez longues jusqu'à l'é- clatement. La cause en est les contraintes thermiques importantes subies par la couche de finition, notamment la variation fréquente de la température, avec pour conséquence une décohésion et une formation progressive de fissures, ainsi que le grand gradient de température dans la couche de fini- tion elle-même, qui produit de grandes contraintes correspon- dantes. La présente invention vise à réaliser dans un piston du type indiqué au début du présent mémoire, pour des moteurs à combustion interne, la couche de finition déposée sur le piston par pulvérisation par plasma ou par pistolage à la flamme de manière à augmenter notablement son adhérence et à prolonger ainsi considérablement sa durée de vie avant écla- tement. La solution de ce problème consiste en ce que la pro- fondeur de rugosité Rt de la surface d'une couche de finition présentant une épaisseur de 0,5 à 2 mm n'est que de 5 à 30 Dm et de préférence que de 10 à 25 Dm. Cela signifie qu'il n'y a pratiquement pas de crête de rugosité et que la profondeur de rugosité correspond à celle de surfaces superfinies. Est toutefois admissible, une ondulation de la surface dite du second ordre. Avantageusement, la couche de finition est en oxyde de zirconium partiellement ou entièrement stabilisée. Grâce à la conformation, suivant l'invention, de la morphologie de la surface de la couche de finition, on par- vient, d'une manière avantageuse à doubler au moins sa durée de vie; car la contrainte thermique qu'elle subit, est nette- ment diminuée en raison de la diminution de la dimension de la surface de transfert de la chaleur et son aptitude à sup- porter une charge est donc augmentée. En raison de la surfa- ce, comparativement plus lisse, de la couche de finition, les turbulences dans la couche gazeuse adjacente à la couche de finition sont également diminuées au point qu'il s'établit déjà une chute de température dans le gaz de combustion. En outre, il se crée dans les fonds entre ondulation des cous- sins stationnaires de gaz, qui agissent également d'une ma- nière isolante du point de vue thermique. Enfin, la conduc- tibilité thermique de la couche de finition est également abaissée et on parvient ainsi, à une meilleure efficacité. Pour la fabrication de la surface de la couche de fi- nition constituée suivant l'invention, on peut envisager tous les procédés habituels de superfinition pour des surfaces, pour autant qu'ils ne provoquent pas une contrainte ponctuel- le de la couche de finition. L'invention sera explicitée à l'aide du dessin annexe donné à titre d'exemple pour une réalisation conforme à l'in- vention: La figure 1 montre une vue élévation et une coupe lon- gitudinale partielle par le plan pression-contre-pression, d'un piston en métal léger moulé en alliage d'aluminium, une couche de finition 1, en oxyde de zirconium et de 1,5 mm d'épaisseur, étant déposée sur la tête de piston 2 par pul- vérisation par plasma habituelle. A la figure 2 est représenté le profil de rugosité de la surface de la couche de finition 1 avant la superfinition et à la figure 3 après la superfinition. A la figure 2, la profondeur moyenne de rugosité Rz, qui est la moyenne arthmétique des profondeurs de rugosité de cinq zones de mesure adjacentes, est égale à 46,2 gm. La profondeur maximale de rugosité R3z est égale à 19,2 Dm. La moyenne arithmétique des écarts des distances du profil de rugosité à la ligne moyenne Ra est égale à 8,58 gm, tandis que la profondeur de rugosité Rt, qui est la distance entre le profil de base et le profil de référence, est égale à 61,6 gm. De même à la figure 3, on a les valeurs suivantes: - Rz = 15,2.m - R3z = 9,84 pm 3z - R = 2,44 gm a - Rt = 21,9 Um Les définitions exactes Rz, R3z, Ra et Rt sont données aux normes DIN 4 768 et 4 762. REVENDICATIONS i - Piston pour moteurs à combustion interne, compre- nant une couche protectrice de finition déposée sur la tête de piston par pulvérisation de plasma ou par pistolage à la flamme et faite avec un matériau ayant un coefficient de con- dustibilité thermique comparativement petit de préférence > épaisseur de 0,5 à 2 mm n'est que de 5 à 30 Dm et de préfé- rence de 10 à 25 Am. 2 - Piston suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la couche de finition (1) est en oxyde de zirconium partiellement ou entièrement stabilisé.