Brevet FR2668090A1 — publié le 19920424

i PROCEDE POUR LA FABRICATION D'UN PISTON EN DEUX PARTIES ET LEDIT PISTON La présente invention concerne la technique de fabri- cation des pistons, plus particulièrement de pistons pour les moteurs à combustion interne de forte puissance, qui ont pour caractéristique que leur partie supérieure, ou haut, bouge indépendamment de la partie de guidage infé- rieure ou jupe. Ce type de piston, également appelé piston articulé, parce que la partie supérieure et la jupe sont articulées au moyen d'un maneton commun, est apparu en raison de la nécessité de pistons plus résistants et d'un meilleur ajustement entre le corps du piston et la chemise de cy- lindre, conjointement à l'augmentation constante de puis- sance et la plus grande compacité des moteurs de dernière génération. En particulier en ce qui concerne les moteurs Diesel, des températures élevées prédominent dans la partie supé- rieure, les plus fortes étant dans la chambre de combustion et la zone des segments. Une solution très répandue pour atténuer les dommages que ces hautes températures peuvent causer aux parties du piston est la réalisation d'une concavité circonférentielle et périphérique entre la chambre de combustion et la zone des segments dans la face interne inférieure de la partie supérieure qui, à son tour, juxtaposée à un évidement éga- lement périphérique dans la partie supérieure de la jupe, forme un réservoir, ou chambre de refroidissement, o l'huile injectée depuis le carter-moteur circule Quand elle se trouve dans la chambre de refroidissement, l'huile est secouée contre les parois internes de la chambre, enle- vant de la chaleur de la chambre de combustion et de la zone des segments. Un tel réservoir, ou chambre de refroidissement, donne de bons résultats pour ce qui est l'atténuation des effets de la chaleur dans les parties mentionnées, cependant, lorsque la charge thermique est trop forte, les résultats sont défavorables. Si l'indépendance des mouvements entre le haut et la jupe favorise la forte secousse de l'huile dans la chambre, cette dernière est d'autre part si forte que des forces d'inertie amènent une certaine quantité d'huile à quitter la chambre, par l'espace entre le haut et la jupe, la ra- menant trop tôt dans le carter-moteur, sans extraction de la quantité souhaitée de chaleur Une si mauvaise utilisa- tion de la capacité de refroidissement de l'huile nuit aux chambres de combustion deu type rentrant, qui sont plus profondes que la chambre classique et conçues pour créer une turbulence, de manière à améliorer la combustion. Les températures créées dans ces chambres sont encore plus élevées que dans les chambres de type courant. Outre ses déficiences techniques, ce type de chambre de refroidissement a un coût de fabrication trop élevé, en particulier parce qu'un évidement périphérique dans la par- tie supérieure de la jupe doit être réalisé avec un tablier ou plateau, par usinage ou par des moules de coulage ou forgeage complexes. Dans le but d'améliorer le processus d'extraction de chaleur, il a maintes fois été proposé de maintenir l'huile de refroidissement pendant une plus longue période dans la chambre de refroidissement, pour accroître la quantité de chaleur extraite de la chambre de combustion. Certaines de ces propositions sont décrites dans les demandes allemandes DE 36 44 548 et DE 37 13 241, toutes deux de Ripberger E et Wieland H ainsi que dans DE 36 43 039 de Kopf E et Wille J Néanmoins, les proposi- tions connues impliquent des coûts de fabrication élevés parce qu'elles comprennent une phase de procédé pour rac- corder l'élément de fermeture de la chambre. Dans les chambres de type rentrant, la partie infé- rieure dans laquelle le carburant est injecté, est égale- ment très affectée par lesdites températures élevées, parce que sa forme étant concave, la dissipation de chaleur est toujours difficile à obtenir. Par conséquent, la présente invention a pour objet de proposer un piston de moteur à combustion interne du type en deux parties, ou articulé, comportant une chambre de re- froidissement qui permet une grande efficacité de l'huile de refroidissement, donnant une condition de refroidis- sement améliorée, au piston, en particulier dans les ré- gions les plus critiques, à savoir la bordure et le fond de la chambre de combustion et la zone des segments. La présente invention a encore pour objet de proposer un piston de moteur à combustion interne du type articulé avec une chambre de refroidissement très efficace, pouvant réduire les températures élevées dans lesdites régions, à un faible coût de fabrication. La présente invention peut être mise en oeuvre par deux modes de réalisation à sélectionner selon la hauteur de compression du piston qui est la distance entre le haut du piston et la ligne médiane de l'orifice du maneton. La présente invention va être décrite plus en détail avec référence aux dessins annexés illustrant deux modes de réalisation de l'invention à titre d'exemple Sur les des- sins: La figure 1 est une vue en coupe longitudinale d'une partie supérieure de piston articulé, illustrant un pre- mier mode de réalisation de la présente invention; La figure 2 illustre un élément de fermeture annulaire pour fermer la chambre de refroidissement du piston articu- lé de la présente invention; La figure 3 illustre un autre élément annulaire desti- né à être employé dans le premier mode de réalisation de la présente invention; La figure 4 est la partie supérieure du piston de la figure 1, doté de l'élément annulaire représenté sur les figures 2 et 3, selon le premier mode de réalisation de la présente invention. La figure 5 est une vue de dessous de la partie supé- rieure du piston de la figure 4 dans un plan normal relati- vement au plan axial du piston; La figure 6 est une vue en coupe longitudinale d'une autre partie supérieure de piston articulé avec une hauteur de compression sensiblement réduite par comparaison avec la partie supérieure de piston de la figure 1, qui sert à il- lustrer le second mode de réalisation de la présente inven- tion; La figure 6 a est une vue partielle de la partie supé- rieure du piston de la figure 6, qui est un agrandissement de la zone indiquée sur la figure 6; La figure 7 est une vue de dessous de la partie supé- rieure du piston de la figure 6 dans un plan normal relati- vement au plan axial du piston. Selon un premier mode de réalisation de la présente invention, illustré sur la figure 1, la partie supérieure 1 du piston est dotée d'une chambre de combustion 2 de type rentrant; d'une zone à segments 3 comprenant des rainures à segments périphériques et une paire de bossages d'axe 4 pour loger un maneton (non représenté) entre la partie su- périeure 1 et la jupe (non représentée). Pour améliorer les conditions de refroidissement dans la chambre de combustion 2 et la zone à segments 3, une chambre de refroidissement 5 est prévue entre la chambre 2 et la zone à segments 3. Un temps de séjour plus long de l'huile de refroidis- sement dans la chambre 5 améliore les conditions de refroi- dissement de la chambre 2 et de la zone 3, par insertion d'un élément annulaire 6 à demi-fermé, illustré sur la fi- gure 2, selon le procédé qui est décrit ultérieurement La partie supérieure 1 du piston de ce mode de réalisation est illustrée sur la figure 4. Toujours relativement à ce premier mode de réalisation, en se référant à présent à la figure 4, le procédé de réalisation de la chambre de refroidissement débute par la fabrication d'une partie supérieure 1, audessus de la section SS qui la divise à une position haute des alésages 4 d'axe de piston, dans laquelle une portion supérieure d'une galerie de refroidissement 5 est ménagée par n'importe quel procédé approprié, ainsi qu'une rainure périphérique 10 entourant le contour de la chambre 5 située dans la face la plus externe de la partie supérieure 1, le plus près du plan SS Dans un autre plan encore plus près du plan SS est réalisée une encoche Il dans le contour de la chambre 5 située dans la face la plus interne de la partie supérieure 1 Aux limites inférieures du fond 2 I de la chambre de combustion 2 est réalisée une rainure positionnée à la périphérie. Un élément annulaire à demi-fermé 6 est prévu, de préférence de forme ronde, correspondant au contour externe de la chambre 5 le plus près du plan de coupe SS, étant fait d'un matériau élastique, par exemple, un polymère, o, de préférence un matériau métallique tel que de l'acier à ressorts ou n'importe quel autre matériau approprié, dont le diamètre intérieur est Di et le diamètre extérieur D 2, ce dernier étant supérieur à la dimension D de la chambre 5, mesurée entre ses points les plus externes sur la partie supérieure 1. L'élément 6 comporte un espace diamétral 9 dont les surfaces de bord sont A et B et en plus deux trous de serrage 8 Ces trous de serrage sont facultatifs. Dans une autre portion dudit élément 6, est ménagé au moins un trou débouchant 7 pour l'huile de refroidissement (non représentée). Pour fermer la chambre 5, l'élément 6 est comprimé dans la direction diamétrale, c'est-à-dire en amenant le bord A près du bord B, à l'aide d'un outil inséré dans les trous de serrage 8, réduisant l'espace 9 de manière à réduire le diamètre D 2 et permettre une insertion au-delà du diamètre D de la chambre 5 jusqu'à ce que la rainure 10 et l'épaulement il soient atteint. A cette position, l'élément 6 est dégagé de la force de compression de fermeture et fermement emboîté dans la rainure et l'épaulement 11, ce qui ferme la chambre de refroidissement 5. Pour améliorer le refroidissement au-dessous 2 I de la chambre de combustion 2, est disposé un second élément annulaire à demi-fermé 13, d'une forme correspondant au contour de la région 2 I près du plan SS, illustré sur la figure 3 La dimension interne inférieure la plus petite de l'élément 13 est D 4 tandis que la dimension externe la plus grande est D 3. L'élément 13 est en outre doté d'une bordure interne périphérique 14 facultative, légèrement courbée relativement à la surface de la dimension D 3, et de trous de serrage 80 près des bords AA et BB Les trous de serrage 80 sont facultatifs. Le matériau de l'élément peut être le même matériau que pour l'élément 6. La fixation de l'élément 13 sur la partie supérieure 1, en particulier sur la sous-couronne 2 I, est effectuée en amenant le bord AA près du bord BB, éventuellement à l'aide d'un outil de serrage inséré dans les trous de serrage 80, de manière suffisante pour réduire le diamètre extérieur de l'élément et lui permettre d'accéder au diamètre DI de la portion 2 I dans le plan d'une rainure périphérique 15 auparavant réalisée, dont le diamètre D 5 est légèrement inférieur au diamètre D 3 de l'élément 13, avant la compression précitée Dans l'état comprimé l'élément 13 est positionné dans la rainure 15, et, ensuite la tension, compressive est supprimée, de manière que l'élément 13 soit fermement positionné dans la rainure 15 étant donné l'effet de ressort du matériau de l'élément 13. Avec les éléments 6 et 13, positionnés respectivement dans ( 10, 11) et dans la rainure 15, ladite partie supérieure 1 au- dessus du plan de coupe SS est raccordée à la partie de bossages d'axe 4, représentée en dessous du plan de coupe SS, par soudage, de préférence par soudage par friction. La fabrication de la partie supérieure au-dessus de la ligne SS se fait par coulage ou forgeage suivi d'opérations d'usinage La réalisation des rainures 10 et 15 se fait par usinage de la partie supérieure 1, au-dessus du plan SS. Cette opération peut se faire durant le façonnage de la partie supérieure 1 située au-dessus du plan SS au moyen de moules de coulage ou de forgeage de formes correspondantes. En se référant toujours à ce premier mode de réalisation de la présente invention, la figure 5 illustre une vue de dessous de la partie supérieure 1 avec les éléments 6 et 13 dûment encastrés Lors du fonctionnement du moteur, l'huile du carter-moteur est injectée dans la chambre de refroidissement par au moins un trou débouchant 7 et, une partie de cette huile va jusqu'à la région 2 I via des passages 17, qui sont ménagés pour interconnecter la chambre 5 et la sous-couronne 2 I de manière à équilibrer le taux de refroidissement des deux compartiments ( 2 I, 5) L'huile qui atteint la région 2 I est contenue dans l'élément 13 et avec les déplacements de la partie supérieure 1 du piston, l'huile est secouée à l'intérieur de la chambre 5 et la région 21, entraînant un refroidissement plus efficace de la chambre de combustion 2 et la zone à segments 3 parce qu'elle est confinée pendant une plus longue période qui peut être prédéterminée en fonction des dimensions du trou 7 et du diamètre D 4. La flexion de la bordure 14 de l'élément 13 est facultative et contribue au maintien de l'huile de refroidissement pendant une plus longue période, dans la région 2 I, l'inclinaison étant la plus grande dans la direction de la chambre de combustion 2. Après extraction de la chaleur, l'huile de refroidissement retourne dans le carter-moteur (non représenté) via les trous 9 et 7, dans l'élément 6, et via les ouvertures D 4 et 90, dans l'élément 13. Un autre mode de réalisation important de la présente invention concerne les pistons à hauteur de compression CH réduite suffisamment pour nuire à l'élément 6 avec l'étincelage de soudage lorsque la partie supérieure 1 est soudée aux bossages d'axe 4. En se référant à présent aux figures 6, 6 A et 7, est illustrée une partie supérieure 70 de piston avec une chambre de combustion 20, une zone àc segments 30, une chambre de refroidissement 50 et des bossages d'axe 40 pour un maneton (non représenté). Dans ce mode de réalisation, la partie supérieure 70 est fabriquée par n'importe quel procédé approprié en tant que pièce d'un seul tenant, dotée d'une rainure périphérique 100 dans la limite inférieure du contour de la chambre 50, dans la portion la plus externe de la partie supérieure 70 et d'une encoche 110 légèrement en dessous de la rainure 100 dans le contour le plus interne de la chambre 50. Est ensuite disposé un élément 6, similaire à celui illustré dans le mode de réalisation précédent, excepté pour les dimensions, dont la dimension externe correspond au contour de la chambre 50 L'élément 6 est dilaté de manière à agrandir l'espace 9, à l'aide d'un outil de serrage (non représenté), suffisamment pour permettre à son diamètre intérieur Dl de passer par la dimension la plus grande E des alésages 40 Une fois la dimension E passée, l'élément 6 est déplacé dans la direction de la chambre de refroidissement 50 l'amenant à se fermer, en inversant la direction de la tension de fermeture appliquée sur les trous de serrage 80 afin de pouvoir dépasser la dimension D' de la chambre 50, dans la direction de la rainure 100 La tension de fermeture est alors relâchée et l'élément 6 est fermement emboîté entre la rainure 100 et l'encoche 110. Comme dans le mode de réalisation précédent, la combinaison de la propriété élastique (de ressort) du matériau de l'élément 6 et de la différence de dimension entre son diamètre D 4 et la distance entre la rainure 100 et l'encoche garantit l'ajustement de l'élément 6 dans la position désirée. Comme dans le premier mode de réalisation, les dimensions des trous 9, 7 de contrôle de débit d'huile doivent être définies en fonction du temps de séjour de l'huile dans la chambre de refroidissement 50, selon les exigences spécifiques de construction du moteur. La figure 7 est une vue du dessous de la partie supérieure du piston avec l'élément 6 emboîté. Il est important de noter que l'encoche 11, 110 est située légèrement en dessous de la rainure ( 10, 100) de manière à empêcher toute vibration de l'élément 6 durant le fonctionnement du moteur Les principes de fonctionnement de ce second mode de réalisation sont les mêmes que ceux du premier mode pour ce qui est de la circulation de l'huile de refroidissement et de sa capacité en tant qu'agent caloporteur. REVENDICATIONS 1 Procédé pour la fabrication d'une partie supérieure de piston articulée ( 1), dotée d'une chambre de combustion ( 2), d'une zone à segments ( 3), d'alésages d'axe ( 4) pour maneton (non représenté) pour une articulation avec une partie inférieure ou jupe (non représentée) et d'une cham- bre de refroidissement ( 5), caractérisé en ce qu'il com- prend les phases principales suivantes consistant à: a) fabriquer la partie supérieure ( 1) au-dessus d'un plan de coupe diviseur (SS), qui sépare la partie supérieure la plus haute des alésages d'axe ( 4), réaliser une rainure périphérique ( 10) entourant le contour de la chambre ( 5), située dans la face la plus externe de la partie supérieure ( 1), le plus près du plan (SS) et, dans un autre plan enco- re plus près du plan (SS), réaliser une encoche ( 11) dans le contour de la chambre ( 5), située dans la face la plus interne de la partie supérieure ( 1); b) réaliser une rainure de contour périphérique ( 15) dans la limite inférieure de la sous-couronne ( 2 I); c) réaliser un élément ( 6) à demi-fermé dans un matériau élastique présentant une dimension la plus externe (Dl) et la plus interne (D 2), de préférence de forme ronde, cor- respondant au contour de la chambre ( 5) le plus près du plan de coupe (SS), doté de trous de serrage ( 8) faculta- tifs et d'un bord radial (A) et d'un bord radial (B) avec un espace radial ( 9), et en outre d'au moins un trou dé- bouchant ( 7) de passage d'huile de refroidissement; d) comprimer l'élément ( 6) dans la direction diamétrale, en rapprochant les bords (A) et (B), réduisant l'espace ( 9) suffisamment pour que la dimension (D 2) devienne inférieure à la distance (D) entre les limites les plus externes de la chambre ( 5), près du plan SS; il e) introduire l'élément ( 6) auparavant comprimé dans la partie supérieure ( 1), l'amener jusqu'à la chambre ( 5) et le positionner dans la direction de la rainure ( 10) et de l'encoche ( 11); f) relâcher la tension compressive sur l'élément ( 6); g) réaliser un élément ( 13) à demi- fermé dans un matériau élastique présentant facultativement une bordure de contour interne ( 14) pour retenir l'huile, d'une forme qui cor- respond au contour de la région ( 2 I) près du plan (SS), dont la dimension inférieure la plus interne est (D 4) et la dimension supérieure la plus externe est (D 3) et en outre des trous de serrage ( 80) facultatifs près des bords (AA) et (BB) entre lesquels se trouve un espace radial ( 90); h) comprimer l'élément ( 13) en rapprochant les bords (AA) et (BB), réduisant l'espace ( 90) suffisamment pour accéder à la région dessous ( 2 I), dans la dimension DI, et l'amener jusqu'au plan d'une rainure ( 15) auparavant disposée au diamètre (D 5), inférieur au diamètre (D 3) de l'élément ( 13) avant sa compression diamétrale; i) aligner l'élément ( 13) avec le plan de la rainure ( 15) et relâcher la compression diamétrale sur celui-ci; j) raccorder la portion la plus haute de la partie supé- rieure ( 1), au-dessus du plan de coupe (SS) avec la partie d'alésages d'axe ( 4), sous le plan de coupe (SS). 2 Procédé selon la revendication 1, dans lequel la fa- brication de la partie supérieure au-dessus de la ligne (SS) se fait par coulage ou forgeage suivi d'opérations d'usinage. 3 Procédé selon la revendication 1, dans lequel la réa- lisation des rainures ( 10, 15) et de l'encoche ( 11) se fait par usinage de la partie supérieure ( 1) au-dessus du plan (SS). 4 Procédé selon la revendication 1, dans lequel la réa- lisation des rainures ( 10, 15) et de l'encoche ( 11) au- dessus de la ligne (SS) se fait durant le façonnage de la partie supérieure ( 1) située au-dessus du plan (SS) au moyen de moules de coulage ou de forgeage de formes cor- respondantes. Procédé selon la revendication 1, dans lequel l'élé- ment ( 6, 13) est fait d'une plaque de polymère élastique. 6 Procédé selon la revendication 1, dans lequel l'élé- ment ( 6, 13) est fait d'une plaque d'acier à ressorts élas- tique. 7 Procédé selon la revendication 1, dans lequel la com- pression de l'élément ( 6, 13) est réalisée au moyen d'un outil de serrage (non représenté), serré sur les orifices de serrage ( 8, 80). 8 Procédé selon la revendication 1, dans lequel l'enco- che ( 11) est plus proche du plan (SS) que la rainure ( 10); 9 Procédé selon la revendication 1, dans lequel le rac- cordement de la portion la plus haute de la partie supé- rieure ( 1) au-dessus du plan (SS) dotée d'éléments an- nulaires ( 6, 13) avec la partie d'alésages ( 4) restante sous le plan (SS) se fait par soudage, de préférence sou- dage par friction. 10 Partie supérieure ( 1) de piston de moteur à combustion interne dotée d'une chambre de combustion ( 2), d'une zone à à segments ( 3), d'alésages d'axe ( 4) pour maneton destinée à être montée par articulation sur une jupe (non représen- tée) et d'une chambre de refroidissement ( 5), caractérisée en ce qu'elle comprend une fermeture sous la chambre de refroidissement ( 5) et la sous-couronne ( 2 I), sous la cham- bre de combustion ( 2), avec des éléments ( 6, 13) à demi- fermés maintenus en position par l'élasticité de leur maté- riau combinée à l'interférence dimensionnelle avec la par- tie supérieure ( 1). 11 Partie supérieure ( 1) de piston de moteur à combustion interne selon la revendication 10, dans laquelle l'interfé- rence dimensionnelle de l'élément ( 6) se fait avec la rai- nure ( 10) et l'encoche ( 11) et l'interférence dimensionnel- le de l'élément ( 13) se fait avec la rainure ( 15). 12 Procédé pour la fabrication d'une partie supérieure ( 70) de piston articulée dotée d'une chambre de combustion ( 20), d'une zone à à segments ( 30) et d'alésages ( 40), ca- ractérisé en ce qu'il comprend les phases principales con- sistant à: a) réaliser une partie supérieure ( 70) de piston dans un corps d'un seul tenant, dotée d'une rainure périphérique ( 100) dans la limite inférieure du contour de la chambre de refroidissement ( 50) dans la portion la plus externe de la partie supérieure ( 70), près des alésages ( 40), comportant une encoche ( 110) plus basse que la rainure ( 100), dans le contour le plus interne de la chambre ( 50); b) réaliser un élément ( 6) à demi-fermé dans un matériau élastique, présentant une dimension interne (Dl) et une di- mension externe (D 2), de préférence de forme ronde et cor- respondant au contour de la chambre ( 50), doté de trous de serrage ( 8) facultatifs et de bords radiaux (A) et (B) en- tre lesquels il y a un espace radial ( 9), outre au moins un trou débouchant pour le passage de l'huile; c) appliquer une tension d'ouverture diamétrale sur l'élé- ment ( 6) pour séparer le bord (A) du bord (B), agrandir l'espace ( 9), suffisamment pour que sa dimension la plus petite (Dl) passe par la dimension la plus grande (E) des alésages ( 40) et l'amener jusqu'à la chambre de refroidis- sement ( 50); d) une fois au-delà de la partie d'alésages ( 40) o la di- mension est (E), inverser la direction de la tension dia- métrale sur l'élément ( 6), la faire passer d'une tension d'ouverture à une tension dimaétrale de fermeture, en rap- prochant les bords (A) et (B), réduisant l'espace ( 9), jus- qu'à l'alignement avec la rainure ( 100) et l'encoche ( 110) et relâcher la tension de fermeture. 13 Procédé pour la fabrication d'une partie supérieure ( 70) de piston selon la revendication 12, dans lequel la partie supérieure ( 70) est fabriquée par coulage ou for- geage suivi d'opérations d'usinage. 14 Procédé pour la fabrication d'une partie supérieure ( 70) de piston selon la revendication 12, dans lequel la réalisation de la rainure ( 100) et de l'encoche ( 110) se fait par usinage de la partie supérieure ( 70). 15 Procédé pour la fabrication d'une partie supérieure ( 70) de piston selon la revendication 12, dans lequel la réalisation de la rainure ( 100) et de l'encoche ( 110) se fait durant le façonnage de la partie supérieure ( 70) au moyen de moules de coulage ou de forgeage de formes cor- respondantes. 16 Partie supérieure ( 70) de piston dotée d'une chambre de combustion ( 20), d'une zone à segments ( 30), d'alésages d'axe ( 40) et d'une chambre de refroidissement ( 50), carac- térisée en ce qu'elle comprend une fermeture sous la cham- bre de refroidissement ( 50) avec un élément annulaire ( 6) à demi-fermé maintenu par l'élasticité de son matériau com- binée à son interférence dimensionnelle avec la rainure ( 100) et l'encoche ( 110).