FR2915244A1 - Piston pour moteur de vehicule automobile - Google Patents

Abstract

La présente invention concerne un piston pour moteur de véhicule automobile.Selon l'invention, le piston (52) est caractérisé en ce que l'extrémité plane est inclinée par rapport au plan (P) dans lequel s'inscrit la gorge (53a).L'invention trouve application dans le domaine de l'automobile.

Description

Piston pour moteur de véhicule automobile .

La présente invention concerne un piston pour un moteur de véhicule automobile, ainsi qu'un moteur de 5 véhicule comportant un tel piston. La figure 1 représente schématiquement un piston 1 se déplaçant à l'intérieur d'un cylindre 2. Le piston 1 effectue, le long de l'axe du cylindre 2, un mouvement dit primaire qui génère les variations de volume de la 10 chambre de combustion. La pression issue de la combustion génère sur la tête du piston 1 des efforts que ce dernier transfert à la bielle. A cause du jeu de fonctionnement existant entre la chemise du cylindre 2 et le piston 1, celui-ci effectue un mouvement dit secondaire 15 correspondant, d'une part, à sa rotation autour de l'axe piston 3 ( tilt ), représentée par la double flèche 4, et, d'autre part, à un déplacement latéral ( slap ) représenté par la double flèche 5. Au cours d'un cycle de combustion moteur, le 20 mouvement secondaire génère des efforts latéraux 6 entre le piston 1 et la chemise. Un pic d'effort ponctuel correspond à un choc entre le piston 1 et la chemise, génère un bruit mécanique et implique une dégradation de l'acoustique du moteur. L'effort moyen génère une force 25 de frottement 7 entre le piston 1 et la chemise et contribue aux pertes par frottement du moteur. De telles pertes sont évaluées à environ 10% des pertes mécaniques. Le mouvement secondaire impacte aussi le raclage de l'huile par les segments du piston 1. En effet, si le 30 raclage est trop important, la chemise va s'assécher et les segments vont générer des frottements et de l'usure sur la chemise. Si le raclage est insuffisant, un excès d'huile va s'accumuler au niveau des segments qui vont la transporter jusqu'à la chambre de combustion, entraînant 35 alors une consommation excessive d'huile et une émission d'espèces polluantes ou pouvant dégrader les systèmes de post-traitement des gaz d'échappement. La complexité de ce mouvement secondaire fait qu'il est difficile d'optimiser le profil des jupes pour avoir un raclage idéal. Le mouvement secondaire du piston 1 génère de nombreux désavantages, que ce soit la génération de bruit, l'apparition de frottements, l'usure des pièces ou l'augmentation de la consommation d'huile. Différentes solutions ont été envisagées afin de limiter le mouvement secondaire du piston 1. Une première solution consiste à assurer un guidage optimal du piston 1 dans le cylindre 2 en optimisant, d'une part, la forme et les caractéristiques (matériaux, élasticité) de la jupe du piston 1, et, d'autre part, la géométrie et la déformée piston 1 et chemise à chaud afin de limiter le jeu. La mise en oeuvre de cette solution est limitée, car il n'est pas possible d'annuler complètement le jeu. Une seconde solution consiste à désaxer le vilebrequin. Le désaxage permet de modifier les efforts bielle/piston et de rééquilibrer ceux-ci par rapport à la forme des efforts en chambre de combustion. Le désaxage doit être tel qu'en phase de compression et en phase de détente, le niveau d'effort ponctuelle et le niveau d'effort moyen restent à peu près équivalents, entraînant une diminution de l'amplitude des pics d'efforts latéraux. La figure 2 montre les courbes des efforts latéraux (ordonnée) exprimés en kilo newtons qui s'exercent entre le piston 1 et la chemise en fonction de l'angle de rotation du vilebrequin (abscisse) pour différentes valeurs du désaxage. Les courbes 20, 22 et 24 correspondent respectivement à un désaxage de 0 mm, 10 mm et 20 mm. Cette seconde solution permet de réduire les bruits générés par les chocs entre le piston 1 et la chemise, ainsi que les frottements. Mais afin de désaxer le vilebrequin, l'architecture du moteur doit être modifiée ce qui entraîne de lourdes modifications des moteurs. En outre, le désaxage du vilebrequin nécessite un volume en bas de carter plus important et donc un volume et un poids du moteur plus importants, ce qui va à l'encontre des diminutions des masses et de la consommation de carburant. L'invention a pour but de remédier aux inconvénients mentionnés ci-dessus en proposant un piston qui permet de diminuer le mouvement secondaire de ce piston sans mettre en oeuvre les solutions désavantageuses de l'état de la technique. A cet effet, la présente invention concerne un piston pour moteur de véhicule automobile, destiné à coulisser dans un cylindre le long d'un axe, ledit piston comprenant une extrémité plane délimitant partiellement une chambre de combustion, et au moins une gorge s'inscrivant dans un plan perpendiculaire audit axe et dans laquelle est inséré un segment, et qui est caractérisé en ce que l'extrémité plane est inclinée par rapport au plan dans lequel s'inscrit la gorge. De préférence, l'angle d'inclinaison est compris entre 2 et 10 .

La partie du piston délimitée par la gorge et l'extrémité plane inclinée, possède une hauteur variable sur sa circonférence, la hauteur minimale étant située du coté de la poussée sur le piston. Le piston comprend un axe de rotation autour duquel 25 pivote le pied d'une bielle, et l'extrémité plane inclinée est parallèle audit axe de rotation. L'invention propose également un moteur comprenant au moins un cylindre et au moins un piston tel que défini précédemment. 30 L'invention sera mieux comprise, et d'autres buts, caractéristiques, détails et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement au cours de la description explicative qui va suivre faite en référence aux dessins schématiques annexés donnés uniquement à titre d'exemple 35 illustrant un mode de réalisation de l'invention et dans lesquels : - la figure 1 représente schématiquement un piston dans un cylindre de moteur à combustion interne, - la figure 2 représente les courbes des efforts latéraux en fonction de l'angle de rotation du vilebrequin pour un ensemble piston-segment de l'état de la technique, - la figure 3 représente un ensemble piston-segment de l'état de la technique, - la figure 4 représente un ensemble piston-segment 10 selon l'invention, - la figure 5 représente l'effort entre le piston et la chemise, et - la figure 6 représente l'effort équilibré entre le piston et la chemise. 15 Un ensemble segment-piston 30 de l'état de la technique est représenté sur la figure 3. Cet ensemble 30 comprend un piston 31 et trois segments 32a, 32b et 32c et se déplace à l'intérieur d'un cylindre 34 sous l'effet de la combustion qui s'effectue dans la chambre de 20 combustion. Le piston 31 est solidaire d'une bielle 35 dont le pied est monté rotatif autour de l'axe piston 57. Entre le premier segment 32a qui se trouve le plus près de la chambre de combustion et la tête du piston 31 est défini un premier cordon 36. Le piston 31 et le cylindre 25 34 ont la forme de cylindres de révolution de même axe 40. Le premier segment 32a a la forme d'une couronne inscrite dans un plan P perpendiculaire à l'axe 40. La pression créée lors de la combustion, génère sur la tête du piston 31, un effort principal 37 qui entraîne 30 l'attelage mobile 31, 35 en convertissant l'énergie de la combustion en énergie mécanique. Du fait du jeu entre la chemise et le piston 31, la pression génère également des efforts secondaires 38 qui s'exercent sur le pourtour du premier cordon 36. La présence du premier segment 32a 35 limite le passage des gaz de combustion et l'effort qui s'exerce sur le deuxième cordon 39 est beaucoup plus faible. Selon un exemple particulier, la pression au niveau du premier cordon 36 est de l'ordre de 160 bars et la pression au niveau du deuxième cordon 39 est de l'ordre de 2 bars. Le premier cordon 36 du piston 31 de l'état de la technique est axisymétrique par rapport à l'axe 40 et la résultante des efforts secondaires 38 est très faible car les efforts secondaires s'exercent de manière sensiblement équivalentes sur l'ensemble du pourtour du premier cordon 36. La figure 5 montre, dans le cas d'un ensemble 30 de l'état de la technique, la courbe de l'effort normal (exprimé en newtons) entre la jupe du piston 31 et la chemise du cylindre 34 (ordonnée) en fonction de l'angle de rotation du vilebrequin (abscisse). Cette courbe montre qu'un extremum est atteint pour environ 360 , où l'intensité de l'effort est alors d'environ 11 kN. Le côté du piston 31 sur lequel s'exerce cette force maximale est appelé "côté poussée" et le côté diamétralement opposé est alors appelé "côté contre-poussée".

Afin de réduire, voir d'éliminer, le mouvement secondaire, une force opposée en direction et d'intensité égale à la force maximale, doit être appliquée sur le piston tout le long de son déplacement. En appliquant une telle force, le pic correspondant à la force maximale est réduit d'autant et élimine les bruits des chocs. La figure 4 est une vue latérale d'un ensemble piston-segment 50 pour un moteur de véhicule selon l'invention. L'ensemble piston-segment 50 se déplace à l'intérieur d'un cylindre 34 et le long de l'axe 40 dudit cylindre 34. L'ensemble piston-segment 50 comprend un piston 52 et un premier segment 53 fixé sur le piston 52. Le premier segment 53 est le segment qui se trouve le plus près de la chambre de combustion. Le déplacement du piston 52 s'effectue de manière à ce que la zone en deçà du premier segment 53 reste étanche, c'est-à-dire que les gaz issus de la combustion et/ou l'huile ne traversent pas la barrière formée par le premier segment 53. Le premier segment 53 a la forme d'une couronne logée dans une gorge 53a inscrite dans un plan perpendiculaire à l'axe 40. L'extrémité de la tête du piston 54 s'inscrit dans un plan P qui présente avec l'axe 40 un angle différent de 90 et, de préférence, supérieur à 90 et, en particulier, compris entre 92 et 100 . L'angle entre le plan P et l'axe 40 est l'angle entre l'axe 40 et sa projection orthogonale sur le plan P. En d'autres termes, l'angle entre la normale au plan P et l'axe 40 est différent de 0 et, de préférence, compris entre 2 et 10 . Entre le premier segment 53 et la tête du piston 52 est défini un premier cordon 54 qui n'est pas axisymétrique par rapport à l'axe 40 et sa hauteur varie sur son pourtour d'une hauteur minimale à une hauteur maximale différente de la hauteur minimale. La pression issue de la combustion génère alors en chaque point du pourtour du premier cordon 54 un effort 55a, 55b. Du fait de la répartition de surface qui n'est pas identique sur le pourtour du premier cordon 54, la résultante totale 56 des efforts de pression sur le pourtour du premier segment 54 n'est pas négligeable et s'applique au niveau de l'axe piston 57. Ce déséquilibre contraint le piston 52 contre la chemise du cylindre 34 et le piston 52 appuie ainsi du côté où la surface du premier cordon 54 est la plus petite, ici du côté où s'applique l'effort 55b. Ce plaquage du piston 52 limite fortement le mouvement secondaire et donc les bruits, ainsi que les pertes par frottement, l'usure, et la consommation d'huile.

Le plan P est parallèle à l'axe piston 57. L'orientation angulaire du plan P est choisie de manière à ce que la résultante totale 56 soit opposée en direction et d'intensité égale à la force maximale décrite ci-dessus. L'épaisseur du premier cordon 54 qui est minimale est disposée du côté correspondant au côté poussée de l'ensemble piston-segment tel qu'il est défini dans le cas d'un ensemble de l'état de la technique.

Pour un ensemble 50 de géométrie équivalente à celle de l'ensemble de l'état de la technique, le plaquage du piston 52 contre la chemise est obtenu si la résultante totale 56 orientée vers le côté poussée est supérieure à 11 kN. Le calcul suivant est effectué dans le cas d'une pression de combustion maximale de 160 bars, d'un piston 52 de diamètre 85 mm et d'un premier cordon 54 dont la hauteur maximale est de 12 mm et la hauteur minimale est de 2 mm. La surface du premier cordon 54 est divisée en deux surfaces demi-cylindriques. La hauteur de la première surface varie de 12 mm à 7 mm, et la hauteur de la deuxième surface varie de 7 mm à 2 mm. La résultante qui s'exerce sur la première surface est de l'ordre de 20,3 kN et la résultante qui s'exerce sur la deuxième surface est de l'ordre de 9,6 kN. La résultante totale 56 est 10,7 kN compensant ainsi sensiblement l'intensité maximale de 11 kN qui a été déterminée précédemment. Avantageusement, les dimensions du premier cordon 54 et, par conséquent, l'orientation angulaire du plan P de l'extrémité de la tête du piston 54, seront adaptées de manière à égaler l'intensité maximale entre la jupe du piston et la chemise du cylindre. En effet, le dépassement de cette intensité maximale va générer des forces de frottements supplémentaires. L'orientation angulaire du plan P de l'extrémité de la tête du piston 54 peut également permettre d'équilibrer les efforts entre la jupe du piston et la chemise du cylindre. En effet, comme cela est vu sur la figure 6, dont la courbe 60 est identique à celle de la figure 5, un premier extremum atteint 5 kN et un deuxième extremum atteint 11 kN. Pour équilibrer les efforts subis par le premier cordon, il faut orienter angulairement le plan P de manière à ce que chaque extremum atteint 8 kN, c'est-à-dire que la résultante totale 56 doit être de 3 kN. La courbe 62 représente l'effort normal entre la jupe du piston 52 et la chemise du cylindre 34 après équilibrage de 3 kN des efforts. Cet équilibrage des efforts permet de réduire les bruits ainsi que les frottements. Le calcul suivant est effectué dans le cas d'une pression de combustion maximale de 160 bars, d'un piston 52 de diamètre 85 mm et d'un premier cordon 54 dont la hauteur maximale est de 8 mm et la hauteur minimale est de 5,1 mm. La surface du premier cordon 54 est divisée en deux surfaces demi-cylindriques. La hauteur de la première surface varie de 8 mm à 6,55 mm, et la hauteur de la deuxième surface varie de 6,55 mm à 5,1 mm. La résultante qui s'exerce sur la première surface est de l'ordre de 15,5 kN et la résultante qui s'exerce sur la deuxième surface est de l'ordre de 12,5 kN. La résultante totale 56 est 3 kN.

Claims (5)

REVENDICATIONS

1. Piston (52) pour moteur de véhicule automobile, destiné à coulisser dans un cylindre (34) le long d'un axe (40), ledit piston comprenant une extrémité plane délimitant partiellement une chambre de combustion, et au moins une gorge (53a) s'inscrivant dans un plan (P) perpendiculaire audit axe (40) et dans laquelle est inséré un segment (53), caractérisé en ce que l'extrémité plane est inclinée par rapport au plan (P) dans lequel s'inscrit la gorge (53a).

2. Piston selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'angle d'inclinaison est compris entre 2 et 10 .

3. Piston selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la partie du piston (52) délimitée par la gorge (53a) et l'extrémité plane inclinée, possède une hauteur variable sur sa circonférence, la hauteur minimale étant située du coté de la poussée sur le piston (52).

4. Piston selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comprend un axe de rotation (57) autour duquel pivote le pied d'une bielle (35), et en ce que l'extrémité plane inclinée est parallèle audit axe de rotation (57).

5. Moteur comprenant au moins un cylindre (34) et au moins un piston (52) conforme à l'une quelconque des revendications précédentes.