Brevet FR2573815A1 — publié le 19860530

La presente invention concerne un dispositif h sen- ment de piston pour un moteur h cnmbtistion interne compor- tant un cylindre et un piston month dans le cylindre. pourvu d'au moins un segment, ces ey]indre piston et seom-nt rtant confectionnés en céramique. Le rôle que jouent les seqments dans]es moteurs r combustion inte,rne connus à ce jour, est, de mani re bien connue, de réaliser l'étancheité entre la chambre de combus- tion et l'espace dans lequel se trouve logé le dispositif nl d'entraînement par vilebrequin, de favoriser la condurtion de la chaleur entre le piston et la paroi du cyl indre et d'assurer le graissage du moteur. Afin de réaliser au mieux ces fonctions les segments appuient de manière étanche con- tre la paroi du cylindre d'ine part et, par chacun de leurs côtés latéraux, contre un côté latéral d'une rainure portée par le piston. L'appui exercé dans le sens radial du cylin- dre est réalisé par un effort de ressort propre au segment, également aidé par la pression des gaz qui se trouvent der- rière le segment. La pression d'appui axiale du seqment est 2n déterminée par la pression des gaz, à laquelle s'ajoutent les forces d'accélération et elle est donc de ce fait dif- férente entre le côté annulaire supérieur et le côté an- nulaire inférieur du segment. Afin de réaliser une meilleure possibilité de satis- faire à ces conditions de travail, on utilise, de manière bien connue, des segments de piston différents selon leurs fonctions, appelés de ce fait des segments de compression et des segments de racleurs différant entre eux par les dimen- sions de leurs sections droites. La nature du cylindre des moteurs construits à ce jour en matériaux légers permet d'utiliser des segments racleurs d'une flexibilité Darticu- librement élevée. Ces segments droite racleurs flexibles ont en gqdnéral une section très réduite et de ce fait un moment résistant également très réduit. Ils reçoivent de ce fait leur tension de la part d'un ressort additionnel, logé der- rière eux. Ce ressort est en appui sur le fond de la rainure dans laquelle 1 seqment est]oq. Voir hi ce sujet "Automo- hiltechnisches Handbuch" par Bussien, vol 1 Ed,]8,l]oq, paqe 258. Dans les moteurs dont les cylindres et les pistons sont confectionnés en matière céramique, la nécessite de réqIler la lubrification des cylindres de ces moteurs. ainsi que d'améliorer' la conduction de la chaleur entre le piston et la paroi du cylindre ne se pose plus du fait des pro- priétés particulières de cette matière. Pour ce type de moteurs il ne reste plus que les problèmes d'btancheité des chambres de combustion, notamment de les rendre étanches au degré considéré nécessaire. Cela veut dire qu'on peut renon- cer aux segments racleurs et qu'on peut se contenter unique- ment des segments de "compression". Toutes les pièces de ces moteurs en matière cérami- que qui se trouvent en contact et qui doivent glisser les unes sur les autres, doivent être confectionnées dans le même matériau. Le segment est de ce fait confectionné éga- lement en matière céramique. Les segments en une telle ma- 2n tière possèdent cependant une très faible élasticité, car les matières céramiques sont de beaucoup plus fragiles que les métaux utilisés dans la fabrication des seqments d'uti- lisation courante. Ces segments doivent de ce fait être guidés, le long de leur trajet sur le chemin qu'ils parcourent dans le cy- lindre, le plus possible de manière linéaire, ce pour quoi on utilise avec beaucoup d'efficacité les "coulisses de cylindre", telles que décrites et figurées dans le brevet allemand DE-PS 920 75R. En outre, afin de pouvoir introduire 3n le segment dans la rainure que porte le piston confectionné en céramique, le segment doit être confectionné en deux parties réunies, car l'élasticité d'un tel segment n'est pas suffisante pour permettre de le faire passer par dessus la jupe du piston un tel piston comprend donc une partie qui constitue sa jupe et une partie autour du fond du piston, ces deux parties constituant d'une seule pièce les côtés latéraux du piston parfaitement lisses et pourvus de la rainure dans laquelle est placé le seqment, rainure ouverte vers l'extArieur et de section droite rrctanqulaire. Les deux parties mentionnées du piston doivent comporter en outre une ouverture concentrique destinée à recevoir une douille retenue en place par une butte en formr de T et oui est traversée par un perçage qui sert à associer le piston à sa tige. Cette multitude de pièces rend plus châre la fabri- cation du dispositif et plus difficile le montagqe et l'en- tretien d'un tel ensemble compliqué. Le segment circulaire doit être pourvu d'une entail- le afin d'acquérir une certaine élasticité qui lui est né- cessaire pour pouvoir passer par dessus la surface extérieu- re de la jupe du piston. Il s'est avéré être avantaqeux de réaliser cette entailles u moins partiellement, en forme de rainure dans laquelle une goupille pénètre apras avoir été introduite transversalement afin d'empêcher, dans les mo- teurs deux temps, la rotation du segment. Line telle conformation rend le segment également cher h fabriouer et surtout, du fait de la fragilité de la- matibre céramique, très facilement abîmé lors du montaee du dispositif. La présente invention vise à remédier à ces inconvé- nients en procurant un dispositif du type mentionn4- de con- ception nouvelle et inventive du fait de la nouvelle confor- mation du segment, qui lui permet de coopérer -avec le piston d'un moteur en matériau céramique, sans que ce piston soit composé de plusieures parties sssociées. Ce but est atteint du fait que le dispositif proposé est caractérisée en ce que le segment est constiJu4 en deux parties séparées l'une de l'outre et une rainure pratiquée dans le piston. dans laquelle est log4 le seqment plus pro- fonde que la largeur du segment est conformée de telle sorte qu'un ressort de forme circulaire, sollicitant les deux parties du segment dans le sens radial vers l'exté- rieur, est loq entre la face dirigée vers l'intérieur du segment et la face du fond de la rainure placeé en reqerrid. Suivant une prenibre forme d'exécution de]'inven- tion le ressort est une pièce ondulée élastique circulaire en forme d'anneau. Suivant une première forme d'excution de l'inven- tion le ressort est une pièce ondulée élastique circulaire en forme d'anneau. Suivant une seconde forme d'ex4cution de l'invention le ressort est constitué par un second segment qégalement en deux parties, confectionné en céramique et d'un diambtre moindre que le premier segment les surfaces de séparation des deux parties de ce second segment étant décalées de 9q" par rapport aux surfaces de séparation des deux parties du premier segment. Dans la seconde forme d'exécution-de l'invention le premier segment est confectionné sous une pré contrainte d'environ 2/100 mm sur le diamètre extérieur, par rapport h sa dimension nominale, et le second segment est confectionne sous une précontrainte de 4/100 mm sur le diamètre extérieur par rapport à la dimension nominale du diamètre intérieur du premier segment de préférence en ce-que les surfaces de séparation des parties des segments constituent une fente de séparation (TF) inclinée. Il s'est révélé particulièrement avantageux de faire en sorte que, suivant l'une quelconque des revendications 1 et 2 caractérisé en ce que la largeur (B) du segment est de 0,02 à 0,04 fois son diamètre, l'épaisseur (D) de celui-ci est de 0,02 à O,n4 fois le diamètre du segment et la largeur de la fente de séparation (TF) est d'environ O,0] fois le diamètre du segment. La conformation du segment propose, suivant l'in- vention, en deux parties d'un segment circulaire séparées, comportant avantageusement des fentes de séparation obliques ménagées entre ces deux parties, permet d'introduire les deux parties dans la rainure annulaire que porte]e piston dans sa jupe confectionnée de la manière habituelle d'une seule pièce, en les introduisant dans cette rainure par les côtés latéraux du piston, en sens opposes. Le rôle de i'#l1- ment élastique circulaire place dans la rainure, contre le fond de celle-ci, est de pousser les deux parties circulai- res du segment, dans le sens radial du piston vers l'ext4- rieur. Il sert h retenir en place contre la face intérieure du cylindre le seqment, dès que le piston est lui-meme place en position de travail, h l'int6rieur du cy]indre. Le frac- tionnement du segment en deux parties ne présente dans ce cas aucun inconvénient, du fait que, ainsi qu'il est bien connu, les segments d'un moteur à combustion interne ne sont soumis, pendant son fonctionnement, à aucun effort circulai- re. Les efforts qui s'exercent sur un seqment lors du fonc- tionnement du moteur, sont par contre distribués de manière inégale le long du pourtour du piston. Il en résulte donc, pour un segment divisé en deux parties un avantage qui consiste dans le fait qu'un tel segment est plus avantaqeu- sement pressé contre la surface intérieure du cylindre, sous l'effet de l'action de ces efforts. Un autre avantage en faveur d'un segment divisé en deux parties découle du fait qu'un tel segment est beaucoup moins fragile qu'un segment d'une seule pièce, pourvu d'une entaille. On décrira ci-aprbs,à titre d'exemples non limita- tifs, deux formes d'exécution de la présente invention, en référence au dessin annexé sur lequel: La figure 1 est une vue en coupe d'un piston d'un moteur en matière céramique, comprenant un dispositif à segment selon l'invention. La figure 2 est une vue en coupe de détail à plus grande échelle, montrant la rainure dans le piston selon la figure 1. La figure 3 est une vue en coupe faite suivant la ligne 111-TII de la figure 1. La figure 4 est une vue en coupe similaire à ce]le de la figure 3 suivant une variante d'exécution de l'inven- tion. La figure 5 est une vue en coupe similaire h la figure 4, mais les segments étant détendus. Le dispositif suivant l'invention se rapporte 5 un piston 12, constitué par une jupe 11 et un fond 10 (figure 1), d'un moteur "en matière céramique", du fait que son piston et son cylindre, non figuré sur le dessin, sont con- fectionnés en une matière céramique. Ce piston est pourvu dans son fond 1] d'une ouverture centrale en creux 13 dans laquelle est accrochée et fixée une tige de piston]4, qui n'est que partiellement fiquree sur le dessin et nui, cons- titue une partie d'un ensemble à vilebreouin pour la trans- formation du mouvement rectiligne du piston en un mouvement de rotation. Le piston 12 présente dans la partie haute de sa -jupe I1l une rainure 16 de section droite rectangulaire. La profondeur T dé cette rainure 16 est choisie, ainsi nue montré sur la figure 2, de telle sorte qu'un seqment 1R et un élément élastique, à savoir un ressort 22 loqé entre la surface intérieure 19 du segment et la surface du fond 2n de la rainure 16, peuvent y être logés. Le segment 18, également confectionné en matière céramique, se compose, ainsi qu'il est plus spécialement montré sur la figure 3, de deux parties distinctes en demi- cercles i8a et 18b identiques, de section droite rectangu- laire et dont les faces frontales 24 et 25 qui se font fa- ce,sont inclinées, par rapport à la direction radiale, d'un angle D. La largeur B du segment est de 0, 02 jusqu'à 0,04 fois le diamètre du segment, son épaisseur D est de n,n2 jusqu'à 0,04 fois le diamètre du segment et la-largeur de la fente de séparation TF restée libre entre les faces fronta- les 24,25 des deux segments est d'environ 0,n1 fois le diamètre du segment. L'angle d'inclinaison est de Pr6fé- rence compris entre 40 et 8f ainsi que montré sur la figu- re 3. L'élément élastique, à savoir le ressort 22, est constitué, selon la forme d'exécution de l'invention des figures 1 à 3, par un élément ondulé confectionne en acier à ressort, qui se trouve couramment dans le commerce. Ce res- sort ondulé est d'un diamètre tel qu'il puisse être logé entre le segment] 8 et la surface du fond 20 de la rainure 16. Son rôle est de déplacer, dans le sens radial vers l'extérieur, les deux parties du segment l8a,18b qui consti- tuent dans leur ensemble le ségment, ainsi que le montre la figure 3, mais ce déplacement est empêché par la face inté- rieure du cylindre, non fiqurée sur le dessin, lorsque le piston se trouve dans la position qu'il occupe h l'intérieur de ce cylindre. Les figures 4 et 5 du dessin annexé montrent une seconde forme d'exécution du dipositif à segment de piston précédemment décrit, dont les parties Constructives sembla- blhies à celles de la forme d'exécution antérieurem=nt dicrite sont marquées avec les mêmes références. Cette nouvelle forme d'exécution de l'invention comporte, à la place du ressort ondulé, un second anneau 28 en deux parties, également en matière céramique, logé contre le fond de la rainure, par lequel le segment 18 en deux parties appuie, avec la précontrainte correspondante, contre la paroi du cylindre, non figurée sur le dessin. Les deux parties du segment 18a et 18b doivent être confectionnées sous une précontrainte d'environ 2/100 mm du diamètre exté-- rieur, par rapport N leur valeur nominale. En dessous de ces demisegments ainsi confectionnés se trouvent placés deux autres demi-segments, confectionnés par exemple sous une 2n précontrainte de 4/100 mm du diamètre extérieur par rapport au diamètre intérieur nominal du premier segment. Ces demi- segments pressent les parties de segment 18a et lob dans le sens radial vers l'extérieur, ainsi que le montre la figure 5. Les parties de segment sont décalées chacune de 9nD par rapport aux éléments servant de ressort 28a et 28b pla- cs en dessous, toujours en forme de parties de segment. Les 6lements de segment intérieurs, servant de ressorts, doivent être empêchés de tourner à l'aide d'une goupille normale 29, du commerce, pénétrant dans le fond de la rainu- re, lorsqu'ils se trouvent logés dans la rainure du piston. Les deux dem-i-segments extérieurs doivent-être_ éga]ement bloqués contre toute possibilité de rotation dans la rainu- re, à l'aide d'une goupille placée perpendiculairement au plan de la figure (non figurée sur le dessin), ou bien à l'aide d'une saillie venue d'une pibce avec l'un des demi- segments. REVENDICATIONS ].- Dispositif à segment de piston pour un moteur à combustion interne comportant un cylindre et un piston monté dans le cylindre pourvu d'au moins un seament,-ces cylindres piston et segment étant confectionnés en céramique carac-té- risé en ce que le segment (1fl) est constitué en deux par- ties (18a,lRb) séparées l'une de l'autre et une rainure (16) pratiquée dans le piston, dans laquelle est logé le segment (18), plus profonde que la largeur du segment (18) est con- n10 formée de telle sorte qu'un ressort (22) de forme circulai- re, sollicitant les deux parties (18a,18b) du segment dans le sens radial vers l'extérieur, est logé entre la face dirigée vers l'intérieur (19). du segment (18) et la face du fond (20) de la rainure (16) placée en regard. 2.- Dispositif suivant la revendication 1 caracté- risé en ce que le ressort (22) est une pièce ondulée élasti- que circulaire en forme d'anneau. 3.- Dispositif suivant la revendication 1 caracté- risé en ce que le ressort est constitué par un second seg- ment (28) également en deux parties, confectionné en cérami- que et d'un diamètre moindre que le premier segment (18) les surfaces de séparation (24,25) des deux parties de ce se- cond segment( 28) étant décalées de 900 par rapport aux surfaces de séparation des deux parties du premier segment. 4.- Dispositif suivant la revendication I caracté- risé en ce que le premier segment est confectionné sous une précontrainte d'environ 2/100 mm sur le diamètre extérieur, par rapport à sa dimension nominale, et le second segment est confectionné sous une précontrainte de 4/In0 mm sur le diamètre extérieur par rapport à la dimension nominale du diamètre intérieur du premier segment. 5.- Dispositif suivant l'une quelconque des reven- dications précédentes caractérisé en ce que les surfaces de séparation (24,25) des parties des segments (1R,2R) consti- tuent une fente de séparation (TF) inclinée d'un angle ("). 6.- Dispositif suivant l'une quelconque des reven- dications 1 et 2 caractérisé en ce que la larqgeur (R) du segment est de 0,02 à 0,04 fois son diamNtre,]'épaisseur 9 2573815 (D) de celui-ci est de, n2 h n,n4 fois le di -mtre du segment et la largeur de la fente de séparation (TF) est d'environ 0,01 fois le diamètre du segment.