Brevet FR2747756A1 — publié le 19971024

La présente invention concerne des compositions lubrifiantes et plus particulièrement des compositions lubrifiantes à utiliser dans le revêtement des anneaux ou segments de piston installés dans les moteurs à combustion interne. De grands pas ont été effectués en étendant la durée de vie utile des moteurs à combustion interne. Nombres de ces améliorations ont été rendues possibles par l'utilisation de matériaux qui réduisent le frottement entre les composants en déplacement utilisés dans le moteur à combustion interne. Par exemple, revêtir la surface d'un anneau de piston en contact avec la paroi de cylindre avec du polytétrafluoroéthylène (PTFE) pour réduire des frottements glissants entre l'anneau de piston et la paroi de cylindre est une technique connue pour réduire la friction des moteurs. I1 est également connu de déposer du PTFE entre les paliers de tige et les faces de tourillon respectives de vilebrequin d'un moteur à combustion interne pour minimiser la friction. En dépit de ces avancées, il reste toujours plusieurs zones intenses de frottement de modèles de moteur conventionnels qui n'ont pas été résolues de manière adéquate même en utilisant les revêtements de réduction de frottement les plus avancés. Une telle zone problématique concerne l'interface entre les pistons et les anneaux de piston des moteurs à combustion interne. Dans la vaste majorité des moteurs à combustion interne qui utilisent des pistons à mouvements alternatifs, les pistons sont entourés par des anneaux de piston pour créer un joint étanche au gaz relativement efficace entre le piston et la paroi de cylindre. Ainsi, lorsqu'une charge dans le cylindre du moteur est allumée, créant des pressions élevées dans la chambre de combustion, les gaz en expansion qui sont formés pendant le processus de brûlage sont confinés dans la chambre de combustion. Les gaz confinés exercent une force descendante sur le piston et ne sont pas autorisés à s'échapper entre le piston et la paroi de cylindre. Bien que l'anneau de piston soit typiquement emprisonné dans une rainure qui est découpée le long d'une surface circonférentielle externe du piston, l'anneau est dimensionné par rapport à la rainure de manière à pouvoir tourner librement dans la rainure. I1 est important que l'anneau de piston soit mobile par rapport à la rainure car son mouvement relatif résulte en un transfert de chaleur plus uniforme entre le piston et les parois de cylindre. I1 y a une période de temps critique pour les nouveaux moteurs, connue comme la période de rodage pendant laquelle les surfaces en mouvement des composants réunis s'ajustent pour se conformer de manière correspondante les uns aux autres. Pendant cette période de rodage, l'interface piston/anneau de piston est particulièrement sensible à une condition connue comme le microsoudage, dans laquelle il y a une propension de l'anneau de piston à coller aux parois latérales de la rainure de piston. Le microsoudage est un phénomène qui a pour effet que les zones de contact entre le piston et l'anneau de piston se soudent littéralement l'une à l'autre en résultat de la pression et de la température subies par les points de contact. Si pendant le rodage, l'anneau de piston peut être maintenu à déplacement libre par rapport aux parois de la rainure de piston, la rainure de piston/l'anneau de piston s'adapteront uniformément et la microsoudure n'apparaîtra pas. La présente invention a pour objet un système pour empêcher le microsoudage d'un anneau à un piston et comprend un anneau qui est revêtu d'un composition de résine thermodurcissable, de polytétrafluoroéthylène, et de disulfure de molybdène. La présente invention a également pour objet un système pour empêcher le microsoudage d'un anneau à un piston et comprend un piston qui est adapté à se déplacer alternativement dans une chambre de combustion d'un moteur. Le piston présente une surface externe avec une rainure circonférentielle disposée dans celle-ci. Un anneau est disposé dans la rainure circonférentielle, l'anneau comprenant une surface de contact avec la paroi de cylindre et une surface de contact avec la rainure de piston. La surface de contact avec la rainure de piston est revêtue d'une composition de résine thermodurcissable, de polytétrafluoroéthylène, et de disulfure de molybdène. De préférence, l'anneau comprend une surface supérieure s'étendant radialement et une surface inférieure s'étendant radialement, de sorte que la surface en contact avec la rainure de piston comprenne la surface inférieure de 1 'anneau. La présente invention vise également un procédé pour empêcher le microsoudage d'un anneau de piston à un piston. Une composition comprenant une résine thermodurcissable, du polytétrafluoroéthylène, et du disulfure de molybdène est déposée sur une surface d'un anneau de piston. La composition est de préférence cuite par exposition de l'anneau de piston à une température élevée pendant une période prédéterminée de temps. L'invention sra mieux mprise, et d'autres buts, détales, cacSrStiques et avantages de lle-ci apparaitront plus clalemlt au cwrs de la description explicative détaillée qui va suivre de plusieurs modes de réalisation particuliers et actuellement préférés de l'invention, donnés uniquement à titre illustratif et non limitatif, en référence aux dessins schématiques annexés, dans lesquels - la figure 1 est une vue en élévation et en perspective de l'anneau de piston de la présente invention installé dans une rainure circonférentielle d'un piston - la figure 2 est un premier mode de réalisation de l'anneau de piston de la présente invention - la figure 3 est une vue partielle et en coupe suivant la ligne 3-3 de la figure 1 - la figure 4 est un deuxième mode de réalisation de l'anneau de piston préféré de la présente invention ; et - la figure 5 est une représentation graphique des résultats comparatifs d'essais. Selon l'exemple de réalisation représenté sur la figure 1, dans un système préféré 10 de l'invention, un piston 12 est ajusté avec au moins une rainure circonférentielle 13 (voir figure 3). La rainure 13 est définie par des parois supérieure et inférieure s'étendant radialement 18, 20 respectivement et une paroi verticale 22. Un anneau de piston 14 est typiquement installé dans la rainure 13. I1 n'est pas inhabituel pour le piston 12 d'avoir deux ou plus anneaux 14, 14', 14" pour assurer une étanchéité efficace aux gaz de la chambre de combustion et pour assurer également le flux minimal d'huile de lubrification dans la chambre de combustion à partir du carter de vilebrequin de moteur. Comme représenté sur la figure 3, un premier mode de réalisation d'anneau de piston 14 comprend des surfaces supérieure et inférieure s'étendant radialement 24, 26, une surface verticale radialement interne 28, et une surface radialement externe 30 venant en contact avec la paroi de cylindre. La surface inférieure 26 est revêtue d'une composition 32 de résine thermodurcissable, de polytétrafluoroéthylène et de disulfure de molybdène. Dans un second mode de réalisation, représenté sur la figure 4, la surface externe entière de l'anneau 14 est revêtue d'une composition 16' de résine thermodurcissable, de polytétrafluoroéthylène et de disulfure de molybdène. La composition est communément commercialisée sous le nom commercial de Xylan 1620z, Whitford Corporation, Box 507, Westchester, PA 19381-0507 (numéro de téléphone 215-436-0600). Le Xylan 1620 est normalement appliqué à des pièces pour réduire l'usure. Dans le cas de la présente invention, il est toutefois utilisé pour permettre à l'anneau 14 de se déplacer par rapport aux parois 18, 20 et 22 de la rainure de piston 13 et ainsi empêcher la microsoudure. Dans certaines applications extrêmement exigeantes, il peut être nécessaire de recouvrir les surfaces d'anneau de piston 24, 26, 28 et 30 avec du Xylan 1620w. 2ntefois, les essais gants iMiquent que dans la plupart des applicatims, il est seSfflnt nécessaire de r3xssrir la surface de contact inférieure 26 de l'anneau de piton 14 pour empêcher le microsoudage. Après que la période de rodage ait expirée, le Xylan 1620lM est habituellement consommé par usure et ne joue pas d'autre rôle. Le Xylan 1620T empêche la microsoudure de survenir en permettant aux surfaces de la rainure de piston et à l'anneau de piston de se déplacer l'un par rapport à l'autre. Ainsi, un ajustement uniforme est favorisé pendant toute la période critique de rodage du moteur. Le Xylan 1620TM réduit ou élimine le contact direct entre l'anneau 14 et les parois de rainure de piston 18, 20 et 22. L'anneau de piston 14 est typiquement formé en acier ou en fonte ductile. Le piston 12 est typiquement formé en aluminium. En séparant le piston 12 et l'anneau 14 constitués de manière dissemblable pendant la période critique de rodage, le transfert de chaleur entre eux est rendu uniforme à l'interface entre l'anneau 14 et les parois 18, 20 et 22 de la rainure de piston. Ainsi, les deux surfaces se conforment l'une à l'autre sans les hautes pressions et températures localisées qui pourraient autrement survenir en l'absence du Xylan 1620T. I1 est préférable que le Xylan 1620T soit appliqué à la surface ou aux surfaces de l'anneau plutôt que sur les parois 18, 20, 22 de la rainure de piston 13. I1 est bien plus facile de contrôler l'épaisseur et l'emplacement du revêtement en Xylan 1620TM lorsque ce dernier est déposé sur l'anneau au lieu des parois de la rainure de piston. En outre, lorsqu'il est appliqué sur le piston 12, le Xylan 1620TM peut agir comme barrière thermique, ce qui peut résulter en une résistance thermique trop importante dans le piston et une panne possible du piston. En outre, si l'aluminium plus mou de la rainure de piston 13 était revêtu, le Xylan 1620TM pourrait se séparer de manière indésirable des parois 18, 20 et 22 pendant la période critique de rodage. De préférence, le Xylan 1620T est appliqué à l'anneau de piston par immersion, par pulvérisation ou par roulage. Ensuite, l'anneau est cuit dans un four conformément aux recommandations du fabricant du Xylan. Dans des essais discutés plus loin, les inventeurs ont appliqué le Xylan 1620 TM par immersion et ont cuit ensuite les anneaux pendant approximativement dix minutes à une températures d'environ 2320C. L'exemple suivant servira à titre illustratif et non limitatif, le système de la présente invention et les résultats ainsi obtenus en comparaison avec d'autres matériaux. Comme résumé sur la figure 5, les inventeurs ont conduit une série d'expériences. Pour chaque expérience, les inventeurs ont utilisé six anneaux de piston expérimentaux installés dans la rainure supérieure de six pistons dans un moteur à combustion interne à six cylindres. Un anneau de piston classique a été installé dans la rainure inférieure de chaque piston. Les pistons, les anneaux de piston expérimentaux, et les anneaux de piston conventionnels inférieurs ont été remplacés après chaque expérience. Chaque anneau de piston expérimental avait un diamètre de 3,7 pouces (94 mm), une largeur de bord de 5/64 pouces (2 mm), et une dimension radiale de paroi de 0,136 pouces (3,5 mm). Les anneaux expérimentaux étaient tous formés en fonte ductile. Dans une expérience de contrôle, aucun revêtement n'a été utilisé. Tous les six anneaux de piston expérimentaux manifestèrent des microsoudures au bout d'une durée de base de 30 minutes. Dans une seconde série d'expériences, les inventeurs ont utilisé divers revêtements durs. Une première expérience a consisté à utiliser un revêtement de surface de placage de chrome appliqué en utilisant un bain électrolytique. Une seconde expérience a consisté à utiliser un revêtement de surface en nitrure de titane utilisant un procédé de placage ionique connu dans la technique. Une troisième expérience a consisté à utiliser un revêtement de surface en nitrure de chrome utilisant un procédé de placage ionique connu dans la technique. Une quatrième expérience a consisté à utiliser un revêtement de surface de nitruration en phase gazeuse dans laquelle le nitrure en phase gazeuse a été appliqué en utilisant un fourneau à gaz. Dans chacune des quatre expériences, tous les six anneaux de piston expérimentaux ont manifesté une microsoudure au bout de la durée de base de 30 minutes. Dans une troisième série d'expériences, les inventeurs ont utilisé divers lubrifiants solides. Une première et une seconde expériences ont consisté à utiliser des revêtements à base de disulfure de molybdène vendus par la Dow Corning sous les noms commerciaux Molykote D10 et 106 respectivement. Pour chaque expérience, les revêtements ont été pulvérisés sur les six anneaux de piston expérimentaux et cuits pendant environ une heure à environ 1500C. Une troisième expérience a consisté à pulvériser du disulfure de tungstène sur les anneaux de piston expérimentaux. Dans chacune des trois expériences, une moyenne de quatre anneaux ont présenté des microsoudures au bout de la durée de base de trente minutes. Dans une quatrième série d'expériences, les inventeurs ont utilisé divers lubrifiants liquides. Une première expérience a consisté à immerger les anneaux de piston expérimentaux dans de l'huile de moteur. Une seconde et une troisième expériences ont consisté à immerger les anneaux de piston expérimentaux dans deux produits différents vendus sous le nom commercial Biotron. Le premier était une formulation de moteur et le second était un lubrifiant de pénétration. Dans chacune des trois expériences, tous les six anneaux ont manifesté des microsoudures au bout de la durée de base de trente minutes. Dans une cinquième série d'expériences, les inventeurs ont revêtu les anneaux de piston expérimentaux avec une composition de résine thermodurcissable, de polytétrafluoroéthylène et de disulfure de molybdène. La composition est couramment commercialisée sous le nom commercial de Xylan 1620z. Le Xylan 1620 a été appliqué par immersion des anneaux de piston expérimentaux dans du Xylan 1620tu et les anneaux ont été ensuite cuits pendant approximativement dix minutes à une température approximative de 2320C. Carme rqzess*e sur la figure 5, aucun des asYeux n'a manifesté de microsoudure après la durée de base de trente minutes. Seulement un anneau a affiché une microsoudure après 13 heures. Aucun anneau de piston expérimental additionnel n'a manifesté de microsoudure même après 21 heures. Dans une sixième série d'expériences, les inventeurs ont pulvérisé du polytétrafluoroéthylène sur les anneaux de piston expérimentaux et ont cuit ensuite les anneaux pendant approximativement dix minutes à une température approximative de 2320C. Trois des six anneaux ont manifesté une microsoudure au bout de la durée de base de trente minutes. Des modes de réalisation préférés de la présente invention ont été révélés. L'homme du métier pourra toutefois réaliser que certaines modifications peuvent entrer dans le cadre de l'enseignement de la présente invention. La composition de l'invention offre une lubrification critique pendant la période de rodage du piston et de l'anneau de piston et empêche une pression élevée localisée et des zones à haute température qui favorisent la microsoudure. REVENDICATIONS 1. Système (10) pour empêcher la microsoudure d'un anneau de piston (14, 14', 14") à un piston (12), caractérisé en ce qu'il comprend un anneau de piston ayant une surface (24, 26, 28, 30) revêtue d'une composition (32, 16') de résine thermodurcie, de polytétrafluoroéthylène et de disulfure de molybdène. 2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit anneau de piston comprend une surface (30) de contact avec la paroi de cylindre et au moins une surface (24, 26, 28) de contact avec la rainure de piston (13), dans lequel seulement ladite surface (26) de contact avec la rainure de piston est revêtue avec ladite composition (32). 3. Système selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit anneau de piston comprend une surface supérieure s'étendant radialement (24) et une surface inférieure s'étendant radialement (26), dans lequel ladite surface de contact avec la rainure de piston dudit anneau de piston (14, 14', 14") comprend ladite surface inférieure (26). 4. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit anneau est constitué en fonte ou en acier. 5. Système (10) pour empêcher la microsoudure d'un anneau de piston (14, 14', 14") à un piston (12), caractérisé en ce qu'il comprend un piston (12) adapté pour se déplacer alternativement dans une chambre de combustion d'un moteur, dans lequel ledit piston comprend des parois (18, 20) s'étendant radialement vers l'intérieur à partir d'une surface radiale externe dudit piston, lesdites parois définissant une rainure circonférentielle (13) ; et un anneau de piston disposé dans ladite rainure circonférentielle (13), ledit anneau comprenant une surface (30) de contact avec la paroi de cylindre et au moins une surface (24, 26, 28) en contact avec la rainure de piston (13), dans lequel au moins l'une (26) de ladite surface en contact avec la rainure de piston dudit anneau et de ladite rainure circonférentielle de piston est revêtue d'une composition (32, 16') de résine thermodurcie, de polytétrafluoroéthylène, et de disulfure de molybdène. 6. Système selon la revendication 5, caractérisé en ce que ledit piston (12) est constitué en aluminium. 7. Système selon la revendication 6, caractérisé en ce que ledit anneau est constitué en fonte ou en acier. 8. Système selon la revendication 5, caractérisé en ce que ledit anneau comprend une surface supérieure s'étendant radialement (24) et une surface inférieure s'étendant radialement (26), dans lequel ladite surface en contact avec la rainure de piston comprend ladite surface inférieure radiale (26). 9. Procédé pour empêcher la microsoudure d'un anneau (14, 14', 14") à un piston (12), caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à (A) déposer sur une surface d'un anneau de piston (14, 14', 14") une composition (32, 16') comprenant une résine thermodurcissable, du polytétrafluoroéthylène, et du disulfure de molybdène, et (B) cuire ladite composition en exposant ledit anneau de piston à une température élevée pendant une période de temps prédéterminée. 10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que ladite étape (A) consiste uniquement à déposer ladite composition sur une portion inférieure (26) dudit anneau de piston.