Brevet FR2568313A1 — publié le 19860131

La présente invention concerne un piston d'un moteur à combustion interne opérant avec huile lourde et comportant au moins trois segments montés dans des gorges. L'invention est basée sur un piston comportant un ensemble de segments dans lequel le segment le plus proche de la chambre de combustion comporte un joint étanche aux gaz. On doit ainsi empêcher que des gaz de combustion provenant de la chambre de combustion puissent parvenir dans le volume occupé par le mécanisme de propulsion. Avec un piston équipé de cette manière, on empeche évidemment dans une large mesure le passage des gaz de combustion, mais la sollicitation mécanique du segment étanche aux gaz est cependant très grande car il est sollicité pratiquement toujours par la totalité de la pression d'allumage aussi bien dans une direction axiale que dans une direction radiale.Du fait de cette force exercée par les gaz de combustion sur un tel segment étanche aux gaz, on ne peut pratiquement pas éviter une usure relativement grande aussi bien du segment que de la surface de glissement du cylindre, au moins dans la zone du point mort haut du piston. Lorsque le segment le plus proche de la chambre de combustion est pourvu d'un joint étanche aux gaz, les segments suivants, en direction du volume occupé par le mécanisme de propulsion, sont pratiquement déchargés en pression et ne sont que légèrement sollicités,de sorte qu'ils ont tendance, en cours de fonctionnement, à produire ce qu'on appelle un "cliquetis", avec pour conséquence que leur fonction comme organes de régulation de l'étanchéité de la consommation d'huile est pratiquement complètement perdue. Dans le cas de moteurs à combustion interne fonctionnant avec de l'huile lourde, il se pose maintenant le problème que, lors de la combustion d'une huile lourde comparativement extrêmement mauvaise en ce qui concerne sa qualité, il se produit des résidus, comme ce qu'on appelle de la calamine, du carbonate et analogues, qui se déposent sur la surface de glissement du cylindre et qui se lient en fonctionnement avec de l'huile de lubrification se trouvant en cet endroit.Ces résidus, dans le cas de l'utilisation d'un segment le plus rapproché de la chambre de combustion qui comporte un joint étanche aux gaz, sont raclés de la surface de glissement du cylindre en méme temps que l'huile de lubrification en étant entraînés par ledit joint lors de la course de travail du piston; on ne peut par conséquent pratiquement pas éviter un encrassement relativement fort de l'huile de lubrification. Une autre conséquence consiste en ce que la consommation d'huile de lubrification du moteur augmente car la boue d'huile de lubrification contenant de telles particules résiduelles doit etre remplacée relativement souvent par de l'huile nouvelle. L'invention a en conséquence pour but et pour objectif de créer un piston dont la forme et l'équipement en segments permettent de garantir, d'une part, le bon effet d'étanchéité désiré et de faire en sorte, d'autre part que, pendant la course de travail du piston, le film d'huile de lubrification adhérant sur la surface de glissement du cylindre puisse être enlevé par raclage de telle sorte que le degré d'encrassement de l'huile de lubrification soit maintenu aussi réduit que possible. Ce problème est résolu dans le cas d'un piston du type défini ci-dessus par un agencement spécial de celui-ci et par un ensemble particulier de segments, le piston étant caractérisé en ce que seulement le segment placé le plus bas par rapport au volume contenant le mécanisme de propulsion comporte un joint étanche aux gaz et est constitué par ailleurs par un anneau conique comportant un petit chanfrein extérieur et un angle de conicité compris entre 0,50 et 20, tandis que:: - le segment le plus proche de la chambre de combustion comporte une surface de glissement incurvée ou anguleuse avec asymétrie, avec transition arrondie pour rejoindre le flanc inférieur du segment, ainsi qu'un joint non étanche aux gaz, et - l'avant-dernier segment en direction du volume occupé par le mécanisme de propulsion est constitué par un anneau conique qui comporte un joint non étanche aux gaz, un angle de conicité de 0,5 à 20 et en outre une courte partie cylindrique de surface, à la suite de laquelle il est prevu en bas un chanfrein extérieur ou une cannelure ayant une hauteur pouvant atteindre jusqu'à 40to de la hauteur du segment, en ce qu'en outre l'espacement X17 X2/2 de la surface extérieure d'une nervure située entre le segment complètement supérieur et 1' avant-dernier segment par rapport à la surface de glissement du cylindre est égal ou légèrement supérieur à l'espacement X0, prédéterminant le jeu de piston, entre le coté extérieur du piston et la su ace de glissement du cylindre, en ee qu'en outre l'espacement X2, X2/1 de la surface extérieure de la nervur disposée entre levant dernier segment et le segment complètement inférieur et la surtaxe de glissement du cylindre est à peu près égal au double de l'espacement X0 entre le coté extérieur du piston et la surface de glissement du cylindre, en ce qu'en outre la gorge recevant le segment complètement inférieur est suivie directement par un évidement périphérique d piston, dont la base est espacée de la surface de glissement du cylindre de la dimension X3, qui est a peu près égale à trois à quatre fois l'espa- cement YO existant entre le coté extérieur du piston et la surrace de glissement du cylindre, et en ce qu'enfin, le volume récepteur de gaz V2 ou V2/1 tormé entre l'avant-dernier segment et le segment place avant est égal à peu près au double du volume récepteur de gaz V1 entouré par le-segment complètement supérieur dans sa gorge. Selon d'autres particularités de l'invention - la hauteur du chanfrein extérieur du segment placé complètement en bas est comprise entre environ 5 et 30% de la hauteur de segment; - le segment placé complètement en bas comporte, de même que l'avant-dernier segment, une courte partie cylindrique de surface de glissement; - dans le cas de plus de trois segments, chaque segment disposé entre le segment complètement supérieur et l'avant-dernier segment en direction du volume occupé par le mécanisme de propulsion comporte un joint non étanche aux gaz et une surface de glissement de forme quelconque, - la cannelure, dans le cas oh celle-ci est prévue à la chambre du chanfrein extérieur, comporte une surface de paroi concave, ou bien des surfaces annulaires qui font un angle droit ou un angle obtus entre elles; ; - une gorge est formée par tournage dans le piston dans la zone de l'évidement dispose en dessous du segment complètement inférieur; un segment racleur d'huile est logé dans cette gorge et est appliqué contre la surface de glissement du cylindre; - le volume récepteur de gaz V3 défini entre le segment complètement inférieur et l'avant-dernier segment est légèrement plus petit ou égal ou légèrement supérieur au volume récepteur de gaz V1 entourant le segment complètement supérieur dans sa gorge. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mis en évidence, dans la suite de la description, donnée à titre d'exemple non limitatif, en référence aux dessins annexés dans lesquels: - la Fig. 1 est une vue en coupe partielle d'un piston conforme à l'invention comportant trois segments; - la Fig. 2 est une vue en coupe partielle d'un piston conforme à l'invention comportant quatre segments. Sur les figures7 des parties identiques ou se correspondant mutuellement, ou bien des détails desdites parties ont été désignés par les mêmes références numériques. Sur les figures, on a désigné par 1 une surface de glissement se trouvant sur le coté intérieur d'un cylindre ou bien d'une chemise cylindrique 2, et par 3 un piston d'un moteur à combustion interne à deux temps ou à quatre temps qui fonctionne avec de l'huile lourde. On a désigné par Xg sur les figures entre les flèches l'espacement, prédéterminant le jeu de piston, entre le côté extérieur 4 du piston et la surface de glissement 1 du cylindre. On a désigné par 5 une gorge ménagée dans le piston 3, et par 6 un segment complètement supérieur, c'est-à-dire le plus proche de la chambre de combustion. La référence 7 désigne une gorge ménagée également dans le piston 3 tandis que la référence 8 désigne le segment placé le plus bas par rapport au volume occupé par le mécanisme de propulsion, ce segment étant logé dans la gorge 7. On a désigné par 9 une gorge également ménagée dans le piston 3, et par 10 l'avant-dernier segment par rapport au volume occupé par le mécanisme de propulsion. Dans l'exemple de réalisation de la Figure 1, les segments 6, 8, 10, forment le jeu complet de segments alors que, dans l'exemple de réalisation de la Figure 2, il est prévu entre le segment complètement supérieur 6 et l'avant-dernier segment 10 encore un autre segment 12 loge dans une gorge 11, c'est- -dire que dans ce cas le jeu de segments du piston se compose de quatre segments. La solution conforme à l'invention n'est cependant pas limitée à un ensemble de segments se composant de trois ou quatre segments, et elle peut également être appliquée à des pistons comportant plus de quatre segments. Sur les figures, on a en outre désigné par 13 une nervure subsistant sur le piston entre la gorge 5 recevant le segment placé complètement en haut et la gorge 9 ou 11 recevant le segment 10 ou 12 venant à la suite en direction du volume occupé par le mécanisme de propulsion, et on a désigné entre des flèches par X1 la distance séparant le côté extérieur 14 de cette nervure 13 de la surface de glissement 1 du cylindre. On a désigné par 15 une nervure subsistant entre le piston entre la gorge 9 recevant l'avant-dernier segment et la gorge 7 recevant le segment placé complètement en bas, et on a désigné par X2 ou X2/1 l'espacement entre la surface extérieure 16 de la nervure 15 et la surface de glissement 1 du cylindre. Sur la Figure 2, dans l'exemple de réalisation correspondant, il est prévu entre la gorge 11 et la gorge 9 sur le piston 3 une nervure 17 entre la surface extérieure 18 duquel et la surface de glissement 1 du cylindre existe un espacement désigné entre des flèches par X2/2. Le piston 3 comporte, conformément à l'invention, un profil particulier et un ensemble de segments possédant les particularités spéciales qui vont etre décrites dans la suite. Dans l'ensemble de segments conforme à l'invention, seul le segment 8 placé complètement en bas en direction du volume occupé par le mécanisme de propulsion possède un joint étanche aux gaz; en outre, ce segment 8 placé complètement en bas est constitué par- un anneau conique ayant un angle de conicité a compris entre 0,50 et 20 et pourvu Inférieurement d'un petit chanfrein extérieur 19. Le segment le plus proche de la chambre de combustion dans l'ensemble de segments conforme à l'invention comporte une surface de glissement 20 incurvée ou anguleuse avec asymétrie, cette surface comportant une zone arrondie de transition 21 avec le flanc inférieur de l'anneau et en outre un joint non étanche aux gaz.Ce dernier n'a évidemment pas été représenté mais il est connu dans sa structure; il s'agit à cet égard d'une fente transversale traversant radialement le segment de façon que les. deux extrémités du segment soient placées en regard lune de l'autre en étant légèrement espacées avec des surfaces planes et à peu près parallèles L'avant-dernier segment 10 en direction du volume occupé par le mécanisme de propulsion est également cons titué par un anneau conique, qui comporte aussi un joint non étanche aux gaz, comme explique ci-dessus, un angle de conicité B compris entre 0,50 et 20 et en outre une courte partie cylindrique de surface de glissement 22, à la suite de laquelle il est prévu inférieurement un chanfrein extérieur 23 (comme dans le cas de l'exemple de la Fig. 1) ou bien une cannelure 24 (comme dans le eas de l'exemple de la Fig. 2), ayant une hauteur pouvant s'élever jusqu'à 40% de la hauteur de l'anneau. Ln correspondance à un autre critère de l'inven- tion les espacements X1 et X2/ des surfaces extérieures 14, 18 d'une nervure 14, 17 situé entre le segment complètement supérieur 6 et 1 'avant-dernier segment 10 par rapport à la surface de glissement 1 du cylindre, sont oraux ou légèrement supérieurs à l'espacement X0, prédéterminant le jeu de piston7 entre le coté extérieur 4 du piston et la surface de glissement 1 du cylindre.En coutre, les espacements X2 et X2/1 entre la surface extérieure de la nervure 15,disposée entre l'avant-dernier segment 10 et le segment complètement inférieur 8, et la surface de glissement 1 du cylindre sont à peu pres égaux double de l'espacement X0 existant entre le côté extérieur 4 du piston et la surface de glissement 1 du cylindre. On obtient ainsi entre les différents segments, et en progressant du haut vers le bas, des volumes utiles de réception de gaz V2, V3 (dans le cas de l'exemple de la Fig. 1) ou V2/2, V2/11 V3 (dans le cas de l'exemple de la-Fig. 2) qui sont dans un ordre croissant. En correspondance à un autre critère de l'invention, il est prévu directement à la suite de la gorge 7 recevant le segment 8 placé complètement en bas un évidement 25 ménagé dans la périphérie du piston et dont la base 26 est espacée de la surface de glissement du cylindre d'une distance X3, qui est comprise entre environ trois et quatre fois l'espacement Xg existant entre le côté extérieur 4 du piston et la surface de glissement 1 du cylindre. En correspondance à un autre critère de l'invention, le volume récepteur de gaz V2 (dans le cas.de l'exemple de réalisation de la Fig. 1) où V2/1 (dans le cas de l'exemple de réalisation de la Fig. 2), existant entre l'avant-dernier segment 10 et le segment précédent 6 ou 12, a une grosseur qui correspond à peu près au double de la grosseur du volume vu qui entoure le segment 6 le plus proche de la chambre de combustion dans sa gorge 5. Le volume récepteur de gaz V3 existant entre l'avant-dernier segment 10 et le segment 8 place compld- tement en bas peut être légèrement plus petit, ou bien égal, ou bien légèrement plus grand que le volume récepteur de gaz V1 entouré par le segment complètement supérieur 6 dans sa gorge 5. Le volume récepteur de gaz V2/2 défini dans le cas de l'exemple de réalisation de la Fig. 2 entre le segment complètement supérieur 6 et le second segment 12 peut être inférieur ou égal au volume récepteur de gaz V2/1. Les espacements X2 et X2/1 et X2/2, qui sont supérieurs à l'espacement X0 et, le cas échéant, également X1, et aussi l'évidement 25, sont réalisés dans cette zone par des opérations de tournage du piston 3. La hauteur du chanfrein extérieur 19 qui est prévue dans le segment 8 placé complètement en bas s'élève à 5 à 30% de la hauteur de l'anneau. En outre, le segment 8 placé complètement en bas, de même que l'avant-dernier segment 10, peut comporter une courte partie cylindrique de surface de glissement; une telle partie de surface de glissement est prévue dans l'exemple de réalisation de la Figure 2 et a été désignée ici par 27. Lorsque l'ensemble de segments prévu sur un piston se compose de plus de trois segments, par exemple comme sur la Fig. 2 qui représente quatre segments, chaque segment 12 qui est disposé entre le segment complètement supérieur 6 et l'avant-dernier segment 10 par rapport au volume du mécanisme de propulsion, comporte un joint non étanche aux gaz; en outre, ce segment 12 peut comporter une surface de glissement 28 de profil quelconque. La cannelure 24 prevue sur l'avant-dernier segment 10 peut (dans le cas ot cette cannelure est prévue à la place du chanfrein extérieur 23) comporter comme dans l'exemple de réalisation de la Fig. 2 une surface annulaire concave ou bien elle peut être délimitée par des surfaces annulaires faisant entre elles un angle droit ou un angle obtus. Enfin, comme dans l'exemple de la Fig. 2, il est prévu dans le piston par tournage, dans la zone de l'évidement 25 disposée en dessous du segment 8 placé complètement en bas, une gorge 29 qui reçoit un segment racleur d'huile 30 qui vient s'appliquer contre la surface de glissement 1 du cylindre. Grâce à l'agencement spécial, conforme à l'invention, du piston et de l'ensemble de segments de ce dernier, on peut obtenir une réduction de charge sur le segment le plus rapproché de la chambre de combustion et, simultanément, une sollicitation contrôlée des segments qui viennent à la suite de celui-ci en direction du volume occupé par le mécanisme de propulsion. On empêche ainsi dans une large mesure un passage de gaz d'échappement de la chambre de combustion en direction du volume occupé par le mécanisme de propulsion. Les volumes récepteurs de gaz existant dans la zone des segments entre ceux-ci sont en outre remplis et vidés par de l'air de balayage ou de l'air d'alimentation; les segments et les nervures annulaires restent pour cette raison propres et ne sont pas calaminés. En outre, les parties de joint des segments s'échauffent moins. Des essais ont montré que, sur un piston agence et équipé conformément à l'invention, on enregistrait, par comparaison à un piston comportant un équipement normal de segments et dans lequel le segment-le plus proche de la chambre de combustion comporte un joint étanche aux gaz, que de segment le plus rapproché de la chambre de combustion était appliqué par une pression de gaz bien plus faible contre la surface de glissement du cylindre mais que, simultanément, les segments venant à la suite en direction du volume occupé par le mécanisme de propulsion étaient sollicités comparativement plus fortement, la pression de gaz agissant dans une direction radiale en arrière de ces segments pouvant atteindre une valeur de deux à trois fois supérieure.La force d'application radiale en résultant est augmentée additionnellement jusqu'à environ 40% par la prévision d'un chanfrein extérieur sur les segments. Cela n'est cependant possible que parce que le segment placé complètement en bas en direction du volume occupé par le mécanisme de propulsion comporte un joint étanche aux gaz. On peut ainsi obtenir, en relation avec une optimisation des volumes récepteurs de gaz entre les différents segments, une répartition de pression qui assure une stabilisation accentuée desdits segments dans leur gorge. Dans la totalité du temps de travail, tous les segments, et également ceux qui sont placés en dessous du segment le plus proche de la chambre de combustion, sont appliqués d'une manière stable contre le flanc inférieur correspondant dé gorge, ce qui garantit à nouveau une bonne application des surfaces de glissement des segments contre la surface de glissement du cylindre et, par conséquent, une action optimale de raclage d'huile pendant toute la course de travail du piston, avec pour conséquence qu'une grande quantité d'huile de lubrification relativement plus propre est enlevée de la surface de glissement du cylindre et .peut être refoulée en direction du volume occupé par le mécanisme de propulsion. D'autre part, par suite du déphasage entre la sollicitation en pression des différents segments du haut vers le bas et par suite d'un choix correct des différents volumes récepteurs de baz V2, V2/1, V2/2 et notrmment V3, on est assuré que, lors du mouvement alternatif du piston, il puisse se produire un écoulement de gaz du bas vers la chambre de combustion à l'intérieur de L'ensemble de segments conforme à 1' invention Cet écoulement fait en sorte que des particules de crasse, qui sont contenues dans le film d'huile de lubrification encore adhérant sur la surface de glissement du cylindre, soient entr-ainees avec ce film en direction de la chambre de combustion La description faite ciUdessus montre de façon nette qu'il est possible de réduire la consommation huile avec un piston agencé conformément à 1' invention La conserFiation de pureté et la régénération de 1' huile de lubrification sont également possibles deune manière simple, m2me pour de tries mauvaises qualités du carburant. REVENDICATIONS 1. Piston pour moteur à combustion interne fonctionnant à l'huile lourde, comportant au moins trois segments logés dans des gorges, caractérisé par un profil et un équipement en segments spéciaux de telle sorte que seulement le segment (8) placé le plus bas par rapport au volume contenant le mécanisme de propulsion comporte un joint étanche aux gaz et soit constitué par ailleurs par un anneau conique comportant un petit chanfrein extérieur (19) et un angle de conicité (a) compris entre 0,5Q et 20, tandis que - le segment (6) le plus proche de la chambre de combustion comporte une surface de glissement (20) incur vée ou anguleuse avec asymétrie, avec transition arrondie (21) pour rejoindre le flanc inférieur du segment, ainsi qu'un joint non étanche aux gaz, et - l'avant-dernier segment (10) en direction du volume occupé par le mécanisme de propulsion est constitué par un anneau conique qui comporte un joint non étanche aux gaz, un angle de conicité (ss) de 0,5 à 20 et en outre une courte-partie cylindrique de surface (22), à la suite de laquelle il est prévu en bas un chanfrein extérieur (23) ou une cannelure (24) ayant une hauteur pouvant atteindre jusqu'S 40% de la hauteur du segment, en ce qu'en outre l'espacement Y X2/2 de la surface extérieure (14 ou 18)d'urenernre (13 ou 17) situéeentre le segment complètement supérieur (6) et l'avant-dernier segment (10) par rapport à la surface de glissement (1) du cylindre est égal ou légèrement supérieur à l'espacement XO, prédéterminant le jeu de piston, entre le côté extérieur (4) du piston et la surface de glissement (1) du cylindre, en ce qu'en outre l'espacement X2, X2/1 de la surface extérieure (16) de la nervure (15) disposée entre -l'avant-dernier segment (10) et le segment complètement inférieur (8) et la surface de glissement (1) du cylindre est à peu près égal au double de l'espacement XO entre le côté extérieur (4) du piston et la surface de glissement (1) du cylindre, en ce quten outre la gorge (7) recevant le segment complètement inférieur (8) est suivie directement par un évidement périphérique (25) du piston (3), dont la base (26) est espacée de la surface de glissement (1) du cylindre de la dimension X3, qui est à peu près égale à trois à quatre fois l'espacement XO existant entre le côté extérieur (4) du piston et la surface de glissement (1) du cylindre, et en ce qu'enfin, le volume récepteur de gaz V2 ou V formé entre l'avant-dernier segment (10) et le segment placé avant (6, 12) est égal à peu près au double du volume récepteur de gaz V1 entouré par le segment complètement supérieur (6) dans sa gorge (5). 2. Piston selon la revendication 1, caractérisé en ce que la hauteur du chanfrein extérieur (19) du segment placé complètement en bas (8) est comprise entre environ 5 et 30% de la hauteur de segment. 3. Piston selon l'une des-revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le segment placé complètement en bas (8) comporte, de même que l'avant-dernier segment (10), une courte partie cylindrique de surface de glissement (27). 4. Piston selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que, dans le cas de plus de trois segments, chaque segment (12) disposé entre le segment complètement supérieur (6) et l'avant-dernier segment (12) en direction du volume occupé par le mécanisme de propulsion comporte un joint non étanche aux gaz et une surface de glissement (28) de forme quelconque. 5. Piston selon la revendication 1, caractérisé en ce que la cannelure (24), dans le cas où celle-ci est prévue à la chambre du chanfrein extérieur (23), comporte une surface de paroi concave, ou bien des surfaces annulaires qui font un angle droit ou un angle obtus entre elles. 6. Piston selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'une gorge (29) est formée par tournage dans le piston (3) dans la zone de l'évidement (25) disposée en dessous du segment complètement inférieur (8) et en ce qu'un segment racleur d'huile (30) est logé dans cette gorge et est appliqué contre la surface de glissement (1) du cylindre. 7. Piston selon la revendication 1, caractérisé en ce que le volume récepteur de gaz V3 défini entre le segment complètement inférieur (8) et l'avant-dernier segment (10) est légèrement plus petit ou égal ou légè- rement supérieur au volume récepteur de gaz V1 entourant le segment complètement supérieur (6) dans sa gorge (5).