FR2492032A1 - SELF-SUPPLY CONTROLLED PISTON SEGMENT IN LUBRICANT - Google Patents
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Abstract
Description
L'invention concerne un segment de piston logé dans une gorge ménagée dans un piston de moteur à explosion. The invention relates to a piston ring housed in a groove in a combustion engine piston.
Dans la technique des moteurs à explosion, il est connu de munir les pistons de segments dont la surface de glissement tournée vers la paroi du cylindre présente des gorges annulaires, dt sorte que l'huile lubrifiante est déplacée depuis les zones de la paroi du cylindre ou il existe un excès d'huile vers celles où il manque de l'huile (voir la demande de brevet allemande DE -D 2264). Cependant, ce ne sont pas seulement des petites quantités d'huile qui sont ainsi déplacées par ces gorges de retenue ménagées dans la surface de glissement, mais aussi des résidus de combustion, ainsi que des particules résultant de l'usure qui ont pour effet de favoriser l'usure.L'effet de lubrification que l'on attend de l'huile ne peut donc manifestement pas produire une diminution significative de l'usure de la paroi du cylindre et du segment du piston. En outre, il en résulte que la distribution d'huile par la gorge du segment est largement incontrôlée, ce qui veut dire qu'une faible quantité d'huile est fournie par cette gorge aux surfaces en contact dans les zones de la paroi du cylindre pour lesquelles la pression appliquée par le segment est élevée, cependant que beaucoup d'huile s'écoule de cette gorge vers les renfoncements des surfaces de glissement et vers les endroits où la pression radiale est faible. Par conséquent, la distribution d'huile a lieu à l'inverse de ce qu'elle devrait être pour diminuer l'usure. In the field of combustion engines, it is known to provide the pistons with segments whose sliding surface facing the cylinder wall has annular grooves, so that the lubricating oil is displaced from the zones of the wall of the cylinder. or there is an excess of oil towards those where there is a lack of oil (see German patent application DE -D 2264). However, it is not only small amounts of oil that are displaced by these retaining grooves in the sliding surface, but also combustion residues, as well as particles resulting from wear that have the effect of The lubrication effect that is expected of the oil can not therefore obviously produce a significant reduction in the wear of the wall of the cylinder and the piston ring. In addition, it follows that the oil distribution through the groove of the segment is largely uncontrolled, which means that a small amount of oil is supplied by this groove to the surfaces in contact in the areas of the wall of the cylinder for which the pressure applied by the segment is high, while a lot of oil flows from this groove to the recesses of the sliding surfaces and to the places where the radial pressure is low. As a result, the oil distribution is the opposite of what it should be to reduce wear.
Le but de l'invention est donc de proposer un segment de piston favorisant une bonne lubrification des surfaces qui sont en contact de glissement l'une avec l'autre ce segment étant lui-même moins sujet à l'usure que les segments connus et contribuant également à diminuer l'usure de la paroi du cylindre. The object of the invention is therefore to provide a piston segment promoting good lubrication of the surfaces which are in sliding contact with each other, this segment being itself less subject to wear than the known segments and also helping to reduce wear on the cylinder wall.
Selon l'invention, ce but est atteint grâce à un segment de piston qui est caractérisé en ce qu'il est constitué par au moins deux éléments annulaires qui sont disposés l'un sur l'autre dans le sens radial et qui sont solidaires l'un de l'autre de manière étanche, et en ce que, dans sa zone située à l'extérieur dans le sens radial, il est partiellement déformable dans le sens axial d'une même quantité sur toute sa périphérie, cette déformabilité étant assurée par au moins une fente annulaire qui s'étend radialement au niveau des plans de jonction des divers éléments du segment, qui est ouverte vers l'exterieur et qui reçoit du lubrifiant lorsque la pression régnant dans le cylindre est faible, ce lubrifiant pouvant être chassé dans l'espace compris entre la surface de glissement du segment et la surface de glissement du cylindre lorsque le segment est soumis à la pression des gaz régnant dans la chambre de combustion du moteur à explosion grâce au rétrécissement axial qui en résulte pour la fente annulaire. According to the invention, this object is achieved by means of a piston ring which is characterized in that it consists of at least two annular elements which are arranged on one another in the radial direction and which are integral with each other. one of the other in a sealed manner, and in that, in its region situated in the radial direction, it is partially deformable in the axial direction of the same quantity over its entire periphery, this deformability being ensured by at least one annular slot which extends radially at the junction planes of the various elements of the segment, which is open towards the outside and which receives lubricant when the pressure in the cylinder is low, this lubricant can be driven out in the space between the sliding surface of the segment and the sliding surface of the cylinder when the segment is subjected to the pressure of the gases in the combustion chamber of the combustion engine through the retaining axial rection resulting for the annular slot.
De préférence, le segment de piston selon l'invention présente des dimensions qui respectent certaines relations géométriques qui seront indiquées plus loin. Preferably, the piston ring according to the invention has dimensions which respect certain geometric relations which will be indicated below.
De préférence également, l'un au moins des éléments annulaires du segment de piston selon l'invention comporte une couche qui est réalisée en un matériau de renforcement résistant à l'usure et qui s'étend au moins sur sa zone adjacente à la fente annulaire. Dans le cas où le segment est réalisé en deux éléments annulaires, cette couche en matériau de renforcement s'étend sur l'élément annulaire inférieur du segment, donc sur celui qui est le plus éloigné de la chambre de combustion. Dans le cas où ce segment est réalisé en trois éléments annulaires, et où il comprend deux fentes annulaires au niveau des plans de jonction respectifs de ces éléments, les faces supérieure et inférieure de l'élément annulaire médian comportent une couche en matériau de renforcement qui, pour chacune d'elles, s'étend au moins sur sa zone adjacente aux deux fentes annulaires.En outre, l'épaisseur de chaque couche de renforcement est un multiple de la largeur dans le sens axial d'une fente annulaire. Also preferably, at least one of the annular elements of the piston ring according to the invention comprises a layer which is made of a wear-resistant reinforcing material and which extends at least over its zone adjacent to the slot annular. In the case where the segment is made of two annular elements, this layer of reinforcing material extends on the lower annular element of the segment, so on the one which is farthest from the combustion chamber. In the case where this segment is made of three annular elements, and where it comprises two annular slots at the respective junction planes of these elements, the upper and lower faces of the median annular element comprise a layer of reinforcing material which for each of them extends at least on its area adjacent to the two annular slots.In addition, the thickness of each reinforcing layer is a multiple of the width in the axial direction of an annular slot.
Avantageusement, un canal annulaire est ménagé à l'intérieur de chaque fente annulaire, la largeur de ce canal étant nettement plus élevée que celle de la fente, et ce canal débouche dans une coupure annulaire par laquelle peuvent être évacués les résidus de combustion, les particules résultant de l'usure et les diverses autres crasses. Advantageously, an annular channel is formed inside each annular slot, the width of this channel being much greater than that of the slot, and this channel opens into an annular cut-off through which the combustion residues, the particles resulting from wear and various other dross.
De préférence, la largeur dans le sens axial d'une fente annulaire est égale à quelques centièmes de millimètres et, dans le cas où elle débouche dans un canal annulaire, cette largeur est un multiple de ce qu'elle est dans le cas d'une réalisation sans canal annulaire. Preferably, the width in the axial direction of an annular slot is equal to a few hundredths of a millimeter and, in the case where it opens into an annular channel, this width is a multiple of what it is in the case of a realization without annular channel.
Enfin, les éléments annulaires du segment de piston selon l'invention sont de préférence brasés ou soudés les uns sur les autres selon leurs surfaces adjacentes qui s'étendent en dehors des zones des canaux et des fentes annulaires. Finally, the annular elements of the piston ring according to the invention are preferably brazed or welded to one another according to their adjacent surfaces which extend outside the zones of the channels and the annular slots.
La description qui va suivre, et qui ne présente aucun caractère limitatif, permettra de bien comprendre comment la présente invention peut être mise en pratique. The following description, which is not limiting in nature, will make it possible to understand how the present invention can be put into practice.
Elle doit être lue en regard des dessins annexés, parmi lesquels
- La figurelreprésente un segment de piston selon l'invention dans une première forme de réalisation
- La figure 2 montre une deuxième forme de réalisation d'un segment de piston selon l'invention ; et
- La figure 3 représente un segment de piston selon l'invention dans une troisième forme de réalisation.It must be read in conjunction with the attached drawings, among which
FIG. 1 depicts a piston ring according to the invention in a first embodiment
FIG. 2 shows a second embodiment of a piston ring according to the invention; and
- Figure 3 shows a piston ring according to the invention in a third embodiment.
Sur toutes les figures, on a désigné par le repère 1 la paroi du cylindre d'un moteur à explosion, par le repère 2 la surface de glissement de ce cylindre, par le repère 3 un piston dont une partie seulement est représentée et par le repère 4 une gorge annulaire dans laquelle est logé un segment de piston 5. In all the figures, reference 1 is to the cylinder wall of an internal combustion engine, the reference 2 to the sliding surface of this cylinder, the reference numeral 3 to a piston of which only a part is represented and to the reference 4 an annular groove in which is housed a piston ring 5.
Selon l'invention, le segment 5 se compose d'au moins deux éléments annulaires qui sont disposés l'un sur l'autre dans le sens axial et qui sont solidaires l'un de l'autre de manière étanche. Dans l'exemple de réalisation selon la figure 1, le segment se compose de deux éléments annulaires de ce genre, lesquels sont désignés par les repères 6 et 7. Dans l'exemple de réalisation selon la figure 2, on utilise également deux éléments qui sont désignés par les repères 8 et 9. Le segment 5 de l'exemple de réalisation selon la figure 3 se compose de trois éléments annulaires, l'élément supérieur, qui est le plus proche de la chambre de combustion, étant désigné par le repère 10, l'élément médian par le repère 11 et l'élément inférieur par le repère 12. According to the invention, the segment 5 is composed of at least two annular elements which are arranged one on the other in the axial direction and which are secured to one another in a sealed manner. In the exemplary embodiment according to FIG. 1, the segment consists of two such annular elements, which are designated by the reference numerals 6 and 7. In the exemplary embodiment according to FIG. 2, two elements are also used which are designated by the markings 8 and 9. The segment 5 of the embodiment according to Figure 3 consists of three annular elements, the upper element, which is closest to the combustion chamber, being designated by the reference 10, the median element by the reference 11 and the lower element by the reference 12.
Les éléments du segment sont tous réalisés en un même matériau ; cependant, il est également possible de les fabriquer en des matériaux différents. The elements of the segment are all made of the same material; however, it is also possible to manufacture them in different materials.
En outre, le segment 5 est partiellement déformable axialement dans sa zone qui est située à l'extérieur dans le sens radial, et ce, d'une même valeur axiale sur toute sa périphérie. Cette déformabilité est assurée par au moins une fente annulaire qui s'étend radialement à la hauteur du plan de jonction des éléments annulaires 6 et 7, ou 8 et 9, ou 10, 11 et 12 du segment, et qui est ouverte vers l'extérieur; cette fente annulaire est désignée par le repère 13 sur la figure 1 et par le repère 14 sur la figure 2 ; les deux fentes annulaires présentes dans l'exemple de réalisation selon la figure 3 sont désignées par 15 pour la fente supérieure et par 16 pour la fente inférieure. In addition, the segment 5 is partially axially deformable in its region which is located radially outside, and this, the same axial value over its entire periphery. This deformability is ensured by at least one annular slot which extends radially at the height of the junction plane of the annular elements 6 and 7, or 8 and 9, or 10, 11 and 12 of the segment, and which is open towards the outside; this annular slot is designated by the reference 13 in Figure 1 and the reference 14 in Figure 2; the two annular slots present in the embodiment according to Figure 3 are designated 15 for the upper slot and 16 for the lower slot.
Sur les figures 1 à 3, les cotes portées entre les flèches correspondantes présentent la signification suivante: 1 = profondeur de la fente annulaire dans le sens radial,
B = largeur de la fente annulaire dans le sens axial,
s h = largeur d'un élément du segment dans le sens axial
diminuée de Bs/2,
T = largeur du segment dans le sens radial, K = épaisseur du segment dans le sens axial.In FIGS. 1 to 3, the dimensions borne between the corresponding arrows have the following meaning: 1 = depth of the annular slot in the radial direction,
B = width of the annular slot in the axial direction,
sh = width of a segment element in the axial direction
decreased by Bs / 2,
T = width of the segment in the radial direction, K = thickness of the segment in the axial direction.
Le segment de piston 5 selon l'invention est réalisé de manière à satisfaire aux relations géométriques suivantes: > 1 1 = 0,2 à 0,8 ss BK 0,2 à 0,8. The piston ring 5 according to the invention is designed so as to satisfy the following geometric relations:> 1 1 = 0.2 to 0.8 ss BK 0.2 to 0.8.
h ' B 10, T BK
s
Dans l'exemple de réalisation selon la figure 3, la largeur dans le sens axial hl de l'élément de segment 10, diminuée de la largeur axiale B de la fente annulaire 15,
s est égale à la largeur dans le sens axial h2 de l'élément de segment 12, diminuée de la largeur axiale B de la fente
s annulaire 16.h 'B 10, T BK
s
In the embodiment according to FIG. 3, the width in the axial direction h1 of the segment element 10, minus the axial width B of the annular gap 15,
s is equal to the width in the axial direction h2 of the segment element 12, minus the axial width B of the slot
s ring 16.
Avantageusement, l'un au moins des éléments du segment comporte, tout au moins dans la zone adjacente à la fente annulaire correspondante, une couche de matériau de renforcement résistant à l'usure. Cette couche augmente de manière très considérable la stabilité et la résistance à l'usure des segments. Une telle couche de matériau de renforcement est prévue aussi bien sur le segment 5 de la figure 2 que sur celui de la figure 3, et elle est désignée respectivement par les repères 17 (Figure 2j et 18, 19 (Figure 3). Advantageously, at least one of the elements of the segment comprises, at least in the area adjacent to the corresponding annular slot, a layer of wear-resistant reinforcing material. This layer greatly increases the stability and wear resistance of the segments. Such a layer of reinforcing material is provided both on the segment 5 of Figure 2 and on that of Figure 3, and is designated respectively by the pins 17 (Figure 2j and 18, 19 (Figure 3).
Dans l'exemple de réalisation selon la figure 2, la couche 17 de matériau de renforcement est disposée sur l'élément annulaire inférieur 9 du segment, lequel est donc le plus éloigné de la chambre de combustion ; dans le segment 5 selon la figure 3, la couche 18 de matériau résistant est disposée à la partie supérieure de l'élément de segment médian 11, tout en étant adjacente à la fente annulaire 15, cependant que la couche 19 de matériau résistant est disposée à la face inférieure de l'élément de segment médian 11, tout en étant adjacente à la fente annulaire 16. L'épaisseur des couches 17 ou 18 et 19 en matériau résistant est, dans tous les cas, égale à un multiple de la largeur dans le sens axial, Bs, des fentes annulaires adjacentes 1 ou 15 et 16.L'ordre de gran deur de la largeur B d'une fente annulaire dans le sens
s axial est du centième de millimètre. A ce sujet, il y a lieu de remarquer que les fentes annulaires ne sont pas représentées à l'échelle sur les figures, et qu'elles y ont été considérablement agrandies.In the embodiment according to Figure 2, the layer 17 of reinforcing material is disposed on the lower annular element 9 of the segment, which is therefore farthest from the combustion chamber; in segment 5 according to Figure 3, the layer 18 of resistant material is disposed at the upper part of the middle segment member 11, while being adjacent to the annular slot 15, while the layer 19 of resistant material is disposed at the lower face of the middle segment element 11, while being adjacent to the annular slot 16. The thickness of the layers 17 or 18 and 19 of resistant material is, in all cases, equal to a multiple of the width in the axial direction, Bs, adjacent annular slots 1 or 15 and 16.The order of magnitude of the width B of an annular slot in the direction
s axial is one hundredth of a millimeter. In this regard, it should be noted that the annular slots are not shown in scale in the figures, and they have been greatly enlarged.
En outre, un canal annulaire est avantageusement ménagé vers le bord interne de chaque fente annulaire. Ce canal est considérablement plus large que la fente ; il s'étend sur toute sa périphérie et il débouche dans une coupure non représentée du segment, coupure par laquelle peuvent être évacués les résidus de combustion et les particules résultant de l'usure, ainsi que les autres sortes de crasses. Bien qu'un tel canal annulaire puisse etre présent dans toutes les formes de réalisation, on ne l'a représenté que dans l'exemple de réalisation selon la figure 2 où il a été désigné par le repère 20.Lorsqu'un tel canal annulaire 20 est présent, la largeur axiale B de la fente annulaire peut être un multiple de ce qu'elle serait dans le cas d'un segment qui est réalisé sans un tel segment 2'),
Les divers éléments de segment 6 et 7, oc 8 et 9, ou 10, 11 et 12 sont brasés ou soudés entre eux sur leurs surfaces adjacentes qui sont situées en dehors de la fente et du canal annulaires. Les couches de soudure ou de brasure sont désignées par le repère 21 sur la figure 1, par le repère 22 sur la figure 2 et par les repères 23 et 2 sur la figure 3.In addition, an annular channel is advantageously formed towards the inner edge of each annular slot. This channel is considerably wider than the slot; it extends over its entire periphery and it opens into a cut not shown segment, cutting by which can be removed the combustion residues and the particles resulting from wear, as well as other kinds of dirt. Although such an annular channel may be present in all the embodiments, it has only been shown in the embodiment according to FIG. 2 where it has been designated by the reference numeral 20. When such an annular channel 20 is present, the axial width B of the annular slot can be a multiple of what it would be in the case of a segment which is made without such a segment 2 '),
The various segment elements 6 and 7, oc 8 and 9, or 10, 11 and 12 are brazed or welded together on their adjacent surfaces which are located outside the annular slot and channel. The solder or solder layers are indicated by reference numeral 21 in FIG. 1, by the reference 22 in FIG. 2 and by the marks 23 and 2 in FIG.
Chaque fente annulaire 13 ou 14 ou 15 et 16 d'un segment de piston 5 reçoit du lubrifiant lorsque la pression dans le cylindre est faible. Ce lubrifiant est ensuite chassé de la fente annulaire vers l'espace 25 compris entre la surface de glissement 26 du segment et celle, 2, du cylindre lorsque le segment 5 est soumis à la pression des gaz régnant dans la chambre de combustion du moteur à explosion, du fait du rétrécissement axial de la fente annulaire qui en résulte. Ainsi, grâce aux segments de piston selon l'invention, se trouve assurée une auto-alimentation du cylindre en lubrifiant qui est commandée par la pression des gaz régnant dans le cylindre, et -il résulte une diminution considérable de l'usure, aussi bien pour le segment lui-meme que pour la surface de glissement 2 du cylindre. L'expulsion hors de la fente de la plus grande quantité de lubrifiant y a donc lieu - et ceci est très avantageux - dans la zone du point mort supérieur du piston 3 où, comme on le sait, se situe habituellement l'usure la plus importante et où la pression exercée sur les segments est élevée. La création d'un film lubrifiant dans cette zone permet de réduire dans une proportion considérable l'usure du fourreau du cylindre et du segment, qu'elle soit d'origine mécanique ou provoquée par la corrosion. En ce qui concerne ce dernier type d'usure, sa réduction résulte, en particulier, du fait que l'amenée d'une quantité plus importante de lubrifiant à l'endroit approprié entraîne une meilleure neutralisation des résidus corrosifs engendrés par la corrosion. Each annular slot 13 or 14 or 15 and 16 of a piston ring 5 receives lubricant when the pressure in the cylinder is low. This lubricant is then removed from the annular slot to the space 25 between the sliding surface 26 of the segment and that, 2, of the cylinder when the segment 5 is subjected to the pressure of the gases in the combustion chamber of the engine. explosion, because of the axial shrinkage of the resulting annular slot. Thus, thanks to the piston rings according to the invention, is ensured a self-supply of the cylinder lubricant which is controlled by the pressure of the gases in the cylinder, and it results in a considerable reduction in wear, as well. for the segment itself only for the sliding surface 2 of the cylinder. The expulsion from the slot of the largest amount of lubricant therein takes place - and this is very advantageous - in the area of the upper dead center of the piston 3 where, as is known, is usually the most wear significant and where the pressure on the segments is high. The creation of a lubricating film in this zone makes it possible to reduce in a considerable proportion the wear of the sleeve of the cylinder and the segment, whether of mechanical origin or caused by corrosion. With regard to the latter type of wear, its reduction results in particular from the fact that the supply of a larger quantity of lubricant at the appropriate place results in a better neutralization of corrosive residues caused by corrosion.
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