Brevet FR2748524A1 — publié le 19971114

La présente invention concerne un piston refroidi par un liquide pour moteurs à combustion interne, compor- tant une alimentation en huile de refroidissement et au moins un canal de circulation du liquide, qui est formé dans une partie supérieure du piston délimitée par une tête de piston et qui possède au moins une ouverture d'entrée, agencée sous la forme d'un entonnoir de réception, pour l'huile de refroidissement et, au niveau de son point le plus bas, une ouverture de sortie pour la lubrification d'un palier d'axe de piston. Dans la pratique on sait qu'en raison de la contrainte thermique intense, un piston pour moteurs à com- bustion interne à suralimentation est refroidi dans sa par- tie supérieure par un canal de refroidissement formé par coulée et qui peut être rempli au moyen--d'un injecteur avec un liquide de refroidissement, en général de l'huile pour moteur. Dans le cas de pistons soumis à de fortes contraintes, la contrainte thermique de la partie supé- rieure du piston est très élevée, en particulier lorsque cette dernière possède une cavité formant chambre de com- bustion et, dans le cas du refroidissement usuel, il existe le risque d'un vieillissement thermique, ce qui a pour effet que par exemple l'alliage du piston perd sa stabilité de forme et sa solidité. Par ailleurs il est connu, par exemple dans le cas de moteurs diesel à injection directe, que seule la tête de piston est très chaude, mais pas les parois de la source de combustion qui évacue la chaleur en la transmet- tant à l'eau de refroidissement. En raison de l'échauffement de ce fait insuffi- sant de l'eau de refroidissement, un chauffage supplémen- taire de l'habitacle est nécessaire, alors que le refroi- dissement du piston avec une quantité suffisante d'huile de refroidissement est problématique. Dans la pratique il s'est avéré que dans un pis- ton on est en présence de conditions dissymétriques pour le flux thermique en raison de conditions marginales dissymé- triques, qui apparaissent en raison du positionnement de soupapes d'admission et d'échappement, de la disposition d'injecteurs pour l'huile de refroidissement, de la forma- tion d'une cavité pour la combustion, d'influences de chan- gement de charge et de l'action du refroidissement de la culasse. Ainsi dans une partie supérieure du piston il existe des zones, qui représentent des nids de chaleur et requièrent une réduction élevée de leur niveau de tempéra- ture, mais également des zones, dans lesquelles règne un plus faible niveau de température de sorte qu'un refroidis- sement trop intense dans le cas de pistons formés de plu- sieurs éléments pourrait éventuellement-conduire à une cor- rosion au niveau du point de rosée dans ces zones. D'après le document DE 38 19 663 on connaît un piston formé de plusieurs éléments, qui est refroidi par un liquide et comporte une alimentation en huile de pulvérisa- tion, et qui est destiné à être utilisé dans un moteur die- sel à quatre temps fonctionnant avec de l'huile lourde et qui comporte, sous l'effet de l'évidement de sa partie supérieure et de sa partie inférieure, deux cavités exté- rieures de forme annulaire et une cavité centrale, et le fluide de refroidissement est envoyé à une cavité exté- rieure, puis est transféré à la cavité centrale. Les deux cavités extérieures sont disposées en étant superposées et de manière à pouvoir être chargées successivement par le fluide de refroidissement, la cavité inférieure, qui est balayée en premier par l'écoulement, étant disposée dans une zone soumise à une plus faible contrainte thermique. Dans le cas de ce piston connu, le canal pour liquide est disposé avantageusement de telle sorte qu'il permet un guidage du fluide de refroidissement, qui est adapté aussi bien à la nécessité d'un accroissement du niveau de température dans la zone des gorges annulaires du piston que d'un refroidissement intense de la plaque de tête du piston. Bien qu'avec ce piston connu, on obtienne un refroidissement d'intensité variable dans la zone des gorges annulaires du piston et de la plaque de tête du pis- ton, la solution connue d'après le document DE 38 19 663, ne prend pas en compte les conditions marginales dissymé- triques, mentionnées précédemment, dans un piston en raison d'une configuration essentiellement symétrique des canaux de refroidissement, ce qui conduit à longue échéance à un endommagement thermique de parties du piston. C'est pourquoi la présente invention a pour but de créer un piston, refroidi par un liquide, aux moteurs à combustion interne, présentant une longue durée de vie et dans lequel un canal de refroidissement est disposé de telle sorte qu'il est en corrélation avec les conditions thermiques dissymétriques dans le piston et possède une forme géométrique adaptée au refroidissement respectif requis. Ce problème est résolu conformément à l'invention à l'aide d'un piston refroidi par un liquide pour moteurs à combustion interne, comportant une alimentation en huile de refroidissement et au moins un canal de circulation du liquide, qui est formé dans une partie supérieure du piston délimitée par une tête de piston et qui possède au moins une ouverture d'entrée, agencée sous la forme d'un enton- noir de réception, pour l'huile de refroidissement et, au niveau de son point le plus bas, une ouverture de sortie pour la lubrification d'un palier d'axe de piston, caracté- risé en ce que le canal de circulation du liquide comporte au moins sur une partie de sa longueur un élargissement en forme de diffuseur dans la direction de circulation de l'huile de refroidissement, et que l'axe du canal de circu- lation du liquide s'étend au moins en partie dans une posi- tion oblique par rapport au plan de la tête de piston. Un avantage essentiel de l'invention réside dans le fait que le canal de circulation du liquide pourvu de son élargissement en forme de diffuseur produit, dans la direction de l'écoulement du liquide de refroidissement, une vitesse de circulation de valeur variable de l'huile de refroidissement, par le fait qu'une vitesse accrue de cir- culation est présente dans la zone d'une section transver- sale rétrécie du canal et qu'il apparaît, en direction de la partie d'une section transversale plus grande du canal, un effet d'aspiration, ce qui permet d'obtenir une allure de refroidissement plus rapide dans des sections comportant un élargissement en forme de diffuseur. La partie du piston, qui entoure la région possé- dant la section transversale rétrécie du canal de refroi- dissement, est en effet le siège d'une action de refroidis- sement nettement plus intense que la partie du piston, qui entoure la zone de section transversale importante du canal de refroidissement. En raison d'une augmentation de la sec- tion transversale du canal du liquide de refroidissement, le transfert thermique du fluide de refroidissement est accru, dans une zone qui est soumise à une contrainte ther- mique élevée, au point que le fluide de refroidissement, déjà légèrement chauffé sous l'effet d'un échange thermique dans une partie précédente du canal de refroidissement, suffit pour réaliser le refroidissement. Ceci est avanta- geux notamment en raison du fait que la capacité de récep- tion du canal du liquide de refroidissement est limitée géométriquement et que l'on ne peut obtenir un accroisse- ment du transfert thermique qu'au moyen de la vitesse de circulation. L'élargissement en forme de diffuseur fournit d'autre part l'avantage consistant en ce qu'une accumula- tion ou un reflux du liquide de refroidissement est évité en chaque point du canal de circulation du liquide. Grâce à l'agencement conforme à l'invention du canal de circulation du liquide, le niveau de température peut être maintenu approximativement identique dans toutes les parties du piston, ce qui permet d'éviter des réduc- tions de résistance mécanique par vieillissement dans des parties individuelles du piston en raison d'une action thermique. Une caractéristique très avantageuse de l'inven- tion réside dans l'inclinaison de l'axe du canal de circu- lation du liquide, dans une position oblique par rapport au plan de la tête de piston. La position médiane du canal, oblique par rapport à la tête de piston, facilite avantageusement l'évacuation du liquide de refroidissement en ce sens qu'un "effet de secouage" usuel dans le cas d'un canal de circulation du liquide disposé dans le même plan que la tête de piston, c'est-à-dire urï déplacement ascen- dant et descendant de l'huile de refroidissement dans le canal de circulation du liquide sous l'effet du déplacement du piston, est évité. La fraction d'énergie de l'huile de refroidissement, qui est produite sous l'action de secouage dans des pistons usuels refroidis par un liquide, est fré- quemment suffisamment élevée pour que le liquide de refroi- dissement perde de la vitesse jusqu'à l'obtention d'une accumulation d'huile. Dans le piston selon l'invention, dans lequel le canal de circulation du liquide a une posi- tion oblique, lors de la course ascendante, cette fraction d'énergie sert d'énergie d'écoulement, ce qui a pour effet que la vitesse d'écoulement de l'huile de refroidissement qui descend sur la partie inclinée, augmente. D'autre part, le flux du liquide de refroidissement ou la position oblique vers l'aval est assisté par le poids propre et la force d'inertie de l'huile de refroidissement. Le refroidissement désiré dans le piston selon l'invention conduit à ce que le piston possède une résis- tance mécanique et une stabilité de forme en permanence élevées, et conduit par conséquent à un allongement de la durée de vie du piston et par conséquent à une réduction des coûts de fonctionnement. D'autre part, avec un piston selon l'invention, on peut obtenir des avantages dans des utilisations spéci- fiques, comme par exemple le fait que sous l'effet du refroidissement désiré, dans des moteurs diesel à injection directe il est possible d'obtenir un refroidissement plus efficace du piston et d'utiliser la quantité de chaleur ainsi évacuée pour chauffer l'habitacle. Selon une autre caractéristique de l'invention, l'extrémité de l'entonnoir de réception, tournée vers le canal de circulation du liquide, est située au niveau du point le plus élevé du canal de circulation du liquide. Selon une autre caractéristique de l'invention, le canal de circulation du liquide possède sa section transversale la plus étroite dans une zone de jonction contiguë à l'extrémité de l'entonnoir de réception. Selon une autre caractéristique de l'invention, l'élargissement en forme de diffuseur est agencé avec une configuration discontinue comprenant des arêtes de turbu- lence et/ou des variations brusques de sa section transver- sale. Selon une autre caractéristique de l'invention, le premier tiers, tourné vers l'ouverture d'entrée, de la longueur du canal de circulation du liquide est disposé dans une zone du piston dans laquelle le niveau de tempéra- ture est maximum. Selon une autre caractéristique de l'invention, deux canaux de circulation du liquide, formés dans le pis- ton, possèdent une ouverture de sortie commune, les canaux de circulation du liquide pouvant être chargés avec de l'huile de refroidissement alternativement au moyen des ouvertures d'entrée. Selon une autre caractéristique de l'invention, au niveau de l'ouverture d'entrée est formé un canal laté- ral, qui s'étend en dérivation à partir du canal de circu- lation du liquide, débouche dans la cavité et possède une ouverture de sortie dans le piston. Selon une autre caractéristique de l'invention, les ouvertures de sortie sont disposées en étant excentrées par rapport au palier de l'axe de piston. D'autres caractéristiques et avantages de la pré- sente invention ressortiront de la description donnée ci- après prise en référence aux dessins annexés, sur les- quels: - la figure 1 est une coupe transversale d'un piston comportant un canal à circulation de liquide de refroidissement et un système d'injection du liquide de refroidissement; - la figure 2 est une coupe axiale du piston de la figure 1, prise suivant la ligne I- I; - la figure 3 est une coupe axiale d'un autre piston comportant un canal de circulation du liquide de refroidissement; et - la figure 4 est une coupe transversale du pis- ton de la figure 3, prise suivant la ligne II-II sur la figure. En référence aux figures 1 et 2, on a représenté un piston 1 pour moteurs à combustion interne comportant une tête de piston 2, qui possède une cavité de combustion 3. Dans une cavité 4 formée dans le piston 1 est disposé un palier 5 d'axe de piston, ainsi qu'un axe de piston 6, qui est tourillonné dans un coussinet de bielle 8 logé dans un oeil de pied de bielle 7. Deux canaux 9a et 9b de circula- tion de liquide sont formés dans la partie supérieure du piston 1 audessus de la cavité 4. Chacun de ces canaux possède une ouverture d'entrée 10a et 10b, qui est agencée sous la forme d'un entonnoir de réception et dans laquelle est injecté un liquide de refroidissement 11, qui est de façon appropriée de l'huile de refroidissement en raison de l'effet simultané de lubrification, au moyen d'un injecteur 12. Les deux canaux 9a, 9b de circulation du liquide débou- chent, par l'intermédiaire d'une ouverture de sortie com- mune 13, dans la cavité 4 équipée du palier 5 de l'axe de piston. L'injection de l'huile de refroidissement dans les canaux 9a, 9b de circulation du liquide s'effectue de préférence d'une manière alternée en raison du déplacement du piston et de la position oblique de l'injecteur 12, un niveau moyen de température s'établissant dans le piston 1 sous l'effet de l'alimentation alternée des canaux de cir- culation du liquide. La partie de jonction 14 entre l'entonnoir de réception lOa ou lOb et le canal 9a ou 9b de circulation du liquide est agencée respectivement de telle sorte que l'entrée de l'huile de refroidissement injectée 11 dans le canal 9a ou 9b de circulation du liquide s'effectue au niveau de son point le plus élevé dans le piston 1, tandis que l'ouverture de sortie 13 est disposée au niveau du point le plus bas des canaux 9a, 9b de circulation du liquide. Les canaux 9a, 9b de circulation du liquide sont formés de manière à s'étendre à partir de leur point le plus élevé dans la zone de jonction 14 délimitant les entonnoirs de réception lOa et lOb jusqu'à l'ouverture de sortie 13 de telle sorte que leur axe s'étend dans une position oblique par rapport au plan de la tête de piston 2. Alors que dans l'exemple de réalisation repré- senté sur les figures 1 et 2, les canaux 9a, 9b de circula- tion du liquide s'étendent en position oblique sur toute leur longueur, dans une autre forme de réalisation, natu- rellement seule une partie de l'un des canaux de circula- tion du liquide est dans une position inclinée par rapport au plan de la tête de piston 2. L'angle d'inclinaison est un paramètre de conception devant être adapté aux condi- tions données. Les canaux 9a, 9b de circulation du liquide sont agencés avec une forme sinueuse telle que respectivement le premier tiers de leur longueur, qui est situé en aval des ouvertures d'entrée 10a, 0lb et dans lequel on peut obtenir l'échange de chaleur maximum, se situe dans les zones du piston 1, dans lesquelles sont présents les niveaux maximum de température, et la configuration en aval est en corréla- tion avec la distribution de chaleur dissymétrique dans le piston 1. La zone de jonction 14 entre l'entonnoir de réception 10a, lOb et le canal 9a, 9b de circulation du liquide présente respectivement la section transversale la plus petite, considérée sur la longueuf du canal de circu- lation du liquide, ce qui fait apparaître un effet d'aspi- ration, pour lequel la vitesse de circulation de l'huile de refroidissement 11 et le débit d'huile de refroidissement sont accrus, ce qui conduit à une allure de refroidissement plus rapide. Le profil en coupe transversale des canaux 9a, 9b de circulation du liquide est modifié en ce sens que dans la direction de l'écoulement de l'huile de refroidissement 11, qui est symbolisée par les flèches directionnelles 15, il apparaît respectivement un élargissement 16 en forme de diffuseur, qui a une configuration discontinue avec des variations brusques 17 de section transversale et des arêtes de turbulence 18. La modification, ainsi obtenue, de la vitesse de circulation de l'huile de refroidissement 11 empêche un reflux de l'huile de refroidissement ou une accumulation d'huile. L'huile de refroidissement, qui est projetée sous pression dans le canal, possède par conséquent, en raison de la position inclinée des canaux 9a, 9b de circulation du liquide et de leur conformation avec l'extension 16 en forme de diffuseur, en permanence la vitesse d'écoulement nécessaire pour le processus de refroidissement jusqu'à sa sortie par l'ouverture de sortie commune 13, par laquelle l'huile de refroidissement est envoyée au palier 5 de l'axe de piston. Il est évident que dans d'autres variantes non représentées, on peut également prévoir plusieurs élargis- sement en forme de diffuseurs d'une manière analogue à un diffuseur multiple de Carnot, et que l'élargissement en forme de diffuseur peut s'étendre également uniquement sur une partie de la longueur du canal de circulation du liquide. Sur les figures 3 et 4, on a représenté un autre exemple de réalisation d'un piston 1, qui correspond dans son principe à celui de l'exemple de réalisation décrit en référence aux figures 1 et 2, et c'est pourquoi les élé- ments ayant une fonction identique sont désignés de la même manière. Dans le piston 1 des figures 3 et 4 sont formés deux canaux séparés et identiques 9a, 9b de circulation du liquide comportant des élargissements respectifs 16 en forme de diffuseurs. Dans la zone des ouvertures d'entrée a, 10b, à partir du canal 9a, 9b de circulation du liquide s'étend respectivement un canal latéral 19a, 19b en forme de bec, qui aboutit, selon un trajet extrêmement court, à une ouverture de sortie 20a, 20b qui débouche dans la cavité 4 contenant le palier 5 de l'axe de piston. Par conséquent une partie de l'huile de refroi- dissement, qui est injectée dans le canal 9a, 9b de circu- lation du fluide de refroidissement parvient, par l'intermédiaire du canal interne 19a, 19b, sans échauffe- ment important, au palier 5 de l'axe de piston, tandis que la partie restante servant à refroidir le piston 1 est envoyée par le canal 9a, 9b de circulation du liquide à l'ouverture de sortie 13a, 13b. 1l Les ouvertures de sortie 13a, 13b, 20a, 20b sont disposées d'une manière décentrée par rapport à l'oeil de pied de bielle 8 équipé de l'oeil de pied de bielle 7, afin que l'huile de refroidissement n'ait pas à circuler au- dessus du coussinet de bielle 8, pour parvenir aux sur- faces, qui se déplacent en rotation, du palier 5 de l'axe de piston, mais est envoyée directement aux parties laté- rales du coussinet de bielle 8 et de l'oeil de pied de bielle 7, de manière à mouiller l'axe de piston 6. Par conséquent l'efficacité du refroidissement du piston est accrue de façon supplémentaire grâce à la forma- tion des canaux latéraux 19a, 19b. D'autre part, l'envoi d'huile est garanti par les canaux latéraux 19a, 19b, même dans le cas d'un changement de disposition, c'est-à-dire dans le cas o le piston et la bielle sont disposés obliquement l'un par rapport à l'autre. La surface des canaux 9a, 9b de circulation du liquide représente, dans toutes les formes de réalisation décrites, une superposition de tolérances sur forme ou d'ondulations allant du 1-er au 4-ème ordre selon la norme allemande DIN 4760, un degré élevé de rugosité permettant avantageusement la production de turbulences, qui favori- sent le transfert de chaleur, avec une surface étendue d'échange thermique. REVENDICATIONS 1. Piston refroidi par un liquide pour moteurs à combustion interne, comportant une alimentation en huile de refroidissement et au moins un canal de circulation du liquide, qui est formé dans une partie supérieure du piston délimitée par une tête de piston et qui possède au moins une ouverture d'entrée, agencée sous la forme d'un enton- noir de réception, pour l'huile de refroidissement et, au niveau de son point le plus bas, une ouverture de sortie pour la lubrification d'un palier d'axe de piston, caracté- risé en ce que le canal (9a,9b) de circulation du liquide comporte au moins sur une partie de sa longueur un élargis- sement (16) en forme de diffuseur dans la direction de cir- culation de l'huile de refroidissement (11), et que l'axe du canal (9a, 9b) de circulation du liquide s'étend au moins en partie dans une position oblique par rapport au plan de la tête de piston (2). 2. Piston selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'extrémité de l'entonnoir de réception (10a, lob), tournée vers le canal (9a, 9b) de circulation du liquide, est située au niveau du point le plus élevé du canal (9a, 9b) de circulation du liquide. 3. Piston selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le canal (9a,9b) de circulation du liquide possède sa section transversale la plus étroite dans une zone de jonction (14) contiguë à l'extrémité de l'entonnoir de réception (10a,lOb). 4. Piston selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 3, caractérisé en ce que l'élargissement (16) en forme de diffuseur est agencé avec une configuration dis- continue comprenant des arêtes de turbulence (18) et/ou des variations brusques (17) de sa section transversale. 5. Piston selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 4, caractérisé en ce que le premier tiers, tourné vers l'ouverture d'entrée (10a,lOb), de la longueur du canal (9a,9b) de circulation du liquide est disposé dans une zone du piston dans laquelle le niveau de température est maximum. 6. Piston selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 5, caractérisé en ce que deux canaux (9a, 9b) de circulation du liquide, formés dans le piston (1), possè- dent une ouverture de sortie commune (13), les canaux (9a,9b) de circulation du liquide pouvant être chargés avec de l'huile de refroidissement (11) alternativement au moyen des ouvertures d'entrée (10a,10b). 7. Piston selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 6, caractérisé en ce qu'au niveau de l'ouverture d'entrée (10a, 10b) est formé un canal latéral (19a,19b), qui s'étend en dérivation à partir du canal (9a,9b) de cir- culation du liquide, débouche dans la cavité (4) et possède une ouverture de sortie (20b,20b) dans le piston (1). 8. Piston selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 7, caractérisé en ce que les ouvertures de sortie (13,20b,20b) sont disposées en étant excentrées par rapport au palier (5) de l'axe de piston.