Brevet FR2653510A1 — publié le 19910426

L'invention concerne les systèmes d'étanchéité comprenant des pistons munis de segments d'étanchéité placés dans des gorges, lesdits pistons coulissant dans des chemises, systèmes destinés aux moteurs à combustion interne à cylindrée importante et, plus particulièrement, ceux des pistons qui sont destinés aux moteurs Diesel. L'invention trouve un intérêt tout particulier dans le cas des moteurs Diesel deux temps, munis de lumières d'admission et éventuellement d'échappement, ayant un alésage supérieur à 200 mm environ, et des gros moteurs Diesel à quatre temps et à soupapes, ayant un alésage supérieur à 400 mm environ. A l'heure actuelle, les segments, destinés à s'appuyer élastiquement contre la chemise délimitant la chambre de combustion, sont en règle générale à section rectangulaire constante et placés dans des gorges à section constante du piston. Comme le montre la figure 1, de tels segments 10,12 présentent une coupe délimitée par des faces parallèles, généralement à 45" environ du plan du segment, permettant de les monter sur le piston 14 et absorbant les dilatations thermiques différentielles. Un segment classique, coulissant sur une chemise de rayon Rg, constitue une poutre curviligne, au sens mathématique du terme, de largeur constante réduite 2bu0. A l'heure actuelle, on adopte en général 1/40 > b > 1/50. Un jeu sensiblement constant doit subsister entre le segment et le fond de la gorge : à l'heure actuelle la hauteur du segment et la profondeur de la gorge sont constantes. De nombreuses études ont été faites pour analyser le fonctionnement des segments et, éventuellement, définir des caractéristiques qui réduisent les contraintes thermiques et/ou mécaniques qui s'exercent sur eux, sur le piston ou sur la chemise. Classiquement, ces études partent d'une approximation, à savoir l'hypothèse que les phénomènes sont axisymétriques, en dépit de la coupe du segment. Cette hypothèse est acceptable pour les chambres de combustion ayant un alésage faible. Elle ne l'est plus en cas d'alésage important, notamment parce que le flux thermique transféré des gaz chauds au segment de tête et au piston varie très rapidement en fonction de l'angle polaire, au moins à proximité de la coupe. L'invention vise à améliorer les conditions de fonctionnement des segments et du piston, notamment en réduisant les transferts thermiques vers le piston et les dissymétries de charge mécanique des segments, et notamment du segment de tête, lors du fonctionnement. Pour cela, l'invention utilise un certain nombre de résultats inattendus qui résultent d'une étude prenant en considération le caractère non-axisymétrique des phénomènes ; ces constations font notamment apparaître d'une part l'effet très nuisible de l'écoulement de fuite, tel qu'il s'organise vers la coupe d'un segment et sortant du segment de tête, sur l'intensité et l'inhomogénéité d'échauffement du segment par les gaz chauds et par voie de conséquence sur la charge mécanique de certaines fractions au moins du segment, d'autre part l'inadéquation de la forme à section rectangulaire constante à une optimisation, même sommaire, du point de vue des efforts axiaux subis par le segment.L'invention part en conséquence de la prise de conscience de l'intérêt majeur de substituer, à l'écoulement des gaz tel qu'il s'organise vers le col sonique (constitué par la coupe) dans les systèmes d'étanchéité actuels, un écoulement tridimensionnel convergeant vers la coupe du segment, sans variation brutale de section de passage et avec une variation faible de la pression totale. L'invention propose dans ce but un piston à segments d'étanchéité comprenant au moins un segment de tête logé dans une gorge circonférentielle du piston, caractérisé en ce qu'une cuvette de profondeur croissant et de largeur décroissant vers la gorge est ménagée dans le piston, en amont du segment et en face de la coupe de ce dernier. Grâce à cet aménagement, les transferts thermiques de l'écoulement de fuite du segment sont notablement réduits et par voie de conséquence les pics de charge dans la région proche de la coupe sont diminués. Il est alors nécessaire de maintenir l'alignement de la coupe et de la cuvette. Ce résultat peut être obtenu par ergotage du segment, avantageusement en un point situé à 1800 de la coupe, pour l'empêcher de tourner dans la gorge au cours du fonctionnement. Le circuit de refroidissement de la chemise peut être organisé pour refroidir de manière particulièrement énergique la génératrice critique, qui fait face à la coupe du segment et sera choisie au milieu d'une barrette entre lumières, dans le cas d'un gros moteur deux temps, comportant donc des lumières d'admission et éventuellement d'échappement. Pour réduire encore les echanges thermiques, les becs du segment qui limitent la coupe peuvent être arrondis pour régulariser l'écoulement. Pour réduire les surcharges mécaniques, c ' est-à-dire avoir une charge qui reste sensiblement constante sur toute la périphérie du segment, tout en ayant une bonne étanchéité de ce segment pendant la fraction motrice du cycle du moteur (ce qui impose que le segment soit pressé de façon élastique contre la chemise tout au long de cette fraction motrice), il est avantageux de donner au segment une épaisseur radiale variable. Une variation donnant déjà un résultat favorable consiste à donner au fond de la gorge une forme circulaire présentant un décentrement, par rapport à l'axe du piston, vers l'emplacement de la coupe et au segment une forme délimitée par deux cercles présentant le même excentrement relatif, de façon que le jeu radial entre segment et fond de la gorge soit sensiblement constant tout autour de la gorge. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit d'un mode particulier de réalisation, donné à titre d'exemple non limitatif. La description se réfère aux dessins qui l'acccompagnent dans lesquels - la figure 1, déjà mentionnée, montre schématiquement une disposition classique de segments sur un piston - la figure 2 est une vue en coupe suivant un plan perpendiculaire à l'axe du piston montrant une disposition possible de segments suivant l'invention ; - la figure 3 est une vue en perspective montrant une cuvette de régularisation de l'écoulement vers la coupe du segment (la dimension radiale de la gorge étant très exagérée pour plus de clarté) ; ; - la figure 4 est une coupe suivant la ligne IV-IV de la figure 3 - la figure 5 montre un mode possible d'immobilisation de segment par ergot - la figure 6 montre une forme possible des becs du segment - la figure 7 est une vue à grande échelle, en coupe suivant un plan passant par l'axe du piston, montrant une forme avantageuse de section droite du segment, dans sa partie de largeur axiale maximale ; - la figure 8 est un schéma développé montrant un aménagement possible des lumières ménagées dans la chemise d'un moteur deux temps. Avant de décrire un dispositif selon l'invention, on définira d'abord les paramètres qui sont pris en considération, en faisant référence à la figure 2. Le segment montré en figure 2 a une largeur axiale constante qu'on désignera par 2ber0, en la rapportant au rayon Rg de la chemise. Pour des moteurs de cylindre élevé, il apparaît judicieux adopter une valeur b d'environ 1/80, afin de diminuer les frottements, plutôt que les valeurs plus élevées courantes jusqu ici. On désignera la hauteur radiale par 2aR0, où a peut être une fonction a(O) de l'angle polaire O à partir du centre de la coupe du segment 10. On désignera encore par r (o) la cambrure en chaque point, c'est-à-dire l'augmentation relative de courbure locale qu'il faut faire subir au segment, à partir de son état sans contrainte mécanique, pour qu'il s'applique à froid sur la chemise, par srv (8) l'augmentation "virtuelle" de cambrure, due au champ de températures qui apparait en fonctionnement, et par w (o) la charge locale en fonctionnement, c ' est-à-dire la pression moyenne de l'huile sur la largeur 2ber0 du segment, à l'emplacement d'angle polaire 0. Si on s'attache maintenant au segment de tête 10, il prend en fonctionnement, du fait de son inertie thermique, une température moyenne pour chaque angle polaire qui résulte d'un équilibre entre - le flux de chaleur reçu des gaz, essentiellement lors de la phase de compression, - le flux de chaleur transféré au piston et, dans une moindre mesure du fait de la présence du film d'huile, à la chemise 16. Ce flux de chaleur est particulièrement important au droit de la coupe, qui constitue un col sonique traversé par les gaz sous l'action de la pression motrice, qu'on peut considérer comme celle qui règne dans la chambre de combustion. L'augmentation de température locale et le gradient transversal de température provoquent à leur tour une augmentation virtuelle de cambrure qui a un effet défavorable sur la charge W et il apparaît immédiatement qu'un pic local de température est à exclure. Or l'écoulement de fuite à travers la coupe présente, dans le cas d'un segment classique, des caractéristiques qui provoquent un échange de chaleur intense. Le débit de fuite vers la coupe est en effet constitué par une nappe étroite, puisque délimitée par le jeu entre partie avant du piston et chemise, à grande vitesse, avec des singularités (modifications brusques de section et d'orientation) favorables au transfert de chaleur. Pour réduire les transferts de chaleur entre les gaz et le segment de tête et par là la charge, un premier aménagement suivant l'invention consiste à creuser le piston 14 de façon à faire converger régulièrement l'écoulement de fuite vers la coupe et à redresser les flancs de la coupe (qui sont à 45" d'un plan azimutal sur les segments habituels). Idéalement, l'écoulement entre les deux faces de la coupe du segment devrait être alimenté à pression totale constante, ce qui impliquerait une conservation de la section de passage par augmentation de l'épaisseur radiale au fur et à mesure de la diminution de largeur circonférentielle. Cette forme idéale est approchée en ménageant dans le piston 14 une cuvette 18 de révolution autour du rayon passant par le centre du col sonique, comme indiqué sur les figures 3 et 4. Si la section de passage reste supérieure à environ trente fois la section au col, le débit parasite aspiré entre le segment 10 et le fond de la gorge reste suffisamment faible pour n'avoir pas d'influence appréciable sur les transferts. Un tel agencement réduit beaucoup les densités locales des flux de chaleur transversaux. Comme on l'a indiqué plus haut, c' est davantage la déformation de cambrure virtuelle wrv(o) et corrélativement les surcharges (rapport entre la charge locale et la moyenne des charges) que provoquent les pertes thermiques qui sont nuisibles.Or la réduction des flux tenus par la présence de la cuvette réduit localement la perturbation de la cambrure d'un facteur qui peut être supérieur à 2 et diminue également le domaine angulaire de perturbation de la cambrure. En règle générale, on pourra adopter une pente a de la cuvette, dans son plan médian, de l'ordre de 15 (figure 4) et un développement angulaire maximum Oc de la cuvette d'environ 20 (figure 3). La cuvette peut également être réalisée, sous forme simplifiée, par troncature suivant un plan à 15 environ de l'axe du moteur ou par un cylindre de révolution incliné de 15 à 30 sur l'axe du moteur, la profondeur maximale étant voisine de celle de la gorge. Il est nécessaire que la coupe du segment reste alignée avec la cuvette. Pour cela le segment 10 peut notamment être muni d'un ergot 20 s'engageant dans un logement de forme correspondante ménagé dans la face arrière de la gorge. Cet ergot est avantageusement situé à 1800 de la coupe comme le montre la figure 5. Dans le cas d'un moteur deux temps à lumières, le creux de réception de l'ergot 20 et la cuvette 18 seront placés de façon que la coupe du segment se trouve face à une génératrice de la chemise passant par l'axe d'une barrette séparant deux lumières. Pour améliorer encore l'écoulement vers le col sonique, les becs du segments délimitant la coupe sont avantageusement arrondis. Ces arrondis ne modifient la loi de variation d'épaisseur, dont il sera question plus loin, que sur quelques degrés de part et d'autre de la coupe. La forme des arrondis est choisie à partir de considération d'aérodynamique de l'écoulement de fuite. Dans la pratique, on peut souvent adopter avec profit la forme schématisée en figure 6, convergeant vers le col sonique 24. Les sections successives à partir de l'extrémité sont constituées par des quarts d'ellipse dont les centres sont alignés, dont la direction d'allongement passe progressivement de la direction radiale z à la direction axiale x (la largeur radiale du segment étant en règle générale supérieure à son épaisseur radiale). L'optimisation du segment doit prendre en considération également une analyse mécanique faisant intervenir l'équilibre radial, l'équilibre axial et l'équilibre des moments qui s'exercent sur le segment. Dans la pratique, les considérations d'équilibre radial sont très prédominantes et, étant donné la complexité des phénomènes, seul cet aspect est pris en considération, surtout dans le cas d'un moteur présentant des lumières le long desquelles le frottement et la charge sont nuls. Le calcul fait apparaître l'intérêt d'une épaisseur radiale de segment variable en fonction de l'angle polaire 0, de façon à optimiser la perturbation wRv(o) tout en obtenant une flexibilité satisfaisante. La recherche d'un compromis fait apparaitre que, du point de vue de la charge, il est souhaitable de réduire a(O) le plus possible dans la région allant de 0=0 à 0=300, tout en maintenant a au-dessus de l'épaisseur limite compatible avec les contraintes de fatigue. On constate finalement qu'il est souhaitable de choisir une loi de variation stationnaire pour O=180 et G=0 (si l'on ne tient pas compte de l'arrondissement des becs). Une loi d'épaisseur de la forme suivante s'est révélée particulièrement avantageuse a(O)=a(fl).((sin2 (O/2)+)/(1+)]1/2 le coefficient ss sera toujours inférieur à 0,5. Très souvent, une valeur ss comprise entre 0,15 et O, 25, par exemple d'environ 0,2, correspond à une tenue à la fatigue acceptable dans le cas d'un moteur deux temps à lumières. Ce choix conduit à admettre un accroissement considérable de la cambrure dans la région pour laquelle 0 Il reste à choisir une valeur de a(n). Ce choix tient compte d'un aménagement supplémentaire, qui n'est pas indispensable mais est avantageux, proposé par l'invention et portant sur la forme donnée à la face du segment en regard de la chemise et sur la forme des faces avant et arrière (cette dernière constituant la face d'appui) de la gorge. Ces aménagements tiennent compte de plusieurs constatations concernant l'équilibre axial du segment et liées d'une part à des phénomènes thermiques, d'autre part à des phénomènes mécaniques. D'un point de vue thermique, les calculs de déformation du piston font apparaître un pincement de la section droite de la gorge qui fait que, si ces faces sont initialement planes, elles se resserrent vers l'entrée. Ce pincement gêne l'entrée du gaz qui alimente le volume situé entre le segment et le fond de gorge. En outre il provoque un frottement accru et une usure qui finalement évase la gorge vers l'extérieur. D'un point de vue mécanique, le segment est soumis à des contraintes de gauchissement qui s'opposent à l'application du segment contre sa face d'appui et peuvent conduire à une distribution de pression incontrôlable se traduisant par des fuites élevées le long de la face d'appui. Ces risques sont combattus par deux types de mesures portant les unes sur la gorge, les autres sur le segment, visibles sur la figure 7. 1")I1 est avantageux d'aménager des rainures radiales à intervalles angulaires réguliers sur la face avant de la gorge, ce qui multiplie avantageusement par 4 à 5, la section de passage entre chambre de combustion et volume situé entre segment et fond de gorge. La profondeur de ces rainures de communication peut être de 1 à 2 mm pour un alésage de l'ordre de 300 mut. Une mesure supplémentaire consiste à ménager sur la gorge un détourage conique de face arrière d'appui, sur une profondeur AR qui est avantageusement de l'ordre de 0,015 Rg, avec un angle d'environ 1", qui n' a aucun effet appréciable sur l'augmentation de section du col sonique. On peut ainsi maintenir l t effort, exercé par le gaz et tendant à appliquer le segment sur la face arrière d'appui, à une valeur supérieure au produit de la différence des pressions entre chambre et lumière par la section de couronne de hauteur aR. 2") Au lieu de donner une forme plane au côté externe de la section droite du segment, on lui donne un bombement qui réduit la largeur d'appui effectif du segment sur la chemise à 2b'Ro, b' étant compris entre 0,6 et 0,8b environ. Ce choix résulte d'un compromis. Si en effet, pour une valeur plus faible de b', le segment 10 s'applique mieux sur la face d'appui (l'effort d'appui variant en b'3) la diminution de b' diminue également l'épaisseur du ménisque d'huile entre segment et chemise, ce qui augmente le risque de frottement direct, la variation étant en Vb'. Cet effet défavorable est d'autant plus faible que Rg est plus grand. Lorsque Rg varie de 100 à 300 mm, on peut adopter une valeur de b'/B qui passe d'environ 0,8 à environ 0,5. L'épaisseur du bombement sera généralement approximativement égale à 5x1O-5 Ro. La valeur a(n) est choisie en fonction du choix de b'/b, de W et de B. Elle est en général comprise entre 0,03 et 0,04. Elle doit être telle que subsiste une épaisseur suffisante à proximité de la coupe, avant arrondissement des becs. Une fois fixée la loi de variation de l'épaisseur relative a(O), il faut choisir une loi de variation de cambrure virtuelle calculée à chaud rvc (3) ; on la détermine pour satisfaire les conditions suivantes en l'absence de pression de gaz - Pression uniforme du segment sur la chemise pour tous les points correspondant à o - Pression uniforme égale à une pression élastique de référence Pr, de l'ordre de 1 bar. Le calcul correspondant conduit au résultat suivant, indépendant du champ de température, donc du régime moteur avec où E est le module d'Young. Il reste ensuite deux opérations à effectuer 1 ) La première consiste à déterminer la correction de la loi de cambrure virtuelle calculée pour obtenir une optimisation pour un régime privilégié du moteur. Cela revient à adopter une cambrure virtuelle effective Cv(o) qui se déduit de Cvc(o) par adjonction d'un terme correctif #V(#) = #VC(#) + #M#v(#) Il suffit de faire une approximation de #M# (o) sous la forme tMc #v(#) = A El + (X-Xc)J.exp(-X) avec X = 0/00, 0 00 > n/6. A et 80 sont choisis d'autant plus élevés que la pression moyenne effective (p.m.e.) et la valeur absolue 2a(O)R0 de l'épaisseur du segment (avant arrondi des becs) sont élevés. 2 ) La seconde opération consiste à déterminer la forme du segment froid non contraint, ctest-à-dire tel qu'il sera fabriqué avant arrondissement des becs. Elle est définie par une loi de cambrure #0(#) telle que #o(#) = #vc(#) - #Mc #v(#) ce dernier terme étant directement calculable et étant de la forme AMc #u(#) = A x (1 + #/#0).exp (-0/0o) où A et 00 sont des fonctions croissantes de l'alésage. A partir de tous ces éléments le segment peut être complètement dessiné. Les arrondis des becs de segment ne modifient la loi d'épaisseur que sur quelques degrés de part et d'autre de la coupe. Sur le segment montré à titre d'exemple en figure 7, la largeur axiale réduite b est d'environ 0,014. Le bombement b' occupe 80 % de la largeur b. L'épaisseur du bombement est de 5 x 10-5 Rg. Le segment présente à l'avant un chanfrein d'angle d'environ 15 et à l'arrière une arête vive. Dans la face avant du segment ou le flanc correspondant de la gorge sont ménagées plusieurs rainures réparties sur la circonférence, d'une profondeur de 1 à 2 mm. Dans le cas d'une chemise à lumières, il est souhaitable de ménager des pré-lumières obliques pour décharger rapidement le volume de gaz entre segment et fond de gorge, lorsque le segment découvre les lumières. La vue développée de la figure 8 montre deux lumières 22 séparées par une barrette 24 et munies chacune de pré-lumières 26, dont le fond a généralement une pente d'environ 45 . La coupe du segment sera avantageusement située face au milieu de la barrette, constituant la génératrice critique. Le circuit de refroidissement de la chemise est avantageusement renforcé face à cette génératrice. REVENDICATIONS 1. Système d'étanchéité pour piston à segments d'étanchéité (10,12) pour moteur à combustion interne, ledit piston comprenant au moins un segment de tête (10) logé dans une gorge circonférentielle du piston (14), caractérisé en ce qu'une cuvette (18) de profondeur croissant et de largeur décroissant vers la gorge est ménagée dans le piston (14), en amont du piston et en face de la coupe de ce dernier. 2. Système d'étanchéité selon la revendication 1, caractérisé en ce que le segment est muni de moyens, tels qu'un ergot (20), destinés à le maintenir dans une orientation angulaire où la coupe est alignée avec la cuvette (18). 3. Système d'étanchéité selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les becs du segment délimitant la coupe sont arrondis et d'épaisseur radiale décroissante vers la coupe. 4. Système d'étanchéité selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que l'épaisseur radiale 2aR0 du segment (10) est une fonction croissante de l'angle polaire R à partir de la coupe, symétrique et stationnaire pour R=O et R=1800. 5. Système d'étanchéité selon la revendication 4, caractérisé en ce que sauf à proximité immédiate de la coupe, l'épaisseur radiale a(R) rapportée au rayon est de la forme a(R)=a( 6. Système d'étanchéité selon la revendication 4, caractérisé en ce que le fond de la gorge présente une forme cylindrique ayant un décentrement vers l'emplacement de la coupe et le segment à une forme limitée, sauf à proximité immédiate de la coupe, par deux cercles présentant ledit décentrement relatif, de façon que le jeu radial soit constant. 7. Système d'étanchéité selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le segment présente une largeur d'appui effective 2b'Ro sur la chemise, b' étant est une fraction de la largeur axiale totale b comprise entre 0,5 et 0,8 et b étant de l'ordre de 1/80. 8. Système d'étanchéité selon l'une quelconque des revendications précédentes pour moteur à deux temps à lumière, caractérisé par des pré-lumières obliques de profondeur progressivement croissante. 9. Système d'étanchéité selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que la face avant de la gorge du segment est munie, à intervalles angulaires réguliers, de rainures radiales de communication entre la chambre de combustion et le fond de gorge du segment.