Brevet FR2976333A1 — publié le 20121214

SEGMENT DE PISTON POUR MOTEUR THERMIQUE EQUIPANT UN VEHICULE AUTOMOBILE [0001 La présente invention est du domaine des moteurs thermiques, pour véhicule automobile notamment, et plus particulièrement du domaine des segments de piston équipant un piston coulissant à l'intérieur d'une chemise que loge un cylindre du moteur thermique. L'invention a pour objet un tel segment de piston. L'invention a également pour objet un piston équipé d'au moins un tel segment de piston. L'invention a enfin pour objet un moteur thermique pourvu d'un tel piston. [0002] Un moteur thermique équipant un véhicule automobile comprend au moins un cylindre qui ménage une chambre de combustion et qui loge une chemise à l'intérieur de laquelle est monté coulissant un piston d'entraînement en rotation d'un vilebrequin. Selon une forme commune de réalisation, le piston comporte une tête de piston qui est munie d'un jeu de segments de piston. La tête de piston est prolongée par une jupe porteuse d'un axe de piston en prise articulée sur une bielle de liaison du piston au vilebrequin. Les segments de piston sont placés en interposition radiale entre la tête de piston et la chemise. Les segments de piston sont destinés à assurer une étanchéité relative entre la chambre de combustion et un bas-carter logeant le vilebrequin. Les segments de piston sont aussi destinés à assurer une étanchéité relative entre la chambre de combustion et le bas carter tout en limitant des pertes mécaniques que ces derniers engendrent par contact avec la chemise, en assurant leur durabilité. Pour connaître un environnement technologique de la présente invention, on pourra par exemple se reporter au document BE509003 (CABARET) qui décrit des segments de piston du type susvisé. [0003] D'une manière générale, les segments de piston sont agencés en tore ouvert et sont individuellement logés et maintenus à l'intérieur de gorges respectives que comporte la tête de piston. Les segments de piston sont successivement axialement répartis sur la tête de piston et sont couramment au nombre de trois dont deux segments de compression respectivement d'étanchéité et de contrôle d'huile, et un segment racleur disposé entre les segments de compression. Le segment d'étanchéité est le segment de piston qui est disposé au plus près de la chambre de combustion tandis que le segment de contrôle d'huile est le segment de piston qui est placé au plus près du bas-carter. [0004 Le segment d'étanchéité a pour rôle d'assurer une première étanchéité à des gaz de combustion qui sont présents dans la chambre de combustion à une forte pression, telle que 180 bars pour une motorisation de type Diesel. Le segment racleur assure une deuxième étanchéité à une basse pression, telle que 4 à 6 bars. Le segment racleur assure aussi un raclage d'une huile présente dans le bas-carter de manière à éviter un passage de cette dernière depuis le bas- carter vers la chambre de combustion. Le segment de contrôle d'huile a aussi pour rôle de minimiser une telle remontée d'huile depuis le bas-carter vers la chambre de combustion. [0005] Il est courant d'injecter un carburant dans la chambre de combustion même si ce dernier ne participe pas à réaliser un couple d'efforts transmis à des roues du véhicule automobile, une telle injection participant essentiellement à un maintien à des températures élevées de gaz d'échappement produits par le moteur thermique. Une telle injection étant tardive dans un cycle de combustion que subit le piston, le carburant est envoyé en direction de la chemise, qui est recouverte d'un film d'huile, et non en direction d'un bol de combustion du piston. De plus, la chambre de combustion subit lors de cette injection des conditions thermodynamiques qui sont peu propices à une combustion du carburant, de telle sorte que ce dernier atteint la chemise en étant que partiellement brûlé. Il en découle une dilution non négligeable du carburant et de l'huile. Enfin, comme la chemise est recouverte d'un film d'huile de faible épaisseur, la dilution de carburant est susceptible d'être élevée pour atteindre plus de 50 % de carburant dans l'huile. [0006] Un tel mélange d'huile et de carburant est raclé par le segment racleur pour être ramené à l'intérieur du bas-carter et se mélanger avec l'huile présente à l'intérieur du bas-carter. Au cours du temps, une telle dilution tend à augmenter fortement, notamment dans le cas courant où le véhicule automobile est équipé d'un système de post-traitement des gaz d'échappement, tel qu'un filtre à particules et/ou un dispositif de réduction des oxydes d'azote. Or de nombreux composants du moteur thermique, tels que des paliers, des linguets ou analogue, sont dimensionnés pour une certaine viscosité d'huile. Il en découle, en cas d'une trop forte dilution de carburant dans l'huile, un risque d'usure prématurée de ces composants et finalement une détérioration du moteur thermique. [0007] La présente invention vient améliorer la situation. [0008] Un but de la présente invention est de proposer un segment d'étanchéité présentant une conformation permettant une meilleure étanchéité entre une chambre de combustion et un bas-carter d'un moteur thermique équipant un véhicule automobile, un tel segment d'étanchéité étant robuste, facile à réaliser et permettant d'empêcher un passage de carburant depuis la chambre de combustion vers le bas-carter, pour minimiser une dilution de carburant dans une huile présente à l'intérieur du bas-carter. Un autre but de la présente invention est de proposer un piston équipé d'un tel segment d'étanchéité. Un autre but est de proposer un moteur thermique comprenant au moins un tel piston. [0009] Un segment de la présente invention est un segment d'étanchéité comprenant une face externe comportant un sommet délimitant une zone supérieure et une zone inférieure. [0010] Selon la présente invention, au sommet, la zone supérieure ménage avec un plan radial du segment d'étanchéité un angle supérieur qui est supérieur à 45°. [0011] Préférentiellement, l'angle supérieur est supérieur à 80°. [0012] La zone supérieure comporte avantageusement une rigole. [0013] Un piston de la présente invention est principalement reconnaissable en ce que le piston est équipé d'un tel segment d'étanchéité. [0014] De préférence, le piston est en outre équipé d'une pluralité de segments dont un segment racleur et un segment de contrôle d'huile. [0015] Le segment racleur est avantageusement interposé entre le segment d'étanchéité et le segment de contrôle d'huile. [0016] Un moteur thermique de la présente invention est un moteur thermique comprenant une chemise logée à l'intérieur d'un cylindre de réception d'un tel piston. [0017] De préférence, le segment d'étanchéité est parmi les segments équipant le piston celui qui est disposé au plus près d'une chambre de combustion que comprend le moteur thermique. [0018] La zone supérieure est avantageusement orientée vers la chambre de combustion. [0019] Le sommet est avantageusement en appui contre la chemise. [0020] D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description qui va en être faite d'exemples de réalisation, en relation avec les figures des planches annexées, dans lesquelles : - La figure 1 est une vue schématique en perspective d'un carter-cylindres constitutif d'un moteur thermique de la présente invention. La figure 2 est une vue schématique en coupe d'un piston coulissant à l'intérieur d'un cylindre du carter-cylindres illustré sur la figue précédente. - Les figure 3 et figure 4 sont des vues schématiques partielles en coupe longitudinale de variantes de réalisation d'un segment d'étanchéité équipant le piston illustré sur la figure précédente. La figure 5 représente un taux de dilution de carburant dans une huile le long d'une chemise d'un moteur thermique de la présente invention. - Les figures 6a,6b,6c illustrent des étapes successives d'un coulissement alternatif du piston pourvu du segment d'étanchéité illustré sur la fig.4. [0021] Sur la figure 1, un carter-cylindres 1 constitutif d'un moteur thermique équipant un véhicule automobile comporte quatre cylindres 2. Selon d'autres variantes non illustrées, le carter-cylindres 1 est susceptible de comporter un autre nombre de cylindres 2. Chaque cylindre 2 loge une chemise respective 3 qui est conformée en un tube cylindrique. Le carter-cylindres 1 est par exemple réalisé en aluminium ou en fonte et est notamment obtenu par fonderie. Le carter-cylindres 1 délimite au moins partiellement un bas-carter 4 qui est prévu pour loger un vilebrequin non représenté sur la figure. Le bas-carter 4 contient une huile qui est destinée à lubrifier le vilebrequin et les autres éléments logés à l'intérieur du bas-carter 4. La chemise 3 délimite au moins partiellement une chambre de combustion 5 d'un carburant injecté à l'intérieur de la chambre de combustion 5. [0022] En se reportant aussi sur la figure 2, chaque chemise 3 loge un piston 6 qui est destiné à être placé en prise sur le vilebrequin pour l'entrainement en rotation de ce dernier. Le piston 6 est guidé en coulissement alternatif à l'intérieur de la chemise 3 et est muni d'un alésage 7 de réception d'un axe de piston pour sa mise en prise sur une bielle, non représentée sur la figure, assurant une liaison entre le piston 6 et le vilebrequin. L'alésage 7 est formé à travers une jupe 8 qui est ménagée en prolongement axial d'une tête de piston 9 équipée d'un jeu de segments de piston 10,11,12. Les segments de piston 10,11,12 sont de conformation globale annulaire et sont préférentiellement au nombre de trois, en étant logés à l'intérieur de gorges respectives 13 que comporte la tête de piston 9. Les segments de piston 10,11,12 sont successivement disposés sur la tête de piston 9 en adjacence axiale, et comprennent un couple de segments de compression 10,12 et un segment racleur 11 qui est axialement interposé entre les segments de compression 10,12. L'un des segments de compression 10,12 est un segment d'étanchéité 10 tandis que l'autre segment de compression 10,12 est un segment de contrôle d'huile 12. Le segment d'étanchéité 10 est le segment de compression 10,12 qui est disposé au plus près de la chambre de combustion 5 tandis que le segment de contrôle d'huile 12 est le segment de compression 10,12 qui est placé au plus près du bas-carter 4. Autrement dit, en allant de bas en haut sur la figure 2, c'est-à-dire de la chambre de combustion 5 vers le bas- carter 4, les segments de piston 10,11,12 successifs sont le segment d'étanchéité 10, le segment racleur 11 et le segment de contrôle d'huile 12. [0023] Selon la présente invention, il est proposé une conformation particulière du segment d'étanchéité 10, tel que décrit sur les figure 3 et figure 4, selon deux variantes de réalisation du segment d'étanchéité 10. [0024] Le segment d'étanchéité 10 est globalement agencé en un tore 14 d'axe de révolution A. Le tore 14 comporte deux faces aplaties 15,16 pour faciliter la mise en place du segment d'étanchéité 10 à l'intérieur de la gorge 13 qui le reçoit. Plus particulièrement, le tore 14 comporte une face supérieure 15 qui est orientée, en position d'utilisation du segment d'étanchéité 10, vers la chambre de combustion 5 et une face inférieure 16 qui est orientée, en position d'utilisation du segment d'étanchéité 10, vers le bas-carter 4. Entre la face supérieure 15 et la face inférieure 16, le tore 14 comporte une face externe 17 et une face interne 18, la face externe 17 étant la face du tore 14 qui est située à une distance externe De de l'axe de révolution A qui est supérieure à une distance interne Di à laquelle est située la face interne 18 par rapport à l'axe de révolution A. La face externe 17 du segment d'étanchéité 10 est celle qui est en contact avec la chemise 3, lorsque le piston 6 est logé à l'intérieur du cylindre 2. La face externe 17 comporte un sommet S qui est le point de la face externe situé à une distance maximale Dm de l'axe de révolution A. La face externe 17 comprend une zone supérieure 18 qui est interposée entre le sommet S et la face supérieure 15 et une zone inférieure 19 qui est interposée entre le sommet S et la face inférieure 16. En position d'utilisation du segment d'étanchéité 10, la zone supérieure 18 est orientée vers la chambre de combustion 5 tandis que la zone inférieure 19 est orientée vers le bas-carter 4. [0025] Au sommet S, la zone supérieure 18 forme avec un plan radial P du tore 14 un angle supérieur as qui est supérieur à 45°, voire supérieur à 80°. L'angle supérieur as est par exemple supérieur à un angle inférieur ai formée, au sommet S, entre la zone inférieure 19 et le plan radial P. Le plan radial P est un plan à l'intérieur duquel est globalement agencé le segment d'étanchéité 10, un tel plan radial P étant notamment sensiblement perpendiculaire à l'axe de révolution A du tore 14. [0026] Ces dispositions sont telles que la zone supérieure 18 forme un racloir pour empêcher un écoulement d'un mélange d'huile et de carburant depuis la chambre de combustion 5 vers le bas-carter 4. Il en découle une faible dilution de carburant présent dans le mélange d'huile et de carburant contenu à l'intérieur du bas-carter 4, voire une absence de carburant à l'intérieur du bas-carter 4. Il en résulte une pérennité améliorée du moteur thermique et de l'ensemble de ses composants. [0027] Sur la fig.4, la zone supérieure 18 comprend une rigole 20 de récupération du mélange de carburant et d'huile. Ces dispositions permettent encore d'empêcher un écoulement du mélange d'huile et de carburant depuis la chambre de combustion 5 vers le bas-carter 4. La rigole 20 est par exemple globalement conformée en une portion circulaire. [0028] En se reportant sur la figure 5 et sur les figure 6a à figure 6b, ces dispositions permettent notamment de maintenir en-dessous de 30% un taux de dilution T de carburant à l'intérieur de l'huile pour un quelconque point du film d'huile positionné entre un point mort haut PMH et un point mort bas PMB d'un coulissement alternatif 23 du piston 6 à l'intérieur du cylindre 2. Le point mort haut PMH est constitué du point d'arrêt vers le haut du segment d'étanchéité 10 lors du coulissement alternatif 23 du piston 6 à l'intérieur du cylindre 2 tandis que le point mort bas PMB est constitué du point d'arrêt vers le bas du segment de contrôle d'huile 12 lors du coulissement alternatif 23 du piston 6 à l'intérieur du cylindre 2. Autrement dit, ces dispositions permettent de limiter de plus de 90% une quantité de carburant admise à l'intérieur du bas-carter 4. [0029] Ces dispositions sont telles qu'une zone de raclage vers le haut 21, située au-dessus du point mort haut PMH, et une zone de raclage vers le bas 22, située en dessous du point mort haut PMH, présentent des taux de dilution T respectifs de nature totalement différente. Le taux de dilution T en zone de raclage vers le haut 21 est supérieur au taux de dilution en zone de raclage vers le bas 22. En effet, la zone de raclage vers le haut 21 est exempte de raclage puisque située au-dessus du point mort haut PMH. Il en découle que la zone de raclage vers le haut 21 concentre un excédent 24 d'huile chargé en essence qui n'est pas admis entre le point mort haut PMH et le point mort bas PMB. [0030] Sur les figure 6a à figure 6c, qui illustrent des étapes successives du coulissement alternatif du piston 6 à l'intérieur du cylindre 2, l'excédent 24 est ramené de la zone de raclage vers le bas 22 vers la zone de raclage vers le haut 21 au cours d'une étape de compression ou d'échappement illustré sur la figure 6a. Lorsque le segment d'étanchéité 10 atteint le point mort haut PMH, tel qu'illustré sur la figure 6b, l'excédent 24 est concentré en zone de raclage vers le haut 21. Au cours d'une étape de détente ou de remplissage, illustrée sur la figure 6c, l'excédent 24 reste en zone de raclage vers le haut 21, nonobstant une descente du segment d'étanchéité 10. [0031] La diminution de la dilution de carburant dans l'huile permet d'utiliser une huile comportant une viscosité plus basse que l'huile couramment utilisée pour un gain en consommation de carburant, et/ou d'espacer temporairement des vidanges d'huile du moteur thermique. [0032] Par ailleurs, la conception d'un tel segment d'étanchéité 10 est susceptible de comprendre une détermination d'un profil optimisé pour maintenir une épaisseur E de film d'huile afin d'assurer une durabilité et un frottement réduit, tout en raclant vers le haut l'excédent 24. Une telle épaisseur E est calculée par des moyens de calcul basés sur une description physique du comportement hydrodynamique des contacts, notamment à partir de l'équation de Reynolds. Plus particulièrement, on calcule une répartition du film d'huile sur une hauteur du cylindre 2 pour déterminer une quantité d'huile que le segment d'étanchéité 10 repousse vers le haut jusqu'au point mort haut PMH. L'excédent 24 amené au point mort haut PMH n'est pas redescendu vers le bas car le segment d'étanchéité 10 est en bout de course au point mort haut PMH. Le profil du segment d'étanchéité 10 est défini afin de favoriser ce phénomène, son profil étant une donnée d'entrée du calcul du film d'huile et il est possible de réitérer ce calcul.30 REVENDICATIONS1.- Segment d'étanchéité (10) comprenant une face externe (17) comportant un sommet (S) délimitant une zone supérieure (18) et une zone inférieure (19), caractérisé en ce qu'au sommet (S), la zone supérieure (18) ménage avec un plan radial (P) du segment d'étanchéité (10) un angle supérieur (as) qui est supérieur à 45°. 2.- Segment d'étanchéité (10) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l'angle supérieur (as) est supérieur à 80°. 3.- Segment d'étanchéité (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la zone supérieure (18) comporte une rigole (20). 4.- Piston (6) équipé d'un segment d'étanchéité (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes. 5.- Piston (6) selon la revendication 4, caractérisé en ce que le piston (6) est en outre équipé d'une pluralité de segments (10,11,12) dont un segment racleur (11) et un segment de contrôle d'huile (12). 6.- Piston (6) selon la revendication 5, caractérisé en ce que le segment racleur (11) est interposé entre le segment d'étanchéité (10) et le segment de contrôle d'huile (12). 7.- Moteur thermique comprenant une chemise (3) logée à l'intérieur d'un cylindre (2) de réception d'un piston (6) selon l'une quelconque des revendications 4 à 6. 8.- Moteur thermique selon la revendication 7 équipé d'un piston (6) selon l'une des revendications 5 et 6, caractérisé en ce que le segment d'étanchéité (10) est parmi les segments (10,11,12) équipant le piston (6) celui qui est disposé au plus près d'une chambre de combustion (5) que comprend le moteur thermique. 9.- Moteur thermique selon la revendication 8, caractérisé en ce que la zone supérieure (18) est orientée vers la chambre de combustion (5). 10.- Moteur thermique selon l'une quelconque des revendications 7 à 9, caractérisé en ce que le sommet (S) est en appui contre la chemise (3).5