Brevet FR2654157A1 — publié le 19910510

L'invention concerne un cylindre d'un moteur alternatif à combustion interne, possédant une chambre de combustion délimitée dans la partie supérieure par un piston effectuant un mouvement de va-et-vient et portant des segments de piston dans plusieurs gorges annulaires, segments dont les côtés supérieures et inférieurs forment plusieurs espaces annulaires en combinaison avec la paroi latérale du piston et la surface du cylindre sur laquelle coulisse le piston, de même que plusieurs évidements ménagés dans la paroi du cylindre. Par le brevet DE 12 16 612 on connaît un cylindre de moteur alternatif à combustion interne dont la paroi présente, à des fins d'égalisation de la pression entre les espaces annulaires délimités par les segments de piston, des rainures disposées de manière qu'elles se trouvent au-dessus du segment situé le plus haut lorsque le piston est au point mort bas Avec cette disposition connue, la pression dans les espaces inter- médiaires des segments de piston est censé se détendre principalement vers la chambre de combustion L'incon- vénient est que, en raison de l'étendue axiale relativement grande des rainures, lors de la descente du piston au temps moteur, chacun des espaces annulaires inférieurs reçoit le niveau de pression plus élevé de l'espace annulaire se trouvant au-dessus de lui Au lieu que la pression dans les gorges annulaires soit réduite, il se forme même des matelas de pression à un niveau plus élevé, ce qui entrave le changement en temps voulu du flanc d'appui des segments et fait croître le risque de l'immobilisation des segments. Le but de l'invention est de conformer un cylindre de moteur alternatif à combustion interne, de manière que l'effet d'étanchéité du jeu de segments de piston soit amélioré et que sa durée de service soit prolongée, avec préservation de toute l'aptitude de fonctionnement. Conformément à l'invention, on obtient ce résultat par le f ait que les évidements sont réalisés comme des cavités tampons dont le volume cumulé repré- sente un multiple d'un espace annulaire, et que les cavités tampons sont disposées à une telle hauteur sur la paroi du cylindre que le segment supérieur se trouve sous elles au point mort bas et que le segment inférieur se trouve au-dessus d'elles au point mort haut. Au moyen des cavités tampons ménagées dans la paroi du cylindre, les espaces annulaires entre les segments de piston sont l'un après l'autre remplis d'air de façon contrôlée au temps de compression La pression est la plus élevée dans l'espace annulaire supérieur et elle diminue vers le bas Au temps moteur, l'air enfermé agit comme un fluide bloquant le passage de gaz de combustion et de particules par le jeu de segments Dans la seconde moitié du cycle de fonctionnement, l'air frais enfermé est délivré de nouveau de bas en haut aux cavités tampons qui se suivent, de sorte que les espaces annulaires sont décharges et que plus rien ne s'oppose au changement en temps voulu des flancs d'appui des segments de compression Après le passage du premier segment de compression, les cavités tampons se détendent vers la chambre de combustion, avec l'avantage supplé- mentaire que les résidus pénétrés jusque dans la gorge coup de feu, sont refoulés vers la chambre de combus- tion L'invention augmente la fraction absorbée par le deuxième et le troisième segment de compression de la différence de pression totale entre la chambre de combustion et le carter inférieur, de sorte que le premier segment de compression est déchargé et que son usure est considérablement réduite. Les cavités tampons peuvent être réparties uniformément sur la périphérie Elles peuvent être disposées toutes dans un plan perpendiculaire à l'axe du cylindre, mais il est possible aussi de les décaler mutuellement dans le sens axial et ce de différentes manières Le volume global de toutes les cavités tampons peut représenter trois à quatre fois le volume d'un espace annulaire compris entre deux segments de piston voisins Selon un mode de réalisation avantageux, l'étendue axiale d'une cavité tampon au droit de son embouchure dans la paroi du cylindre dépasse de peu seulement la hauteur axiale de la surface extérieure d'étanchéité d'un segment de piston. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront plus clairement de la descrip- tion qui va suivre de plusieurs exemples de réalisation non limitatifs, ainsi que des dessins annexés, sur lesquels: les figures 1 à 5 représentent une coupe longitudinale partielle d'un ensemble piston/cylindre en différentes phases du temps de compression; les figures 6 à 9 représentent une coupe longitudinale partielle d'un ensemble piston/cylindre en différentes phases du temps moteur; la figure 10 est un diagramme course du piston/pression représentant les variations de pression dans la chambre de combustion et les espaces annulaires entre les segments de compression; la figure 11 est une vue en perspective d'une partie d'une chemise de cylindre présentant des cavités tampons semblables à des trous oblongs; la figure 12 est une vue en perspective d'une partie d'une chemise de cylindre comportant des cavités tampons disposées sur une ligne fermée en elle-même et s'étendant en forme de selle sur la surface du cylindre sur laquelle coulisse le piston; la figure 13 est une vue en perspective d'une partie d'une chemise de cylindre comportant deux rangées mutuellement décalées axialement de cavités tampons; et la figure 14 est un diagramme course de piston/pression illustrant les variations de pression dans la chambre de combustion et les espaces annulaires entre les segments de compression en cas d'utilisation des cavités tampons disposées selon la figure 13. Sur les figures 1 à 9, la référence 1 désigne un piston et 2 désigne un cylindre d'un moteur alterna- tif à combustion interne, dont les autres parties ne sont pas représentées Le fond extérieur du pistion 1 délimite une chambre de combustion ou chambre de travail 3 La fente annulaire 4 entre la paroi latérale du piston 1 et le cylindre 2 est étanchée par trois seg- ments de compression 6, 9 et 12 et un segment racleur d'huile 15 Le premier segment de compression 6, situé le plus près de la chambre de combustion 3, est placé dans une gorge annulaire 5 usinée dans le piston 1, le deuxième segment de compression 9 dans une gorge annu- laire 8, le troisième segment de compression 12 dans une gorge annulaire 11 et le segment racleur d'huile 15 dans une gorge annulaire 14 La hauteur de tous les segments 6, 9, 12 est légèrement inférieure à l'étendue axiale des gorges 5, 8, 11, 14 qui les reçoivent Suivant les efforts agissant sur eux (forces massiques dues à l'accélération du piston, force due à la différence des pressions agissant sur les flancs supérieur et inférieur du segment, force de frottement sur la paroi du cy- lindre), les segments 6, 9, 12 et 15 s'appliquent soit contre le flanc supérieur de la gorge 5, 8, 11 ou 14 concernée, soit contre le flanc inférieur de cette gorge Dans la fente annulaire 4 entre le piston 1 et le cylindre 2, le premier et le deuxième segment de com- pression 6 et 9 délimitent un premier espace annulaire 7; les deuxième et troisième segments de compression 9 et 12 délimitent un deuxième espace annulaire 10; et le troisième segment de compression 12 et le segment racleur 15 délimitent entre eux un troisième espace annulaire 13. En raison de l'inévitable passage de gaz par les segments de piston, il s'établit dans ces espaces annulaires 7, 10 et 13 une pression qui est plus élevée dans le premier espace 7 que dans le deuxième espace 10 et plus élevée dans ce dernier que dans le troisième espace 13. La figure 10 représente les courbes de varia- tion de la pression dans la chambre de combustion 3 et les trois espaces annulaires 7, 10 et 13 pendant la moitié d'un cycle, c'est-à-dire pendant le temps de compression et le temps moteur. p O désigne la variation de la pression dans la chambre de combustion 3, la courbe désignée par p 1 l représente l'allure de la pression dans le premier espace annulaire 7, la courbe P 2 ' représente l'allure de la pression dans le deuxième espace annulaire 10 et la courbe p 3 représente l'allure de la pression dans le troisième espace annulaire 13, les courbes p ' et P 2 ' illustrant la situation sans application de l'invention. La pression p 3 du troisième espace annulaire 13 se distingue de peu seulement de la pression dans le carter inférieur en raison du faible effet d'étanchéité du segment racleur d'huile à l'égard des gaz Pour cette raison, cette pression sera négligée dans ce qui suit. La pression p O dans la chambre de combustion 3 s'élève de façon connue pendant tout le temps moteur, elle atteint son maximum peu après le point mort haut, en raison de l'extension du front de flammes après l'allumage, et diminue ensuite de nouveau de façon continue pendant la partie restante du temps moteur Par rapport à cette pression p, l'établissement de la pression p 1 ' dans le premier espace annulaire 7 s'ef- fectue avec un grand retard dans le temps, en raison de l'important effet d'étranglement du premier segment de compression 6, et le maximum de pression de la courbe P 2 1 du deuxième espace annulaire 10 est atteint encore plus tard en raison de l'effet d'étranglement du deu- xième segment de compression 9 Dans les zones o les courbes pil et P 2 ' dépassent le flanc décroissant de la courbe p 0, un matelas de pression est enfermé dans le premier et le deuxième espace annulaire 7, 10, ce qui empêche le changement convenable du flanc d'appui des segments de compression A partir du point o la courbe P 11 coupe la courbe p O, le matelas de gaz sous pression enfermé presse le premier segment de compression 6 contre le flanc supérieur de la gorge 5 et le deuxième segment de compression 9 contre le flanc inférieur de la gorge 8 Le gaz brulé dans le premier espace annulaire 7 est enfermé comme dans une canalisation à double soupape antiretour et ne peut pas s'échapper en temps voulu lors du temps moteur en nettoyant les gorges A chaque temps moteur, la quantité de particules d'impuretés déposées augmente, jusqu'à ce que le deuxième segment de piston 9 soit finalement entravé dans son mouvement radial et que le segment ne remplisse plus sa fonction (blocage de segment). Dans les ensembles piston/cylindre connus, le segment de compression 6 du haut supporte presque tout seul la totalité de la différence de pression entre la chambre de combustion et le carter pendant tout le temps de compression et une grande partie du temps moteur. Comme la différence de pression entre la chambre de combustion 3 et le premier espace annulaire 7 est déterminante pour la force effective avec laquelle ce segment est pressé contre la paroi du cylindre, l'im- portante fraction de la différence de pression supportée par ce segment est obligatoirement liée à une forte usure prématurée. Conformément à l'invention, la paroi du cylindre 2 est pourvue de cavités tampons 16 dont le volume cumulé représente un multiple d'un espace annu- laire 7, 8 ou 13 Les cavités tampons 16 sont ménagées à une telle hauteur dans la paroi du cylindre que le segment supérieur (= segment de compression 6) se trouve sous ces cavités au point mort bas du piston et que le segment inférieur (= segment racleur 15) se trouve au-dessus des cavités au point mort haut du piston Les cavités tampons des figures 1 à 9 sont réalisées comme des perçages cylindriques borgnes uniformément répartis sur la périphérie et situés dans un plan perpendiculaire à l'axe du cylindre. On décrira ci-après, en référence aux figures 1 à 9, la fonction des cavités tampons 16 en différentes phases du temps de compression et du temps moteur Les i 5 variations de pression se produisant pendant ce temps dans les espaces annulaires 7, 10, sont représentées sur la figure 10 par les courbes p 1 et P 2 respectivement. Les états correspondant aux figures 1 à 9 sont désignés sur la figure 10 par des lignes verticales marquées par des chiffres romains analogues aux numéros des figures. Sur la figure 1, les cavités tampons 16 sont remplies d'air frais comprimé au temps de compression. Sur la figure 2, le premier segment de compression 6 passe devant l'embouchure des cavités tampons 16 Le premier espace annulaire 7 se remplit alors d'air frais dont le niveau de pression est légèrement plus bas que celui qui s'est établi jusqu'à cet instant dans la chambre de compression 3 De ce fait, la pression dans le premier espace annulaire 7 comme on peut le voir à la hauteur de la ligne Il sur la figure 10 est relevée brusquement à un niveau p 1 qui est nettement supérieur au niveau pl' qui se serait établi dans ce même espace sans l'utilisation des cavités tampons selon l'inven- tion La différence de pression û p O p 1 entre la pression p O de la chambre de combustion et la pression Pl dans le premier espace annulaire 7, devient beaucoup plus faible à partir de ce moment, pendant la poursuite du mouvement du piston, que la différence de pression qui s'établit entre la pression p O de la chambre de combustion et la pression pl' de cet espace annulaire sans application de l'invention. Or, la différence de pression de part et d'autre du premier segment de piston 6 est une mesure de la fraction supportée par ce segment de toute la diffé- rence de pression entre la chambre de combustion et le carter, et son effet d'étanchéité y correspond, du fait que cette différence de pression codétermine de façon essentielle la pression radiale sous laquelle un segment est appliqué contre la paroi du cylindre lors du bascu- lement du piston. La figure 3 illustre la situation o le deuxième segment de compression 9 passe sur l'embouchure des cavités tampons 16 De ce fait, en raison de son remplissage avec de l'air frais comme on peut le voir à la hauteur de la ligne III sur la figure 10 -, le deuxième espace annulaire 10 est porté brusquement à un niveau de pression p 2 qui est nettement supérieur à celui qui régnerait au même instant dans cet espace sans l'application de l'invention (voir la courbe P 2 ') Le deuxième segment de compression 9 assure donc une plus grande partie de l'effet d'étanchéité global du jeu de segments, ce qui contribue à répartir l'usure sur tous les segments de piston et à ralentir par suite l'usure du premier segment de compression 6, lequel est soumis à la plus forte charge. Sur la figure 4, le troisième segment de compression 12 passe sur l'embouchure des cavités tampons 16 L'air résiduel contenu dans les cavités 16 se détend ainsi dans le troisième espace annulaire 13, o règne à peu près la pression environnante en raison du faible effet d'étanchéité du segment racleur d'huile et du fait de l'aération du carter La détente complète de la faible pression résiduelle des cavités tampons 16 s'effectue dans la phase de mouvement illus- trée sur la figure 5, au cours de laquelle le segment racleur 15 passe sur l'embouchure des cavités 16. Pendant la suite du temps de compression, le niveau de la pression dans les espaces annulaires 7 et augmente plus encore, sous l'action de l'air arrivant de la chambre de combustion 3 et qui passe surtout de façon étranglée par la fente du segment Au cours de la première phase du temps moteur consécutif (Fig 6), l'air frais enfermé dans les espaces annulaires 7, 10 forme une barrière efficace contre la pénétration de gaz et résidus de combustion dans le jeu de segments de piston et contre leur avancée jusque dans le carter (contournement du piston). La figure 7 montre la situation o le troi- sième segment de compression 12 passe devant les embou- chures des cavités tampons 16 pendant le mouvement de descente, en débouchant ainsi la communication entre ces cavités et le deuxième espace annulaire 10 Comme on peut le voir à la hauteur de la ligne VII sur la figure , la pression dans ce deuxième espace 10 est ainsi détendue brusquement à un niveau de pression nettement plus bas. Peu après (Fig 8), le deuxième segment de compression 9 passe sur l'embouchure des cavités 16 A ce moment, comme on peut le voir à la hauteur de la ligne VIII sur la figure 10, la pression dans le premier espace annulaire 9 est brusquement détendue à un niveau bien plus bas Grâce à la détente en temps voulu des matelas d'air enfermés dans les espaces annulaires 7 et , les débordements de pression, comme ceux indiqués par les courbes pi' et P 2 ' dans la partie droite de la figure 10, au-delà de la courbe p, sont évités, si bien que les segments changent de face d'appui dans la gorge concernée au moment adéquat, sous l'action de forces de frottement et de forces massiques. La figure 9 montre la situation o le premier segment de compression 9 passe sur l'embouchure des cavités tampons 16 L'air emmagasiné dans les cavités 16 s'échappe alors comme par une tuyère à travers la fente étroite entre le bord supérieur de l'embouchure et le bord supérieur du segment de compression 6 puis à travers l'étroite fente annulaire 4 et le long du cordon coup de feu vers la chambre de combustion 3 Les résidus de combustion qui s'y trouvent éventuellement, sont ainsi entraînés de manière avantageuse et refoulés vers la chambre de combustion 3, avec le résultat que le jeu de segments reste très propre, donc apte à remplir sa fonction. On décrira ci-après, en référence aux figures 11 à 13, plusieurs variantes de forme et de disposition des cavités tampons Selon la figure 11, les cavités tampons sont constituées par des alvéoles 17 semblables à des trous oblongs dont les axes longitudinaux sont contenus essentiellement dans un plan perpendiculaire à l'axe 18 du piston On obtient ainsi l'avantage que la section droite des cavités tampons et par suite leur volume, sont agrandis, comparativement aux perçages cylindriques de l'exemple de réalisation précédent, sans que cela oblige à augmenter leur étendue dans le sens de l'axe longitudinal du piston, étendue qui est adaptée à la hauteur des surfaces extérieures d'étanchéité des segments de piston Dans tous les exemples de réalisa- tion, les cavités tampons réunis représentent un mul- tiple avantageusement environ trois à quatre fois le volume d'un espace annulaire 7, 10 ou 13 Une telle relation procure des montées et des réductions de pression favorables dans les espaces annulaires, comme le montre la figure 10. Selon la figure 12, les cavités tampons, constituées par des perçages cylindriques 19, sont disposées sur une ligne 20 fermée en elle-même et s 'étendant en forme de selle sur la surface du cylindre le long de laquelle coulisse le piston, les différentes cavités étant donc mutuellement décalées dans le sens axial Ainsi, le remplissage et le vidage des espaces annulaires 7, 10 ne s'effectuent plus aussi brusquement que dans le premier exemple de réalisation, mais de façon progressive pendant un intervalle de mouvement du piston s'étendant du point le plus haut du perçage 19 a situé le plus haut jusqu'au point le plus bas du perçage 19 b situé le plus bas. Selon un autre mode de réalisation, illustré sur la figure 13, un cylindre 2 présente des cavités tampons 21, 22 disposées en deux plans perpendiculaires à l'axe 23 du cylindre Cette variante procure un remplissage et un vidage en deux étapes des espaces annulaires 7, 10 et 13 La pression dans le premier espace annulaire 7, représentée sur la figure 14 par la courbe 24, et la pression dans le deuxième espace annulaire 10, représentée sur la figure 14 par la courbe , s'approchent ainsi davantage, quant à leur forme, de l'allure de pression dans la chambre de combustion 3, désignée par p O et que l'on connaît déjà par la figure De cette manière, les différences de pression entre la chambre de combustion 3 et le carter inférieur sont réparties sur les deux premiers segments de compression 6 et 9, suivant un rapport restant à peu près constant, pendant la partie illustrée du cycle du moteur, ce qui contribue à la charge et à l'usure plus uniformes de ces segments. REVENDICATIONS 1 Cylindre d'un moteur alternatif à combustion interne, possédant une chambre de combustion délimitée dans la partie supérieure par un piston effectuant un mouvement de va-et-vient et portant des segments de piston dans plusieurs gorges annulaires, segments dont les côtés supérieurs ou inférieurs forment plusieurs espaces annulaires en combinaison avec la paroi latérale du piston et la surface du cylindre sur laquelle cou- lisse le piston, de même que plusieurs évidements ménagés dans la paroi du cylindre, caractérisé en ce que les évidements sont réalisés comme des cavités tampons ( 16; 17; 19; 21, 22) dont le volume cumulé représente un multiple d'un espace annulaire ( 7, 10, 13), et que les cavités tampons ( 16; 17; 19; 21, 22) sont disposées à une telle hauteur sur la paroi du cylindre que le segment supérieur ( 6) se trouve sous elles au point mort bas et que le segment inférieur ( 12) se trouve au-dessus d'elles au point mort haut. 2 Cylindre selon la revendication 1, caractérisé en ce que les cavites tampons ( 16) sont des trous borgnes s'étendant radialement dans la paroi du cy- lindre. 3 Cylindre selon la revendication 1, caractérisé en ce que les cavités tampons sont des alvéoles ( 17) ayant la forme de trous oblongs dont l'axe longitudinal est essentiellement perpendiculaire à l'axe ( 18) du cylindre. 4 Cylindre selon l'une quelconque des revendi- cations précédentes, caractérisé en ce que plusieurs cavités tampons ( 16; 17; 19; 21, 22) sont uniformément réparties sur la périphérie. Cylindre selon l'une quelconque des revendi- cations précédentes, caractérisé en ce que toutes les cavités tampons ( 16, 17) sont disposées dans un plan perpendiculaire à l'axe ( 18) du cylindre. 6 Cylindre selon l'une quelconque des revendi- cations 1 à 4, caractérisé en ce que toutes les cavités tampons ( 19) sont disposées sur une ligne ( 20) fermée en elle-même et s'étendant en forme de selle sur la surface de coulissement du piston, de manière que les cavités soient mutuellement décalées axialement. 7 Cylindre selon l'une quelconque des revendi- cations 1 à 4, caractérisé en ce que les cavités tampons ( 21, 22) sont disposées en deux plans parallèles et perpendiculaires à l'axe ( 23) du cylindre. 8 Cylindre selon l'une quelconque des revendi- cations précédentes, caractérisé en ce que le volume global de toutes les cavités tampons ( 16; 17; 19; 21, 22) représente trois à quatre fois le volume d'un espace annulaire ( 7; 10; 13) se trouvant entre les segments de piston. 9 Cylindre selon l'une quelconque des revendi- cations précédentes, caractérisé en ce que l'étendue axiale d'une cavité tampon ( 16; 17; 19; 21, 22) au droit de son embouchure dans la paroi du cylindre est seule- ment un peu plus grande que la hauteur axiale de la surface extérieure d'étanchéité d'un segment de piston ( 6, 9, 12).