Brevet FR2596808A1 — publié le 19871009

PISTON DE MOTEUR DIESEL A INJECTION DIRECTE La présente invention a pour objet un piston de moteur diesel à injection directe, monté coulissant à l'intérieur d'un cylindre et comprenant un corps de piston, muni de segments et d'une tête de piston, la tête de piston définissant, avec le cylindre et une culasse, une chambre de combustion dans laquelle le combustible est injecté par un injecteur monté dans la culasse. Pour faire fonctionner un moteur diesel avec un taux de suralimentation élevé (supérieur à 1,5), il faut, généralement, réduire le rapport volumétrique, de façon que la pression maximale atteinte dans le cylindre ne dépasse pas la valeur limite admissible. Ceci conduit à augmenter le volume de la chambre de combustion. Cette augmentation peut se faire en augmentant la profondeur de la chambre, réalisée sous la forme d'un "bol" creusé dans le piston. Dans ce cas, il est cependant difficile de répartir convenablement les jets de combustible pour qu'ils se mélangent rapidement à l'air. Le diamètre de la chambre est alors, généralement, trop faible pour que les jets soient complètement évaporés avant d'atteindre les parois du bol. Il en résulte une élévation très sensible de la consommation, des émissions d'hydrocarbures imbrûlés et des fumées. Le bol est, généralement, supprimé sur les moteurs de très grande taille en réalisant une chambre de combustion dite ouverte. Dans ce cas, le haut du cylindre est, dès le voisinage du point mort haut (PMH), exposé à la flamme, ce qui augmente sa température et pose des problèmes de lubrification des segments. Ceci accroît, en outre, les pertes thermiques du moteur au détriment de son rendement. Si, de plus, les jets atteignent la paroi avant d'être complètement vaporisés, il en résulte une dégradation du film d'huile sur le haut de cylindre, la formation de dépôts sur la tête de piston au-dessus du premier segment. Ces deux effets séparés ou conjoints provoquent une usure anormalement rapide du cylindre. Ces difficultés peuvent se tourner, en réalisant le haut du cylindre en céramique. Cette diposition nécessite, toutefois, l'utilisation d'une céramique à haute résistance mécanique, pose des problèmes d'étanchéité aux gaz, d'une part, entre la culasse et le haut de l'anneau céramique et, d'autre part, entre le bas de l'anneau céramique et le haut du cylindre en métal. Or, ces problèmes sont difficiles à résoudre, compte tenu des écarts de température et de coefficients de dilatation de ces pièces. L'invention vise à remédier aux inconvénients précités et à permettre la réalisation d'une chambre de combustion de grand diamètre avec une usure réduite du cylindre en cours de fonctionnement. Ce but est atteint grâce à un piston de moteur diesel à injection directe, du type défini en tête de la description, caractérisé en ce qu'il comprend, en outre, une mince couronne en matériau réfractaire rapportée sur la tête de piston et prolongeant la paroi extérieure du piston en s'étendant pratiquement jusqu'à l'extrémité du cylindre voisine de la culasse lorsque le piston est au point mort haut, sans venir en contact avec la culasse, un jeu étant ménagé entre la couronne et le cylindre et en ce que le rapport entre l'épaisseur de la mince couronne et l'alésage du cylindre est inférieur à environ 8 X. La mince couronne peut être réalisée en un métal réfractaire, tel qu'en acier réfractaire ou un alliage bronze-béryllium, ou être réalisée en céramique. Dans ce dernier cas, la mince couronne peut être montée à l'intérieur d'un anneau métallique et peut reposer sur une nervure de l'anneau métallique qui se projette radialement vers l'intérieur. La couronne en matériau réfractaire constitue un écran mince protégeant le haut du cylindre du contact direct avec les jets enflammés, ce qui réduit les pertes thermiques et empêche l'arrosage du cylindre par des gouttelettes de fuel non évaporé et les problèmes d'usure qui en résultent. La couronne en matériau réfractaire présente un jeu important, par rapport au cylinre, pour non seulement éviter les riques de serrage si la couronne se dilate plus que le cylindre, mais surtout pour que la pression des gaz à l'intérieur de la couronne soit peu différente de celle régnant entre l'extérieur de la couronne et le cylindre. Moyennant cette précaution, la pression des gaz ne génère pas de contraintes de traction dans le matériau de la couronne. La pression des gaz, appliquée sur la face supérieure de la couronne, y engendre une contrainte de compression faible. Les contraintes de traction proviennent, essentiellement, des efforts d'inertie résultant des accélérations et décélérations du piston et sont donc faibles. La couronne, étant réalisée avec une faible épaisseur, les contraintes thermiques, provenant des gradients de température, y sont faibles.Cette disposition permet donc de réaliser l'anneau dans un matériau ayant des caractéristiques mécaniques moyennes ou médiocres, à condition que le matériau accepte sans dégradation des températures élevées. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description suivante de modes particuliers de réalisation donnés à titre d'exemples, en référence aux dessins annexés sur lesquels : - les fig. 1 à 3 représentent des vues en demi-c6upe axiale de trois modes de réalisation de pistons équipés de couronnes en métal réfractaire conformément à l'invention, - les fig. 4 à 6 représentent des vues en demi-coupe axiale de trois modes de réalisation de pistons équipés de couronnes en céramique associées à des anneaux métalliques de support, - les fig. 7 et 8 représentent des vues en demi-coupe axiale de deux modes de réalisation de pistons équipés de couronnes en céramique sans anneau métallique et, - les fig. 9 et 10 représentent des vues en demi-coupe axiale de deux exemples de pistons connus. On voit, sur les fig. 9 et 10 deux exemples de réalisation classiques de pistons 101, 101' pour moteurs à injection directe de taille moyenne. Les pistons 101, 101' sont massifs et présentent, à leur partie supérieure, un bol 104, 104' relativement profond et de diamètre réduit, la couronne 102, 102' entourant le bol 104, 104' étant, dans chacun des cas, d'épaisseur non négligeable. Dans le cas de la réalisation connue de la fig. 9, la partie périphérique extérieure 102, qui entoure le bol 104 et constitue une partie du piston métallique massif 101, présente une épaisseur e importante qui est, naturellement, fonction du diametre de l'alésage du cylindre 4 mais est telle que le rapport entre l'épaisseur e et le diamètre D de L'alésage du cylindre 4, exprimés dans les mêmes unités, est de l'ordre de 15 X. Un tel mode de réalisation, avec une partie périphérique 102 d'une seule pièce avec le corps du piston, pose des problèmes de tenue à la chaleur de ladite partie périphérique 102. La réalisation, comme représentée sur la fig 10, est similaire à celle de la fig. 9, avec un piston massif 101' définissant une partie périphérique extérieure 102' qui entoure le bol 104', mais l'épaisseur e' de cette partie périphérique 102' est plus importante que dans le cas de la fig. 9, du fait de la présence de canaux de refroidissement 103' ménagés dans cette partie périphérique 102'. Dans ce cas, le rapport entre l'épaisseur e' et le diamètre D de l'alésage du cylindre 4, exprimés dans les mêmes unités, est de l'ordre de 20 %. Dans le cas des différents modes de réalisation de la présente invention, représentés sur les fig. 1 à 8, le piston présente, à sa partie supérieure, une cavité 40 semblable au bol 104 des fig. 9 et 10, mais d'un diamètre intérieur supérieur à celui obtenu dans ces réalisations conventionnelles. Dans ce cas, le piston comprend un corps de piston 1, par exemple en alliage d'aluminium, qui porte des segments 6 et se trouve surmonté d'une tête de piston 2 en matériau réfractaire, rendue solidaire du corps de piston 1, par exemple~par des moyens de liaison à vis 3 (fig. 1). Selon l'invention, une mince couronne 10 est rapportée sur la tête de piston 2, à la partie périphérique de celle-ci. La couronne 10 est composée entièrement d'un matériau réfractaire (fig. 1-3, fig. 7-8) ou comprend une mince couronne 17 en matériau réfractaire entourée d'un mince anneau 15 en métal (fig. 4 à 6). La couronne 10 présente une hauteur telle que, lorsque le piston est au point mort haut, le sommet de la couronne 10 est situé tout près de la culasse 44 portant l'injecteur 5, mais avec un jeu suffisant pour éviter les chocs ou le contact avec la culasse ou les soupapes, quelles que soient les variations de dimensions dues aux dilatations des piéces du moteur. La couronne 10 constitue un écran efficace protégeant le haut du cylindre 4 du contact direct avec les jets de combustibles enflammés 30 et qui ne réduit pas, de façon sensible, le diamètre de la chambre de combustion 40. Le jeu radial, entre l'extérieur de la couronne protectrice 10 et l'alésage du cylindre 4, n'est pas absolument critique, mais doit être suffisant, par exemple de l'ordre de 5/10e de millimètre, pour éviter que la couronne 10 vienne en contact avec le cylindre 4 par suite de la dilatation et pour réaliser un équilibrage de la pression des gaz à l'extérieur et à l'intérieur de la couronne 10. Suivant la température qu'elle est susceptible d'atteindre, c'est-à-dire suivant le niveau de charge du moteur, la couronne 10 peut être réalisée en un métal réfractaire, par exemple en acier ou en un alliage bronze-béryllium ou en une céramique. Dans ce dernier cas, la couronne peut être réalisée, par exemple, à partir d'oxydes ou nitrures de silicium, d'oxydes de titane ou de zirconium, de carbones métalliques, tels que du carbure de silicium ou des mélanges de ces composants. L'épaisseur de la couronne 10 doit être adaptée au diamètre de l'alésage du cylindre 4 et peut être déterminee en tenant compte du fait que le rapport entre l'épaisseur de la couronne 10 et le diamètre de l'alésage du cylindre 4 doit être inférieur à environ 8 X. A titre d'exemple, pour un alésage de diamètre 240 mm, l'épaisseur maximale de la couronne 10 doit être de l'ordre de 19 mm, tandis que, pour un alésage de diamètre 80 mm, l'épaisseur maximale de la couronne 10 doit être de l'ordre de 6,5 mm. On notera que la couronne 10 peut, du fait de sa minceur, être réalisée de façon ininterrompue sans gêner les soupapes. La couronne de protection 10 peut être montée de diverses manières sur le corps de piston 1 et la tête de piston 2. Dans le cas où la couronne 10 est réalisée en métal, elle peut, par exemple, être montée selon l'un des modes de réalisation des fig. 1 à 3. Sur la fig. 1, on voit une couronne 10 qui présente à sa base un epaulement 11 dirigé radialement vers l'intérieur et engagé dans une gorge annulaire extérieure 7 formée dans la tête de piston 2. L'épaulement 11 est ainsi pincé entre la tête de piston 2 et la face supérieure du corps de piston 1. Si le corps de piston 1 est, par exemple, en alliage d'aluminium et la tête de piston 2 est en un matériau résistant à des températures plus élevées, le mode de fixation de la fig. 1 peut s'avérer particulièrement avantageux. La fig. 2 montre une couronne métallique de protection 10 soudée directement sur le piston. La couronne 10 entoure à sa base la tête de piston 2 et est fixée directement sur le corps de piston 1 par un cordon de soudure 12. La couronne 10 peut, également, être rendue solidaire de la tête de piston 2 par une soudure 8. L'opération de soudage peut être réalisée, par exemple, soit par brasage avec un métal d'apport, soit par soudure autogène, soit par soudure par bombardement électronique. Dans le mode de réalisation de la fig. 3, la couronne métallique 10 est taraudée à sa partie inférieure 13 sur sa face interne et est vissée dans un filetage 9 correspondant, réalisé à l'extérieur de la tête de piston 2. La couronne 10 peut être bloquée en rotation par rapport à la tête de piston 2 par des éléments d'arrêt 14, tels que dés goupilles ou des vis. Si la couronne de protection 10 est réalisée en céramique, elle peut être réalisée, par exemple, selon les modes de réalisation des fig. 4 à 8. Dans le cas de la fig. 7, la couronne 10 en céramique est brasée sur la tranche de la tête de piston 2 grâce à un apport d'alliage intermédiaire 8 et une métallisation éventuelle. La couronne 10 peut, également, être brasée sur le corps de piston 1 grâce à un apport d'alliage intermédiaire 20. Selon le mode de réalisation de la fig. 8, la couronne 10 en céramique présente un talon 11 disposé dans une gorge 7 de la tête de piston 2 pour être pincé entre la tête de piston 2 et le corps de piston 1, des jeux radiaux 21, 22 étant ménagés entre la couronne 10 et son talon 11 et la tete de piston 2. Grâce à la présence des jeux radiaux 21, 22, la dilatation de la tête de piston 2 ne peut pas engendrer de contraintes de traction dans la couronne 10 et ainsi compromettre sa bonne tenue en service. Les fig. 4 à 6 montrent des modes de réalisation dans lesquels la couronne de protection 10 est composite et comprend une mince couronne intérieure 17 en céramique placée à L'intérieur d'un anneau métallique 15. L'anneau métallique 15 présente, à sa base, une nervure 16 ou 18 qui se projette radialement vers l'intérieur et sur laquelle repose la couronne 17 en céramique. La nervure 16 de l'anneau métallique 15 permet la fixation de l'ensemble de la couronne composite 10 sur le corps de piston 1 et la tête de piston 2 d'une manière analogue à la couronne métallique des fig. 1 et 2. Ainsi, sur la fig. 4, la nervure 16 se projette au-delà de la couronne 17 vers l'intérieur et coopère avec une gorge annulaire 7 ménagée à la base de la tête de piston 2. Sur la fig. 5, la nervure 16 de l'anneau métallique 15 est fixée par soudage sur le corps de piston 1 et, le cas échéant, sur la tête de piston 2. Sur la fig. 6, la partie inférieure de l'anneau métallique 15, située sous la nervure 18, est vissée sur la tête de piston 2. L'assemblage de la pièce céramique 17 et de l'anneau métallique 15 peut être réalisé par brasage, frettage ou, encore, utilisation de formes conjuguées. Dans le cas d'un assemblage par frettage, l'anneau métallique 15 peut être fretté à chaud autour de la couronne céramique 17, de façon à créer une précontrainte de compression sur la couronne céramique 17. Si la céramique de la couronne 17 présente un coefficient de dilatation relativement élevé et si le métal de l'anneau 15 présente un coefficient de dilatation relativement faible, la précontrainte de compression subsiste dans la couronne 17 lors du fonctionnement du moteur, puisque la couronne céramique 17 reste plus chaude que l'anneau métallique 11. Bien entendu, diverses modifications et adjonctions peuvent y être apportées à l'invention sans sortir de son cadre. REVENDICATIONS : 1 - Piston de moteur diesel à injection directe, monté coulissant à l'intérieur d'un cylindre (4) et comprenant un corps de piston (1), muni de segments (6) et d'une tête de piston (2), la tête de piston (2) définissant avec le cylindre (4) et une culasse (44) une chambre de combustion (40) dans laquelle le combustible est injecté par un injecteur (5) monté dans la culasse (44), caractérisé en ce qu'il comprend, en outre, une mince couronne (10, 17) en matériau réfactaire rapportée sur la tête de piston (2) et prolongeant la paroi extérieure du piston (1) en s'étendant pratiquement jusqu'à l'extrémité du cylindre (4) voisine de la culasse (44) lorsque le piston est au point mort haut, sans venir en contact avec la culasse (44), un jeu étant ménagé entre la couronne (10, 17) et le cylindre (4), en ce que le rapport entre l'épaisseur de la mince couronne (10, 17) et l'alésage du cylindre (4) est inférieur à environ 8 t. 2 - Piston selon la revendication 1, caractérisé en ce que la mince couronne (10, 17) est réalisée en un métal réfractaire, tel qu'un acier réfractaire ou un alliage bronze-béryllium. 3 - Piston selon la revendication 1, caractérisé en ce que la mince couronne (10, 17) est réalisée en céramique. 4 - Piston selon la revendication 3, caractérisé en ce que la mince couronne (10, 17) est réalisée en céramique à partir d'oxyde ou nitrures de silicium, d'oxydes de titane ou de sirconium, ou de carbures de silicium. 5 - Piston selon la revendication 2, caractérisé en ce que la mince couronne (10) présente à sa base un épaulement (11) qui est engagé dans une gorge annulaire extérieure (7) formée dans la tête de piston (2). 6 - Piston selon la revendication 2, caractérisé en ce que la mince couronne (10) entoure à sa base la tête de piston (2) et est fixée directement sur le corps de piston (1) par soudage. 7 - Piston selon la revendication 2, caractérisé en ce que la mince couronne (10) est taraudée sur sa partie inférieure (13) et vissée dans un filetage (9) correspondant réalisé à l'extérieur de la tête de piston (2). 8 - Piston selon la revendication 4, caractérisé en ce que la mince couronne (17) en céramique est brasée sur la tête de piston (2) et, le cas échéant, La face supérieure du corps de piston (1) grâce à un apport d'alliage intermédiaire (8, 20). 9 - Piston selon la revendication 4, caractérisé en ce que la mince couronne (17) en céramique présente un talon (11) disposé dans une gorge (7) de la tête de piston (2) pour être pincé entre la tête de piston (2) et le corps de piston (1) avec des jeux radiaux (21, 22). 10 - Piston selon la revendication 4, caractérisé en ce que la mince couronne (17) en céramique est montée à l'intérieur d'un anneau métallique (15) et repose sur une nervure (16, 1-8) de l'anneau métallique (15) qui se projette radialement vers l'intérieur. 11 - Piston selon la revendication 10, caractérisé en ce que la mince couronne (17) en céramique est fixée par brasage sur l'anneau métallique extérieur (15). 12 - Piston selon la revendication 10, caractérisé en ce que l'anneau métallique extérieur (15) est fixé par frettage à chaud sur la mince couronne (17) en céramique. 13 - Piston selon l'une quelconque des revendications 10 à 12, caractérisé en ce que la nervure radiale (16) de l'anneau métallique (15) se projette au-delà de la mince couronne (17) et coopère avec une gorge annulaire (7) ménagée à la base de la tete de piston (2). 14 - Piston selon l'une quelconque des revendications 10 à 12, caractérisé en ce que l'anneau métallique (15) est fixé par soudure sur le corps de piston (1) et, le cas échéant, sur la tête de piston (2). 15 - Piston selon l'une quelconque des revendications 10 à 12, caractérisé en ce que l'anneau métallique (15) est fixé par vissage sur la tête de piston (2).