Brevet FR3026439A1 — publié le 20160401

« Piston en acier pour un moteur à combustion interne comportant des moyens de refroidissement » La présente invention concerne un piston en acier pour un moteur à combustion interne comportant des moyens de refroidissement. La présente invention concerne plus particulièrement un piston en acier pour un moteur à combustion interne comportant au moins une tête de piston dans une face supérieure de laquelle est ménagé un bol de combustion comportant un fond, des bossages de support pour un axe d'articulation d'une bielle qui s'étendent axialement, à partir d'une face inférieure de la tête, à l'intérieur d'une cavité délimitée radialement par une jupe de guidage du piston, des moyens de refroidissement du piston comportant au moins des premiers moyens formés par une galerie annulaire de refroidissement par huile réalisée dans la tête de piston et des deuxièmes moyens pour le refroidissement du fond du bol de combustion. Dans un moteur à combustion interne, notamment pour un véhicule automobile, le piston remplit quatre fonctions essentielles : il doit, tout en étant mobile, contribuer à l'étanchéité entre la chambre de combustion et le carter (ou bloc-cylindres), supporter la pression des gaz créés par la combustion et la transmettre par l'intermédiaire de la bielle au vilebrequin, résister aux forces latérales qu'il exerce sur la paroi du cylindre et enfin conduire la chaleur aussi rapidement que possible à la paroi du cylindre. La présente invention concerne tout particulièrement cette dernière fonction d'échanges thermiques et de refroidissement. En effet, la combustion du mélange air-carburant provoque des températures particulièrement élevées dans la chambre de combustion dont le piston constitue la partie mobile. La chaleur que le piston absorbe lors de la combustion doit être transmise au cylindre pour être évacuée par le système de refroidissement du moteur, comme à l'huile de graissage qui évacue également de la chaleur. Par conséquent, le piston doit être fabriqué dans un matériau résistant à la chaleur et présentant une bonne conductibilité thermique pour assurer un refroidissement rapide du piston. Les pistons sont généralement réalisés en alliages d'aluminium qui présentent une faible masse volumique et une très grande conductibilité thermique, mais parfois encore, au moins pour la tête de piston, en acier. L'utilisation de piston en acier permet de réduire les frottements (bonnes caractéristiques de glissement) notamment dans des applications moteur comportant un carter réalisé en fonte. Cependant, l'acier présente une conductivité thermique inférieure à celle de l'aluminium ce qui peut entrainer un gradient de température de pente importante entre une partie centrale du piston et une partie généralement en périphérie du piston où sont disposés des moyens de refroidissement du piston. L'invention concerne plus particulièrement les moteurs à combustion interne suralimentés, notamment de type Diesel, qui présentent de fortes charges et dans lesquels les contraintes thermiques et les problèmes de refroidissement sont importants. Dans les moteurs suralimentés par au moins un turbocompresseur, les pressions et les températures sont en effet particulièrement élevées de sorte que des pistons utilisés doivent comporter des moyens de refroidissement. Selon une conception connue de l'état de la technique, les moyens de refroidissement du piston mis en oeuvre utilisent de l'huile sous pression. Les moyens de refroidissement du piston comportent au moins des premiers moyens formés par une galerie de refroidissement qui, réalisée circonférentiellement dans la tête de piston, se remplie d'huile du moteur lorsque le piston effectue axialement son déplacement alternatif dans le cylindre. Les moyens de refroidissement du piston comportent encore des deuxièmes moyens réalisés sous la forme d'un gicleur d'huile, notamment destinés au refroidissement du fond du bol de com bustion. Cependant, de tels moyens de refroidissement ne donnent pas entière satisfaction, notamment pas dans le cas d'un piston en acier et en particulier si ledit piston équipe un moteur 10 suralimenté. En effet, un piston en acier présente une conductivité thermique moindre que celle d'un piston en alliages d'aluminium de sorte qu'une galerie de refroidissement ne permet pas d'obtenir un refroidissement satisfaisant du fond du bol de 15 combustion, en particulier pas de la partie centrale du fond du bol qui en est la plus éloignée. C'est la raison pour laquelle des deuxièmes moyens de refroidissement par projection d'huile sont généralement mis en oeuvre, mais le jet d'huile projeté par un gicleur n'atteint que 20 difficilement la partie centrale du fond du bol de combustion qui est en partie cachée par la bielle. De plus, la partie du jet d'huile qui y parvient rebondit alors sur la face inférieure de la tête du piston située en dessous de ladite partie centrale du fond, n'ayant finalement qu'un effet réduit 25 eu égard notamment au faible temps de contact. En conséquence, la combinaison de tels premiers et deuxièmes moyens de refroidissement se révèle peu efficace sauf à augmenter considérablement la quantité d'huile au détriment alors de la faible résistance de frottement que présente un piston 30 acier (le couple résistif pompe à huile s'en trouvant augmenté). En l'absence de refroidissement efficace du fond du piston, l'un des risques est celui de la cokéfaction de l'huile en raison des températures critiques atteintes, notamment dans la partie centrale du fond du bol de combustion. On constate alors une dégradation prématurée de l'huile du moteur ainsi que la formation d'une barrière thermique d'huile 5 cokéfiée sur le fond du bol qui va réduire les échanges thermiques et provoquer une augmentation continue de la température du piston pouvant aller jusqu'à des dégradations irréversibles comme une « desquamation » de l'acier du piston. Le but de la présente invention est notamment de résoudre 10 les inconvénients précités et de proposer une solution pour le refroidissement d'un piston en acier et tout particulièrement pour le fond du bol de combustion, en particulier lorsque le moteur équipé du piston est de type Diesel suralimenté. Dans ce but, l'invention propose un piston en acier du type 15 décrit précédemment, caractérisé en ce que lesdits deuxièmes moyens de refroidissement comportent au moins une plaque qui est montée à l'intérieur de la cavité, en dessous la face inférieure de la tête de piston, et délimite avec ladite face un passage pour le refroidissement du fond du bol de combustion par circulation 20 d'huile. Avantageusement, la plaque selon l'invention permet de former un passage de refroidissement par huile et ainsi d'obtenir un écoulement d'huile venant lécher la face inférieure de la tête de piston, axialement à l'opposé du fond du bol de combustion, 25 grâce à quoi un refroidissement efficace de la partie centrale du fond est tout particulièrement obtenu. Selon d'autres caractéristiques de l'invention : - la plaque comporte au moins un élément d'entrée par lequel pénètre l'huile destinée à s'écouler dans ledit passage et 30 un élément de sortie par lequel l'huile est évacuée ; - la plaque présente une forme générale de languette comportant respectivement ledit au moins un élément d'entrée à l'une de ses extrémités et ledit au moins un élément de sortie à l'autre de ses extrémités ; - ledit au moins un élément d'entrée de l'huile comporte un tronçon de conduite s'étendant axialement en saillie en dessous de la plaque et débouchant dans la plaque par un trou d'admission et ledit au moins un élément de sortie de l'huile est constitué par un trou d'échappement ménagé dans la plaque ; - la plaque s'étend radialement entre lesdits bossages et axialement entre la face inférieure de la tête de piston et ladite bielle ; - la plaque comporte des moyens de guidage de l'huile pour guider l'huile vers ledit passage de refroidissement du fond du bol de combustion ; - les moyens de guidage de l'huile comportent au moins 15 des ailes qui s'étendent axialement de part et d'autre de la plaque ; - la plaque présente, en coupe axiale, un profil analogue à celui de la face inférieure de la tête de piston de manière que l'huile s'écoule dans le passage suivant un parcours léchant la 20 face inférieure de la tête de piston opposée au fond et passant par le centre du bol de combustion ; - la plaque est fixée solidairement à la face inférieure de la tête de piston, notamment par soudage ou par sertissage ; - la plaque est fabriquée par emboutissage. 25 D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre pour la compréhension de laquelle on se reportera aux figures dans lesquelles : - la figure 1 est une vue en coupe qui représente un piston 30 en acier comportant des moyens de refroidissement et qui illustre un mode de réalisation d'une plaque selon l'invention pour former un passage d'huile apte à refroidir le fond du bol de combustion du piston ; - la figure 2 est une vue de dessous du piston, du côté de la cavité opposée au bol de combustion, qui représente la plaque selon le mode de réalisation de la figure 1. Dans la suite de la présente description, on utilisera par convention les directions axiale et radiale en référence au repère (X, Y) représenté sur les figures 1 et 2, donné sans référence à la gravité terrestre. On décrira ci-après de manière non limitative un exemple d'un piston en acier comportant des moyens de refroidissement perfectionnés selon un mode de réalisation de l'invention. La figure 1 représente un piston 10 en acier pour un moteur à combustion interne, notamment pour un moteur Diesel suralimenté. Le piston 10 comporte au moins une tête 12 de piston dans une face 14 supérieure de laquelle est ménagé un bol 16 de combustion comportant un fond 18. De préférence, le fond 18 du bol 16 de combustion présente une partie centrale 20 en forme de dôme. Le piston 10 comporte des bossages 22 de support pour un axe d'articulation 22a d'une bielle 24. Les bossages 22 de support s'étendent axialement, à partir d'une face 26 inférieure de la tête 12, à l'intérieur d'une cavité 28 qui est délimitée radialement par une jupe 30 de guidage du piston. La bielle 24 comporte une tête qui est montée dans ladite cavité 28 comportant lesdits bossages 22 de support (figure 2) pour son axe d'articulation. La bielle 24 est destinée à entrainer axialement ledit piston 10 pour exécuter un déplacement alternatif dans un cylindre (non 30 représenté) d'un carter, respectivement entre au moins une position haute et une position basse. Le piston 10 comporte des moyens de refroidissement destinés à permettre un refroidissement du piston et l'évacuation de la chaleur vers le cylindre. Le piston 10 comporte au moins des premiers moyens de 5 refroidissement qui sont formés par une galerie 32 de refroidissement par huile. La galerie 32 de refroidissement est réalisée dans la tête 12 de piston, de forme globalement annulaire la galerie 32 s'étend circonférentiellement autour du bol 18. 10 La galerie 32 de refroidissement est alimentée en huile par au moins un orifice 34 d'entrée qui débouche axialement dans la cavité 28 et l'huile circulant dans la galerie 32 est ensuite évacuée par au moins un orifice 36 de sortie. La galerie 32 de refroidissement est comprise radialement 15 entre le bol 16 de combustion et une zone 38 de segmentation située dans la surface externe de la tête 12 et destinée à recevoir des segments (non représentés). Le piston 10 comporte encore des deuxièmes moyens 40 de refroidissement qui sont plus particulièrement destinés à 20 refroidir le fond 18 du bol 16 de combustion, notamment sa partie centrale 20. Conformément à l'invention, lesdits deuxièmes moyens de refroidissement comportent un conduit d'amenée 42 d'huile ou passage d'huile vers ladite partie centrale 20 du piston. Ledit 25 conduit d'amenée est destiné à diriger une circulation d'huile depuis une partie périphérique de la cavité 28 vers la partie centrale 20. L'huile peut ainsi rester plus longtemps en contact avec le fond du piston afin d'améliorer les transferts de chaleur entre l'acier et l'huile et le refroidissement dudit fond de piston 30 18. Ledit conduit 42 comprend au moins une plaque 40 qui est montée à l'intérieur de la cavité 28 du piston 10 et s'étend en dessous de la face 26 inférieure de la tête 12 de piston. La plaque 40 délimite avec ladite face 26 inférieure le passage 42 d'huile destiné à permettre un refroidissement du fond 18 du bol 16 de combustion par circulation d'huile. Dans le mode de réalisation représenté sur les figures 1 et 2, la plaque 40 comporte au moins un élément 44 d'entrée par lequel pénètre l'huile destinée à s'écouler dans ledit passage 42 de refroidissement et un élément 46 de sortie par lequel l'huile est ensuite évacuée. La plaque 40 présente ici une forme générale de languette. La plaque 40 comporte respectivement ledit au moins un élément 44 d'entrée à l'une de ses extrémités et ledit au moins un élément 46 de sortie à l'autre, radialement opposée, de ses extrémités. Dans le mode de réalisation représenté sur les figures 1 et 2, ledit au moins un élément 44 d'entrée de l'huile comporte de préférence un tronçon 48 de conduite s'étendant axialement en saillie en dessous de la plaque 40 et débouchant dans la plaque 40 par un trou 44 d'admission par lequel l'huile pénètre dans le passage 42 de refroidissement du fond 18 du bol 16. En variante non représentée, ledit au moins un élément 44 d'entrée de l'huile est formé seulement par ledit trou 44 d'admission. Des moyens d'alimentation en huile (non représentés), tels qu'au moins un gicleur, sont avantageusement associés aux moyens de refroidissement du piston 10 en général et à la plaque 40 en particulier, afin de projeter au moins un jet « j » d'huile vers ledit élément 44 d'entrée et alimenter en huile ledit passage 42 de refroidissement. De préférence, ledit au moins un élément 46 de sortie de l'huile hors du passage 42 de refroidissement est constitué par un trou 46 d'échappement ménagé dans la plaque 40. Tel qu'illustré sur la figure 2, la plaque 40 s'étend radialement entre lesdits bossages 22 et axialement entre la face 26 inférieure de la tête 12 de piston et la bielle 24, plus précisément un chapeau de la tête de ladite bielle 24. Avantageusement, la plaque 40 comporte des moyens 50 de guidage de l'huile qui sont aptes à guider radialement l'huile introduite par le trou 44 d'admission vers ledit passage 42 de refroidissement du fond 18 du bol 16 de combustion et plus particulièrement la partie centrale 20 dudit fond 18. De préférence, les moyens 50 de guidage de l'huile comportent au moins des ailes qui s'étendent axialement de part et d'autre de la plaque 40. Les ailes 50 de guidage sont agencées en aval dudit au moins un élément 44 d'entrée de l'huile, au début du parcours emprunté par l'huile en direction du centre 20 du fond 18 du bol 16 de combustion. Le parcours suivi par l'huile dans le passage 42 entre le trou 40 d'admission et le trou 44 d'échappement est sensiblement rectiligne, et s'effectue suivant la direction radiale. De préférence, la plaque 40 présente, en coupe axiale, un profil analogue à celui de la face 26 inférieure de la tête 12 de 20 piston. Tel qu'illustré, la plaque 40 présente une forme générale de dôme analogue au fond 18 de manière que la section du passage 42 pour l'huile soit de préférence sensiblement constante. 25 Avantageusement, l'huile s'écoule dans le passage 42 suivant un parcours léchant la face 26 inférieure de la tête 12 de piston, axialement opposée au fond 18, et passant avantageusement par le centre 20, ici en forme de dôme, du fond 18 du bol 16 de combustion du piston 10. 30 La plaque 40 est une pièce rapportée sur le piston 10 en acier et qui est fixée solidairement à la face 26 inférieure de la tête 12 de piston. De préférence, la plaque 40 est fixée par soudage ou par sertissage, en variante par tout autre moyen de fixation équivalent. Avantageusement, la plaque 40 en forme de languette est fixée à chacune de ses extrémités radiales. De préférence, la plaque 40 est fabriquée par emboutissage, notamment à partir d'une tôle de faible épaisseur, par exemple réalisée dans un métal tel que de l'acier. L'invention n'est pas limitée au mode de réalisation décrit ci-avant mais elle en embrasse au contraire toutes les variantes. Par exemple, le conduit d'amenée 42 d'huile vers la partie centrale 20 du piston peut être réalisé par au moins un perçage sensiblement transversal depuis une partie en périphérie du fond 18 du bol 16 du piston et dirigé vers ladite partie centrale 20 du piston. REVENDICATIONS1. Piston (10) en acier pour un moteur à combustion interne comportant au moins une tête (12) de piston dans une face (14) supérieure de laquelle est ménagé un bol (16) de 5 combustion comportant un fond (18), des bossages (22) de support pour un axe d'articulation d'une bielle (24) qui s'étendent axialement, à partir d'une face (26) inférieure de la tête (12), à l'intérieur d'une cavité (28) délimitée radialement par une jupe (30) de guidage du piston, des moyens de refroidissement du 10 piston comportant au moins des premiers moyens formés par une galerie (32) annulaire de refroidissement par huile réalisée dans la tête (12) de piston et des deuxièmes moyens (40) pour le refroidissement du fond (18) du bol (16) de combustion, caractérisé en ce que lesdits deuxièmes moyens de 15 refroidissement comportent un conduit d'amenée (42) d'huile vers une partie centrale (20) du piston. 2. Piston selon la revendication 1, caractérisé en ce que le conduit d'amenée comprend au moins une plaque (40) qui est montée à l'intérieur de la cavité (28), en dessous de laface (26) 20 inférieure de la tête (12) de piston, et délimite avec ladite face (26) le conduit d'amenée d'huile (42) pour le refroidissement du fond (18) du bol (16) de combustion par circulation d'huile. 3. Piston selon la revendication 2, caractérisé en ce que la plaque (40) comporte au moins un élément (44) d'entrée par 25 lequel pénètre l'huile destinée à s'écouler dans ledit passage (42) et un élément (46) de sortie par lequel l'huile est évacuée. 4. Piston selon la revendication 3, caractérisé en ce que la plaque (40) présente une forme générale de languette comportant respectivement ledit au moins un élément (44) d'entrée à l'une de 30 ses extrémités et ledit au moins un élément (46) de sortie à l'autre de ses extrémités. 5. Piston selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que ledit au moins un élément (44) d'entrée de l'huile comporteun tronçon (48) de conduite s'étendant axialement en saillie en dessous de la plaque (40) et débouchant dans la plaque (40) par un trou (44) d'admission et en ce que ledit au moins un élément (46) de sortie de l'huile est constitué par un trou (46) d'échappement ménagé dans la plaque (40). 6. Piston selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que la plaque (40) s'étend radialement entre lesdits bossages (22) et axialement entre la face (26) inférieure de la tête (12) de piston et ladite bielle (24). 7. Piston selon l'une quelconque des revendications 2 à 6, caractérisé en ce que la plaque (40) comporte des moyens (50) de guidage de l'huile pour guider l'huile vers ledit passage (42) de refroidissement du fond (18) du bol (16) de combustion. 8. Piston selon la revendication 7, caractérisé en ce que les moyens (50) de guidage de l'huile comportent au moins des ailes (50) qui s'étendent axialement de part et d'autre de la plaque (40). 9. Piston selon l'une quelconque des revendications 2 à 8, caractérisé en ce que la plaque (40) présente, en coupe axiale, un profil analogue à celui de la face (26) inférieure de la tête (12) de piston de manière que l'huile s'écoule dans le passage (42) suivant un parcours léchant la face (26) inférieure de la tête (12) de piston opposée au fond (18) et passant par le centre (20) du bol (16) de combustion. 10. Piston selon l'une quelconque des revendications 2 à 9, caractérisé en ce que la plaque (40) est fixée solidairement à la face (26) inférieure de la tête (12) de piston, notamment par soudage ou par sertissage. 11. Piston selon l'une quelconque des revendications 2 à 30 10, caractérisé en ce que la plaque (40) est fabriquée par emboutissage. 12 . Piston selon la revendication 1, caractérisé en ce que le conduit d'amenée d'huile (42) est formé par au moins unperçage transversal depuis une partie périphérique du fond (18) du bol du piston et dirigé vers la partie centrale (20) du piston.