Brevet FR2901577A3 — publié le 20071130

FR 2901577 A3 20071130 FR 0604755 A 20060529 Du fait du mouvement alternatif rapide du piston dans son cylindre, les segments annulaires du piston sont également soumis à de fortes contraintes thermiques qui proviennent du frottement des segments annulaires sur la paroi latérale du cylindre et qui se transmettent à la jupe périphérique du piston. En raison de ces sollicitations thermiques importantes, le piston à tendance à se gripper dans le cylindre dans lequel il coulisse. Il est alors souhaitable de diminuer le plus possible les contraintes thermiques auxquelles est soumis le piston. Pour cela, plusieurs techniques sont actuellement utilisées. Il est par exemple connu d'utiliser un gicleur d'huile de refroidissement destiné à projeter un jet d'huile de refroidissement sur la face inférieure de la paroi transversale du piston. Afin d'optimiser ce refroidissement par huile, un canal de refroidissement peut être aménagé dans la paroi transversale du piston. Le gicleur d'huile est alors disposé en face de l'entrée de ce canal de refroidissement. Cependant, l'impact du jet d'huile ne permet pas d'assurer une circulation satisfaisante de l'huile dans le canal de refroidissement. Par ailleurs, ce dernier doit présenter une géométrie simple et continue de sorte que l'huile puisse s'écouler correctement dedans. Un tel canal de refroidissement ne peut donc pas couvrir toute la surface de la paroi transversale du piston, laissant des zones du piston mal refroidies. Afin d'optimiser autrement le refroidissement du piston, on connaît du document JP 62 96762 un piston formé par le soudage de deux éléments moulés, de manière à définir entre ces deux éléments une cavité intérieure fermée, formée de trois parties, et renfermant une substance de refroidissement présentant une bonne conductibilité thermique. Plus précisément, deux des parties de la cavité forment des arcs de cercle s'étendant le long de la jupe périphérique du piston, sur une partie seulement de sa périphérie. La troisième partie forme un canal de liaison entre ces deux premières parties ; ce canal présente une section oblongue et est disposé sous la face supérieure de la paroi transversale du piston. L'inconvénient principal d'un tel piston est que, les deux parties en arcs de cercle de la cavité ne s'étendant pas sur la circonférence complète de la jupe périphérique du piston, elles ne permettent donc pas de refroidir uniformément ni les segments annulaires rapportés sur le piston, ni la jupe périphérique du piston, ni même sa paroi transversale. OBJET DE L'INVENTION Afin de remédier aux inconvénients précités de l'état de la technique, la présente invention propose un piston pourvu d'une cavité de refroidissement adaptée à refroidir uniformément et correctement le piston dans son ensemble, ainsi que les segments annulaires qui lui sont rapportés. Plus particulièrement, on propose selon l'invention un piston tel que défini dans l'introduction, dans lequel la cavité comporte une partie annulaire qui longe continûment la jupe périphérique sur l'ensemble de son pourtour. Ainsi, grâce à l'invention, le fluide de refroidissement est mieux réparti par rapport au volume du piston, et en particulier par rapport à sa jupe périphérique, si bien que l'ensemble du corps du piston est uniformément refroidi, ne laissant pas de zones soumises à de trop fortes contraintes thermiques. Cette meilleure répartition du fluide de refroidissement offre en outre alors une meilleure surface d'échange thermique avec la jupe périphérique du piston. Le refroidissement du piston est ainsi amélioré et le risque de grippage du piston dans le cylindre est dirninué. Selon une première caractéristique avantageuse de l'invention, la face supérieure de la paroi transversale est creusée pour réaliser un siège de combustion, et la cavité comporte une partie centrale qui s'étend au moins partiellement en dessous du siège de combustion. Ce creux dans la paroi transversale du piston confère à cette paroi une surface d'échange thermique particulièrement importante par laquelle se réalisent les transferts de chaleur depuis la chambre de combustion vers le piston. En outre, l'explosion du mélange de gaz et de carburant se fait dans le siège de la combustion si bien que cette zone du piston est soumise à de très fortes contraintes thermiques. La partie centrale de la cavité permet alors de s'assurer que cette zone du piston est particulièrement bien refroidie. Selon une autre caractéristique avantageuse de l'invention, la partie annulaire de la cavité s'étend autour du siège de combustion. Ainsi, les deux parties centrale et annulaire de la cavité servent à refroidir cette zone la plus chaude du piston qu'est le siège de combustion. Avantageusement, le piston présente un axe de translation, et la partie centrale de la cavité comporte un axe de révolution confondu avec l'axe de translation du piston. Dans l'état de la technique exposé par le document JP 62 96762, la troisième partie de la cavité, le canal de liaison, présente une forme ne lui permettant pas de s'étendre uniformément sous le siège de combustion. Des zones de la paroi transversale du piston ne sont ainsi pas correctement refroidies. L'invention propose quant à elle que la partie centrale de la cavité présente un axe de révolution afin de répartir au mieux les contraintes thermiques dans l'ensemble du siège du piston. Selon un mode de réalisation de l'invention, les parties centrale et annulaire de la cavité sont indépendantes l'une de l'autre. Selon un autre mode de réalisation de l'invention, la cavité comprend des moyens de communication reliant les parties centrale et annulaire de la cavité. Ainsi, le fluide réfrigérant peut circuler dans l'ensemble de la cavité, des zones les plus froides aux zones les plus chaudes, assurant ainsi une bonne répartition des contraintes thermiques dans le piston, et par conséquent un meilleur refroidissement de ce dernier. Avantageusement selon ce mode, les moyens de communication comportent au moins un canal débouchant, d'un côté, dans la partie centrale de la cavité, et, de l'autre, dans la partie annulaire de la cavité. En variante, les moyens de communication comportent une partie de liaison annulaire s'étendant entre la périphérie extérieure de la partie centrale de la cavité et la périphérie intérieure de la partie annulaire de la cavité. Ainsi, le fluide réfrigérant peut circuler librement dans l'ensemble de la cavité du piston pour répartir au mieux les contraintes thermiques dans l'ensemble du piston. Selon une autre caractéristique avantageuse de l'invention, la jupe périphérique présente au moins une gorge destinée à accueillir au moins un segment annulaire, et la partie annulaire de la cavité présente une hauteur supérieure à la hauteur sur laquelle s'étend ladite gorge. Pour permettre la dilatation du piston et assurer le graissage de la face latérale du cylindre, le diamètre du piston est inférieur à celui du cylindre. Afin que les gaz ne descendent pas depuis la chambre de combustion vers le carter d'huile du moteur situé en dessous du piston, il convient d'assurer l'étanchéité entre le piston et le cylindre. Cette étanchéité est réalisée au moyen de segments annulaires logés dans des gorges exécutées sur la périphérie de la tête du piston et dont la coupe en biais leur assure une certaine élasticité. Généralement, la face externe de la jupe périphérique du piston est creusée sur son pourtour d'au moins trois gorges situées à des hauteurs différentes et destinées à accueillir chacune un desdits segments annulaires. Ces segments annulaires sont tous amenés à chauffer en frottant contre la paroi latérale du cylindre. Selon l'invention, la partie annulaire de la cavité est prévue pour s'étendre suffisamment en hauteur afin d'être disposée à proximité dé chacun des segments. Le fluide réfrigérant de cette portion annulaire est ainsi adapté à convenablernent refroidir chacun des segments du piston. Par ailleurs, si la face latérale du piston est creusée d'une seule gorge destinée à accueillir un anneau porte-segments, c'est-à-dire un anneau portant sur sa surface externe lesdits segments annulaires, la hauteur de la partie annulaire de la cavité est prévue pour être au moins aussi grande que la hauteur de la gorge. Elle est ainsi disposée à proximité de l'ensemble de cette dernière afin d'optimiser les échanges thermique entre le fluide réfrigérant et l'anneau porte-segments. Selon une autre caractéristique avantageuse de l'invention, le fluide réfrigérant comporte un sel à base de sodium. Les sels à base de sodium ont la propriété de changer de l'état solide à l'état liquide en absorbant une grande quantité d'énergie. Ils peuvent en outre restituer cette énergie en revenant à l'état solide. Ainsi, en fonction de la vitesse de translation du piston dans son cylindre, et en fonction de la température du mélange de gaz et de carburant dans la chambre de combustion, le fluide réfrigérant peu absorber de la chaleur durant le cycle d'explosion du moteur, puis restituer cette énergie à la face inférieure du piston pour qu'elle l'évacue. Préférentiellement, le piston est réalisé par moulage d'une seule pièce en acier trempé. La répartition des contraintes mécaniques et thermiques est ainsi optimale. DESCRIPTION DETAILLEE D'UN EXEMPLE DE REALISATION La description qui va suivre en regard des dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs, fera bien comprendre en quoi consiste l'invention et comment elle peut être réalisée. Sur les dessins annexés : - la figure 1 est une vue d'ensemble en coupe d'un cylindre-moteur comprenant un piston selon l'invention ; - la figure 2 est une vue partielle en coupe longitudinale d'un premier mode de réalisation du piston de la figure 1 ; la figure 3 est une vue partielle en coupe longitudinale d'une variante de réalisation du piston de la figure 2 ; et - la figure 4 est une vue partielle en coupe longitudinale d'un deuxième mode de réalisation du piston de la figure 1. En préliminaire, on notera que, d'une figure à l'autre, les éléments identiques ou similaires des différents modes de réalisation de l'invention seront, dans la mesure du possible, référencés par les mêmes signes de référence et ne seront pas décrits à chaque fois. Sur la figure 1, on a représenté schématiquement une section d'un bloc moteur d'un moteur à combustion interne 1, ici à allumage commandé. Ce bloc moteur comporte un bloc-cylindres 3 pourvu de quatre cylindres 3A en ligne d'axes V verticaux. Ce bloc-cylindres 3 est raccordé sur sa partie inférieure à un carter d'huile 4, et, sur sa partie supérieure, à une culasse 2. Cette culasse 2 présente un corps globalement parallélépipédique. Plus précisément, le corps de la culasse 2 comporte une face inférieure présentant quatre renflements intérieurs qui forment quatre têtes de cylindre destinées à fermer les extrémités supérieures des quatre cylindres 3A du bloc-cylindres 3. Ces têtes de cylindre présentent ici chacune une forme de cône dont le sommet est tourné vers la face supérieure de la culasse 2. Une bougie d'allumage 5 est agencée au sommet de chaque tête de cylindre et débouche dans le cylindre 3A associé. Chaque cylindre 3A est ici pourvu d'un ouverture d'admission et d'une ouverture d'échappement disposées en vis-à-vis sur chaque tête de cylindre, à partir desquelles prennent naissance un conduit d'admission et un conduit d'échappement. Ces derniers sont adaptés à être respectivement obturés par une soupape d'admission 6 et une soupape d'échappement 7 pour réguler le débit d'arrivée d'air ou de sortie de gaz brûlés dans chaque cylindre 3A du bloc-cylindres 3 du moteur à combustion interne 1. Un piston 10, logé dans chaque cylindre 3A, est adapté à coulisser le long de la paroi latérale de chaque cylindre 3A selon un mouvement rectiligne alternatif d'axe de translation V confondu avec l'axe du cylindre 3A associé. Comme le montre plus particulièrement la figure 2, le piston 10 comporte une paroi transversale 13 s'étendant selon un plan orthogonal à l'axe de translation V. Cette paroi transversale 13 est entourée d'une jupe périphérique 18 cylindrique creuse. Une extrémité de la jupe périphérique 18 est ainsi fermée par la paroi transversale 13. Comme le montre la figure 1, la face supérieure de la paroi transversale 13 du piston 10 est tournée vers la tête de cylindre du cylindre 3A associé, tandis que sa face inférieure est tournée vers le carter d'huile 4. Ce dernier peut éventuellement comporter des gicleurs d'huile (non représentés) assurant le refroidissement de cette face inférieure en projetant de l'huile dessus. La face externe de la jupe périphérique du piston 10 est quant à elle adaptée à coulisser le long de la paroi latérale du cylindre 3A associé. Les cylindres 3A délimitent ainsi, avec leurs têtes de cylindre et avec les parois transversales des pistons 10, une chambre de combustion 8. La jupe périphérique du piston 10 est percée transversalement, du côté de son extrémité ouverte, de deux ouvertures disposées en vis-à-vis selon un même diamètre de la jupe. Ces deux ouvertures accueillent un axe de piston 11 lié à une extrémité d'une bielle 9A. L'autre extrémité de cette bielle 9A est liée, par l'intermédiaire d'une liaison excentrique, à un vilebrequin 9. Ainsi, le mouvement rectiligne alternatif du piston 10 permet d'entraîner en rotation le vilebrequin 9 du moteur à combustion interne 1. Comme l'illustre la figure 2, la paroi transversale 13 du piston 10 est creusée pour réaliser un siège de combustion 19 au sein duquel se réalise l'inflammation du mélange de carburant et de gaz provenant de la conduite d'admission. Le siège de combustion 19 est situé au centre de la paroi transversale 13 du piston 10. Il présente en son centre une partie conique 14 centrée sur l'axe de translation V et tournée vers la chambre de combustion, dont l'angle au sommet est très ouvert. Il présente, autour de la base de cette partie conique 14, une partie torique 15 en creux. La section de ce tore creux forme un arc de trois-quarts de cercle, dont une extrémité est raccordée à la base de la partie conique 14, et dont l'autre est raccordée à la base d'une partie cylindrique 16 en creux et d'axe confondu avec l'axe de translation V. Le sommet de cette partie cylindrique 16 débouche sur une partie plane 12 du piston 10. Cette dernière s'étend dans un plan normal à l'axe de translation V, et raccorde le sommet de la partie cylindrique 16 et la jupe périphérique 18 du piston 10. La face externe de la jupe périphérique 18 présente, du côté de son extrémité fermée par la paroi transversale 13, trois gorges 20 périphériques s'étendant chacune dans un plan normal à l'axe de translation V. La gorge centrale est disposée à mi-hauteur entre les deux autre gorges (voir figures 2 et 4). Chacune de ces gorges 20 accueille un segment annulaire 21, 22, 23 de type différent : - un segment en contact avec le mélange de gaz, appelé segment de feu 21 ; lors de l'explosion du mélange de gaz dans la chambre de combustion, ce segment est plaqué contre le piston 10 dans sa gorge 20 et contre la paroi latérale du cylindre, ce qui assure une grande partie de l'étanchéité entre, d'une part, le mélange de gaz et de carburant présent dans la chambre de combustion, et, d'autre part, l'huile présente sur la paroi latérale du cylindre ; un segment d'étanchéité 22 qui assure l'étanchéité totale en arrêtant les gaz issus du mélange de gaz et de carburant qui seraient passés au-delà du segment de feu 21 ; et - un segment racleur 23 qui racle l'huile présente sur la paroi latérale du cylindre. En variante, comme le montre la figure 3, la face externe de la jupe périphérique 18 peut présenter, du côté de son extrémité fermée par la paroi transversale 13, une seule gorge 24 de hauteur importante et s'étendant dans un plan normal à l'axe de translation V. Selon cette variante, la gorge 24 accueille un anneau porte-segments 25 qui présente une forme de couronne de hauteur égale à la hauteur de la gorge 24 et de faible épaisseur. Cet anneau présente en outre sur sa face externe trois nervures périphériques constituant les segments annulaires précédemment décrits, à savoir les segments de feu 21, d'étanchéité 22 et racleur 23. Quoi qu'il en soit et comme le montre la figure 2, selon une caractéristique particulièrement avantageuse de l'invention, la paroi transversale 13 du piston 10 comporte une cavité 30 intérieure, totalement fermée, qui renferme un fluide réfrigérant. Ce fluide réfrigérant est ici un sel composé de sodium qui présente une excellente conductibilité thermique. La cavité 30 est ici remplie de ce fluide réfrigérant. Elle pourrait en variante être seulement remplie en partie de ce fluide, l'autre partie étant composée d'air. Telle que représentée sur la figure 2, cette cavité 30 comporte trois parties distinctes. Elle comporte tout d'abord une partie annulaire 32 qui longe continûment la jupe périphérique 18 sur l'ensemble de son pourtour, dans un plan normal à l'axe de translation V. Cette partie annulaire présente une section rectangulaire qui s'étend en hauteur depuis une zone de la paroi transversale 13 située en dessous du segment racleur 23 jusqu'à une zone de la paroi transversale 13 située au-dessus du segment de feu 21. Cette section rectangulaire s'étend en largeur, d'un côté, à proximité des gorges 20 d'accueil des segments annulaires, et, de l'autre, à proximité de la partie torique 15 en creux de la paroi transversale 13 du piston 10. Dans la variante de réalisation représentée sur la figure 3, la section rectangulaire de la partie annulaire 32 de la cavité 30 s'étend en hauteur depuis une zone de la paroi transversale 13 située en dessous de la paroi inférieure de la gorge 24 d'accueil de l'anneau porte-segments 25, jusqu'à une zone de la paroi transversale 13 située au-dessus de la paroi supérieure de cette même gorge 24. La cavité 30 comporte en outre une partie centrale 31 s'étendant sous la partie conique 14 du siège de combustion 19. Cette partie centrale 31 présente un axe de révolution confondu avec l'axe de translation V. Sa face tournée vers le siège de combustion 19 est arrondie de manière à ce que l'épaisseur de la paroi séparant le siège de combustion 19 de la partie centrale 31 de la cavité 30 soit sensiblement constante et pas trop élevée, de sorte que les transferts thermiques depuis le siège de combustion 19 vers la cavité 30 se fassent facilement et rapidement. Sa face inférieure tournée vers le carter d'huile est quant à elle plane. Avantageusement, comme le montrent les figures 2 et 3, la cavité 30 comprend des moyens de communication reliant les parties centrale 31 et annulaire 32 de la cavité 30. Tels que représentés sur la figure 2, ces moyens de communication sont formés par une troisième partie de la cavité 30, à savoir une partie de liaison annulaire 33 s'étendant entre la périphérie extérieure de la partie centrale 31 de la cavité 30 et la périphérie intérieure de la partie annulaire 32 de la cavité 30. Cette partie de liaison annulaire 33 s'étend selon un plan normal à l'axe de translation V et présente une faible hauteur. Sa face inférieure tournée vers le carter d'huile est ici confondue avec les faces inférieures des parties annulaire 32 et centrale 31 de la cavité 30. Ainsi, le fluide réfrigérant peut circuler dans l'ensemble de la cavité 30, des zones les plus froides aux zones les plus chaudes du piston, assurant ainsi une bonne répartition des contraintes thermiques dans le piston 10, et par conséquent un meilleur refroidissement de ce dernier. En variante, les moyens de communication reliant les parties centrale 31 et annulaire 32 de la cavité 30 peuvent comporter, comme le montre la figure 3, un canal 34 débouchant, d'un côté, dans la partie centrale 31 de la cavité 30, et, de l'autre, dans la partie annulaire 32 de la cavité 30. Bien sûr, ces moyens de communication peuvent comprendre plusieurs canaux répartis sur la périphérie extérieure de la partie centrale 31 de la cavité 30. Quoi qu'il en soit, le canal 34 présente un axe normal à l'axe de translation V et raccorde les parties annulaire 32 et centrale 31 de la cavité 30 au niveau de leurs parois inférieures tournées vers le carter d'huile. Préférentiellement, le piston est réalisé par moulage d'une seule pièce en acier trempé. La répartition des contraintes mécaniques et thermiques dans le piston 10 est ainsi optimale. Selon un deuxième mode de réalisation de l'invention représenté sur la figure 4, les parties centrale 31 et annulaire 32 de la cavité 30 sont indépendantes l'une de l'autre. Le piston 10 est ainsi dépourvu de moyens de communication entre les deux parties de sa cavité 30. Chacune des parties centrale 31 et annulaire 32 de la cavité 30 est alors remplie de son propre fluide réfrigérant. La présente invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et représentés, mais l'homme du métier saura y apporter toute variante conforme à son esprit. REVENDICATIONS 1. Piston (10) de moteur à combustion interne (1) comportant une paroi transversale (13) qui est entourée d'une jupe périphérique (18) cylindrique et qui comporte une cavité (30) fermée renfermant un fluide réfrigérant, caractérisé en ce que la cavité (30) comporte une partie annulaire (32) qui longe continûment la jupe périphérique (18) sur l'ensemble de son pourtour. 2. Piston (10) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la face supérieure de la paroi transversale (13) est creusée pour réaliser un siège de combustion (19), et la cavité (30) comporte une partie centrale (31) qui s'étend au moins partiellement en dessous du siège de combustion (19). 3. Piston (10) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la partie annulaire (32) de la cavité (30) s'étend autour du siège de combustion (19). 4. Piston (10) selon l'une des deux revendications précédentes, caractérisé en ce que les parties centrale (31) et annulaire (32) de la cavité (30) sont indépendantes l'une de l'autre. 5. Piston (10) selon l'une des revendications 2 et 3, caractérisé en ce que la cavité (30) comprend des moyens de communication (33 ; 34) reliant les parties centrale (31) et annulaire (32) de la cavité (30). 6. Piston (10) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les moyens de communication comportent au moins un canal (34) débouchant, d'un côté, dans la partie centrale (31) de la cavité (30), et, de l'autre, dans la partie annulaire (32) de la cavité (30). 7. Piston (10) selon la revendication 5, caractérisé en ce que les moyens de communication comportent une partie de liaison (33) annulaire s'étendant entre la périphérie extérieure de la partie centrale (31) de la cavité (30) et la périphérie intérieure de la partie annulaire (32) de la cavité (30). 8. Piston (10) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la jupe périphérique (18) présente au moins une gorge (20 ; 24) destinée à accueillir au moins un segment annulaire (21, 22, 23 ; 25), et la partie annulaire (32) de la cavité (30) présente une hauteur supérieure à la hauteur sur laquelle s'étend ladite gorge (20 ; 24). 9. Piston (10) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le piston (10) présente un axe de translation (V), et la partie centrale (31) de la cavité (30) comporte un axe de révolution confondu avec l'axe de translation (V) du piston (10). 10. Piston (10) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le fluide réfrigérant comporte un sel à base de sodium. 11. Piston (10) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est réalisé par moulage d'une seule pièce en acier trempé. 12. Moteur à combustion interne (1) comprenant un bloc-cylindres (3) pourvu d'au moins un cylindre (3A) coopérant avec un piston (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes.