Brevet FR2889571A1 — publié le 20070209

La présente invention concerne les moteurs à combustion interne. Elle a notamment pour objet un segment de piston et plus particulièrement un segment de piston disposé dans une gorge de forme annulaire ménagée en périphérie du piston. Dans les moteurs à combustion interne, il est connu de disposer un segment de piston dans une gorge du piston, de manière à assurer l'étanchéité entre la partie inférieure du moteur qui comprend le carter d'huile de lubrification, et la partie supérieure du moteur qui comprend la chambre de combustion. De préférence, trois types de segment de piston sont nécessaires pour assurer cette étanchéité lorsque le piston est en mouvement de translation dans la chemise, chacun des segments assurant alors un rôle déterminé. C'est ainsi qu'il est connu de disposer, dans une gorge supérieure, un segment dit supérieur destiné à résister à la chaleur et à assurer l'étanchéité de la chambre de combustion, dans une gorge inférieure, un segment racleur destiné à empêcher les remontées d'huile du carter d'huile vers la chambre de combustion, et, dans au moins une gorge intermédiaire, un segment de compression assurant la récupération de l'huile qui remonte du carter d'huile. Toutefois, on observe des défauts d'étanchéité au niveau de chacun des segments, qui se traduisent notamment par des remontées d'huile du carter d'huile vers la chambre de combustion et par des fuites de gaz issues de la chambre de combustion vers le carter d'huile. En effet, pour des régimes élevés, les segments sont soumis à des mouvements de battement radiaux, c'est-à-dire des mouvements de battement suivant des directions perpendiculaires à l'axe longitudinal du piston et à des mouvements de battement axiaux, c'est-à-dire parallèles à l'axe du piston, qui affectent la stabilité du positionnement des segments. Ainsi, sous certaines conditions de charge et de régime, le segment d'étanchéité supérieur devient instable et n'est plus étanche vis-à-vis des gaz de combustion. Plus précisément, le phénomène de battement axial 2889571 2 est généralement observé sous faible charge et à haut régime. Durant ces phases de battement axial, le débit de gaz augmente subitement jusqu'à six fois sa valeur en fonctionnement normal. Parallèlement et lors des phases de battements radiaux et axiaux, il se produit également des remontées d'huile à travers le segment racleur, puis à travers le segment de compression. Ces fuites alimentent une première zone de la surface du piston délimitée par ledit segment racleur et le segment de compression, ainsi qu'une seconde zone de la surface du piston délimitée par ledit segment compression et le segment d'étanchéité supérieure. Lorsque la pression d'huile, dans ces zones appelées aussi cordons, augmente au delà d'un certain seuil, l'huile rentre dans les gorges du piston et forme des films au niveau des faces inférieures des segments, qui sont écrasés par les mouvement de battement axial des segments. Une partie de l'huile est alors projetée vers le fond de la gorge du piston puis remonte vers la chambre de combustion. Afin de s'affranchir de la problématique des battements radiaux et axiaux, le document US 4941669 propose un segment en alliage d'aluminium renforcé en fibres de carbone disposées de manière concentrique. Toutefois, la répartition homogène des fibres dans tout le volume du segment privilégie l'augmentation de la raideur radiale par rapport à l'augmentation de la raideur axiale du segment. Cette configuration nécessite notamment de s'assurer que la raideur radiale du segment n'est pas trop élevée, auquel cas les frottements entre le segment et la chemise du piston pourraient générer une perte de charge pour le moteur. C'est pourquoi, la présente invention a pour objectif d'augmenter uniquement la raideur axiale d'un segment de piston, sans modifier la raideur radiale dudit segment. 2889571 3 A cet effet, l'invention a pour objet un segment de piston pour moteur à combustion interne comprenant au moins un raidisseur destiné à augmenter la raideur dudit segment suivant l'axe longitudinal du piston. Selon d'autres caractéristiques: - le raidisseur admet une forme cylindrique concentrique avec le segment; - le raidisseur admet une forme cylindrique de section rectangulaire; - la largeur de la section rectangulaire est inférieure au dixième de la longueur de ladite section rectangulaire; - la longueur de la section rectangulaire est légèrement inférieure à l'épaisseur du segment; - le raidisseur admet un module d'Young supérieur à 3 fois le module d'Young du matériau constituant le segment. Selon un premier mode de réalisation: - le raidisseur est placé au milieu du segment lors du frittage du segment. Selon un second mode de réalisation: - le raidisseur est fixé par collage au bord intérieur du segment. Selon une variante du second mode de réalisation: - le raidisseur est fixé par soudage au bord intérieur du segment. L'invention a également pour objet un piston de moteur à combustion interne comportant au moins un segment tel que décrit précédemment. L'invention va maintenant être décrite plus en détail mais de façon non limitative en regard des figures annexées, dans lesquelles: - la figure 1 est une représentation schématique d'une partie d'un moteur composée notamment d'un vilebrequin et d'un piston monté dans une chemise et comportant trois gorges de segments; - la figure 2 est une représentation schématique plus détaillée de la partie supérieure d'un piston de moteur à combustion interne comportant un segment conforme à l'invention; - la figure 3 est une représentation en perspective détaillée d'un segment conforme à l'invention; - la figure 4 est une représentation en perspective détaillée de la section d'un segment conforme à l'invention selon un premier mode de réalisation; et - la figure 5 est une représentation en perspective détaillée de la section d'un segment conforme à l'invention selon un second mode de réalisation. La figure 1 représente une partie d'un moteur à combustion interne composée notamment d'un vilebrequin 9, d'une bielle 8 et d'un piston 1 placé dans une chemise 7 du piston 1. Ledit piston est pourvu de trois gorges 4a, 4b, 4c destinées à loger chacune un segment de piston. Lorsque le piston 1 est en translation dans la chemise 7, il met en rotation via la bielle 8 le vilebrequin 9. Les figures 2 et 3 représentent un segment d'étanchéité supérieur 2 logé dans la gorge 4a du piston 1. Suivant un premier mode de réalisation décrit à la figure 4, le segment 2 comprend un raidisseur 3 de forme cylindrique, tout comme le segment 2, disposé dans l'épaisseur dudit segment. Ledit raidisseur admet en outre une section rectangulaire 5. Avantageusement, la largeur I de la section rectangulaire 5 est choisie inférieure au dixième de la longueur L de ladite section rectangulaire et la longueur L de ladite section rectangulaire est choisie légèrement inférieure à l'épaisseur e du segment 2. Ces caractéristiques géométriques permettent ainsi d'obtenir une raideur selon l'axe longitudinal 6 du piston 1, dominée par la raideur du raidisseur 3, et d'obtenir une raideur radiale (c'est-à-dire selon un axe perpendiculaire à l'axe longitudinal 6) dominée par la raideur du matériau constituant le segment 2. Le raidisseur 3 n'a donc que peu d'influence sur la raideur radiale du segment 2. Afin d'augmenter le plus possible la raideur axiale, on utilise un matériau possédant un module d'Young très supérieur au module d'Young du matériau constituant le segment 2 et on maximise la longueur L de la section 5, qui reste toutefois bornée par l'épaisseur e du segment 2. Avantageusement, pour un segment en acier de module d'Young de l'ordre de 210000 MPa, on utilise un raidisseur en composite chargé en fibres de carbone possédant un module d'Young de l'ordre de 600000 MPa. Le fonctionnement du piston est conforme à celui décrit précédemment et n'est donc pas re-décrit. L'influence du raidisseur 3 sur la raideur axiale et non sur la raideur 10 radiale du segment 2 se démontre en étudiant par exemple l'expression du moment fléchissant suivant un axe de contrainte. En effet, en assimilant une portion du segment 2 comportant le raidisseur 3 à une poutre encastrée à une de ses extrémités et en calculant classiquement l'expression en fonction de l'abscisse x de la flèche fz de la poutre suivant un axe z parallèle à l'axe 6, il apparaît que le module d'Young Er et la longueur L du raidisseur 3 influence la flèche fz, et de fait sur la raideur suivant l'axe 6: fz(x)=''x3 1 3 EsIsz+Er.Irz) Où : F est une force suivant l'axe 6 appliquée sur toute la distance x de la portion du segment 2 pourvu du raidisseur 3 considéré, Es, Er les modules d'Young respectifs du segment et du raidisseur, Isz est le moment quadratique suivant l'axe z de la section du segment 2 suivant un plan passant par l'axe 6, Irz est le moment quadratique suivant l'axe z de la section du raidisseur 3 suivant un plan passant par l'axe 6, Avec: Isz = h123 h étant la largeur du segment 2 et e son épaisseur Irz = l 12 3 I étant la largeur et L la longueur de la section rectangulaire 5. De même, le calcul classique de l'expression en fonction de l'abscisse x de la flèche fy suivant l'axe y perpendiculaire à l'axe z montre que la largeur I du raidisseur 3, très faible devant la largeur h du segment 2, n'impacte que peu sur ladite flèche fy, et de fait n'impacte que peu sur la raideur radiale: F.x3 1 3 ESIsy+Er.Iry, Où : F est la force suivant l'axe y appliquée sur toute la distance x de la portion du segment 2 pourvu du raidisseur 3 considérée, Es, Er sont les modules d'Young respectifs du segment et du raidisseur, Isy est le moment quadratique suivant un axe y perpendiculaire à l'axe 6, de la section du segment 2 suivant un plan passant par l'axe 6, Iry est le moment quadratique suivant un axe y perpendiculaire à l'axe 6, de la section du raidisseur 3 suivant un plan passant par l'axe 6, Avec: exh3 Isy = 12 Lx13 Iry _ En terme de fabrication, il est avantageux de fabriquer le segment 2 par frittage dans la mesure où il est aisé de disposer avant frittage le raidisseur 3 à l'intérieur du segment 2. Suivant un second mode de réalisation décrit à la figure 5, le segment 2 est pourvu d'un raidisseur 3' de forme cylindrique et concentrique avec ledit segment. Ledit raidisseur 3' est fixé sur le bord fy(x) = 2889571 7 interne du segment 2 soit par soudage, soit par collage. Suivant ce mode de réalisation, l'impact du raidisseur 3' sur la raideur axiale et sur la raideur radiale du segment est globalement équivalent à l'impact correspondant au mode de réalisation décrit à la figure 4. Dans ce mode de réalisation, la longueur L de la section rectangulaire 5 du raidisseur 3 est sensiblement égale à l'épaisseur e du segment 2 tout en restant inférieure. Le fait de maximiser la longueur L permet de maximiser le moment quadratique suivant l'axe 6 de la section 5, et par conséquent d'augmenter la raideur suivant l'axe 6. 8 REVENDICATIONS 1. Segment (2) d'un piston (1) pour moteur à combustion interne, caractérisé en ce que ledit segment (2) comprend au moins un raidisseur (3; 3') destiné à augmenter sa raideur suivant l'axe longitudinal (6) du piston (1). 2. Segment (2) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le raidisseur (3; 3') admet une forme cylindrique concentrique avec le segment (2). 3. Segment (2) selon la revendication 2, caractérisé en ce que le raidisseur (3; 3') admet une forme cylindrique de section rectangulaire (5). 4. Segment (2) selon la revendication 3, caractérisé en ce que la largeur (I) de la section rectangulaire (5) est inférieure au dixième de la longueur (L) de la section rectangulaire (5). 5. Segment (2) selon la revendication 4, caractérisé en ce que la longueur (L) de la section rectangulaire (5) est inférieure ou au plus égale à l'épaisseur (e) du segment (2). 6. Segment (2) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le matériau constituant le raidisseur (3) admet un module d'Young Er supérieur à 3 fois le module d'Young Es du matériau constituant le segment (2). 2889571 9 7. Segment (2) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le raidisseur (3) est placé au milieu du segment (2) lors du frittage du segment (2). 8. Segment (2) selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le raidisseur (3') est fixé par collage au bord intérieur du segment (2). 9. Segment (2) selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le raidisseur (3') est fixé par soudage au bord intérieur du segment (2). 10. Piston de moteur à combustion interne comportant au moins un segment (2) conforme à l'une quelconque des revendications précédentes.