FR2602273A1 - Piston composite resistant a de hautes temperatures, pour moteurs a combustion interne - Google Patents

Abstract

UN PISTON COMPOSITE DISPOSE DE MOYENS SIMPLES ET FIABLES POUR RELIER UNE TETE 11, EN CARBONE-CARBONE OU EN CERAMIQUE, A UN CORPS METALLIQUE 13. LA FIXATION EST ASSUREE PAR UNE GEOMETRIE SPECIFIQUE, QUI COMPENSE DES DIFFERENCES DE DILATATION THERMIQUE SANS DISPOSITIFS COMPLIQUES DE FIXATION MECANIQUE. A CETTE FIN, DES PROFILS TRONCONIQUES OPPOSES 12, 21; 19, 22 PRESENTENT DES POINTES COINCIDENTES 15, QUI SE COUPENT SUR L'AXE RADIAL DU PISTON AFIN DE RETENIR LA TETE. L'UTILISATION DE CARBONE-CARBONE, POUR CONSTITUER CETTE TETE 11, AUTORISE UN AJUSTAGE INTIME ENTRE LE PISTON ET UNE PAROI CYLINDRIQUE, EN SUPPRIMANT LA NECESSITE DE PREVOIR DES SEGMENTS DE PISTON.

Description

PISTON COMPOSITE RESISTANT A DE HAUTES TEMPERATURES, POUR MOTEURS A

COMBUSTION INTERNE

La présente invention se rapporte à des pistons isolés équipant des moteurs à combustion interne et, plus particu5 lièrement, à des pistons composites conçus pour fonctionner à de hautes températures en augmentant le rendement et la

longévité du moteur.

Différentes conceptions de pistons composites ont été proposées pour une utilisation dans des moteurs à combustion 10 interne, notamment des moteurs Diesel, pour diverses raisons, entre autres pour autoriser des températures de service plus élevées, pour augmenter le rendement et pour réduire l'émission de polluants. Une autre raison importante pour la mise au point d'un piston composite durable, non mentionnée 15 dans l'art antérieur, réside dans l'application à des véhicules militaires. Des moteurs à combustion interne à usage militaire peuvent être soumis à des conditions de fonctionnement rudes. Il est nécessaire de prolonger à un maximum le temps pendant lequel un moteur peut fonctionner en étant 20 complètement dépourvu de fluide de refroidissement, afin d'augmenter la "survie" du véhicule. t Pour atteindre ces objectifs, les pistons composites de l'art antérieur se fondent sur une fixation mécanique flexible compliquée de la tête du piston au corps métallique, ou 25 bien présentent des patins d'atténuation d'efforts entre la tête non métallique du piston et son corps métallique.Ces fixations complexes se sont avérées nécessaires pour compenser les coefficients de dilatation thermique dissemblables

du corps de piston métallique et de différents matériaux cons30 tituant la tête du piston.

L'ancien mode de fixation a habituellement recours à un dispositif du type à ressorts pour contrecarrer la dilatation et la contraction thermiques entre l'organe de fixation et les parties fixées. Les ressorts sont sujets à une usure par fatigue, qui augmente à des températures élevées. Lorsque les ressorts accusent une fatigue, ils ne retiennent plus correctement la tête du piston, ce qui entraine des vibrations, des bruits, une charge dynamique et, en conséquence,

une défaillance.

L'utilisation de patins d'atténuation d'efforts, pour 10 compenser les différences de dilatation thermique, présente des problèmes inhérents similaires à ceux liés au procédé antérieur. Une configuration typique est obtenue en coulant le corps métallique du piston autour de la tête de ce piston, conformée de manière à être retenue par le métal qui l'entoure. 15 Des patins d'atténuation d'efforts sont implantés dans les

zones d'interface de la tête et du corps, de manière à absorber la dilatation et à empêcher une contrainte thermique.

Dans une telle réalisation, les patins d'atténuation d'efforts sont soumis à une fatigue et à un écrasement, et leur perte 20 d'élasticité permet à la tête du piston de prendre du jeu et

de vibrer.

En outre, un certain nombre de réalisations existantes de pistons composites présentent une cheville métallique traversant la tête, ou bien une partie du corps métallique qui 25 s'étend vers la face supérieure de la tête pour procurer unmoyen de retenue de cette tête de piston. Ces réalisations provoquent une insuffisance thermique du corps métallique du piston, et limitent considérablement la température maximale

de fonctionnement du piston.

En plus de pièces supplémentaires visant à retenir la tête de piston, les pistons composites réclament traditionnellement la présence de segments de piston pour assurer l'étanchéité de l'interstice entre le piston et l'alésage du cylindre. La présence nécessaire de segments de piston augmente 35 notablement les coûts de fabrication des pistons tout en en

augmentant le poids, c'est-à-dire en en réduisant l'efficacité.

Un objet de la présente invention consiste par conséquent à fournir une structure de piston composite, dans laquelle la tête du piston soit fixée au corps de ce piston de manière

à atténuer les contraintes thermiques.

L'invention vise par ailleurs à atténuer la contrainte thermique qui, sinon, serait engendrée à cause des coefficients de dilatation différents de la tête et du corps du piston, sans qu'il faille utiliser des éléments de fixation mécaniques ou des patins d'attenuation d'efforts, compliqués

ou peu fiables.

L'invention vise par ailleurs à augmenter considérablement la température maximale de fonctionnement d'un moteur, à accroitre le rendement thermique de ce moteur, ainsi qu'à diminuer le taux de polluants dans les gaz d'échappement dudit moteur. Un autre objet de la présente invention consiste à éliminer les segments de pistons dans un

moteur à combustion interne équipé de pistons composites.

Conformément à la présente invention, les objets précités et des objets supplémentaires sont atteints en four20 nissant une tête de piston en un matériau ayant de bonnes propriétés à de hautes températures, configurée de façon qu'un corps de piston métallique puisse être coulé autour du fond de cette tête. Le matériau constituant préférentiellement la tête du piston est du "carbone-carbone", du fait de son faible coefficient de dilatation thermique, de sa plus grande robustesse et de sa résistance aux impacts supérieure à des températures élevées. La conception du piston composite est telle que des différences de dilatation thermique, entre la tête du piston et son corps métallique, soient contrebalancées 30 par la géométrie de ladite tête. Cette tête est retenue grâce à l'utilisation de profils tronconiques opposés à pointes coïncidentes, qui constituent une base en forme d'aile n'empêchant pas la dilatation thermique. Le point theorique d'intersection des pointes doit se trouver à l'intérieur des 35 limites de la tête du piston. Des contraintes thermiques sont éliminées sans qu'il faille employer des moyens de fixation mécaniques, inefficaces ou peu fiables. La tête du piston doit être dimensionnée d'un diamètre plus grand que celui du corps du piston, en vue de compenser une dilatation radiale de ce corps métallique. Grâce à ses propriétés excellentes à de hautes températures, une tête de piston en carbone-carbone peut être rodée pour s'ajuster intimement dans l'alésage du cylindre et pour supprimer, par conséquent, les segments de piston. L'invention va à présent être décrite plus en détail à titre d'exemples nullement limitatifs, en regard des dessins 10 annexes sur lesquels: la figure 1 est une élévation latérale du piston composite nouveau; la figure 2 est une coupe selon la ligne II-II de la figure 1; la figure 3 est une élévation latérale du piston composite nouveau, auquel on a ajouté des gorges de segments; la figure 4 est une coupe selon la ligne IV-IV de la figure 3; la figure 5 est une vue fragmentaire d'une orientation 20 fibreuse axiale ou unidirectionnelle; la figure 6 est une vue en bout d'une orientation fibreuse aléatoire ou en nappe la figure 7 est une coupe, selon la ligne VII-VII de la figure 1, montrant l'orientation des fibres dans la cou25 ronne du piston; la figure 8 est une illustration à échelle agrandie (50 fois) d'une structure tissée; et la figure 9 est un graphique comparatif résistance spécifique/température, considérant le cas du carbone-carbone, 30 de l'aluminium et d'autres matériaux éventuels constituant le piston. Comme le montrent les figures 1 et 2, le piston composite selon la présente invention se compose, globalement, d'une tête 11 et d'un corps métallique 13. Pour la plupart des applications on utilisera de préférence un métal en tant que matériau constituant le corps du piston; des matériaux non métalliques seraient toutefois appropriés pour certaines applications, par exemple un polyimide au graphite, un époly au graphite ou du Torlon(R) poly(amide- imide). Uniquement à des fins descriptives, on peut considérer que la tête 11 du piston comprend trois parties: un fût vertical 18 reliant 5 deux parties tronconiques, une couronne 12 et une base 19. Le fût 18 présente des surfaces verticales situées dans les limites de la circonférence de la couronne et s'étendant vers le bas depuis la face inférieure de cette couronne. La base 19, possédant des faces horizontales et verticales, est reliée 10 à la couronne 12 au moyen du fût vertical. Le piston composite est formé en coulant le corps métallique 13 autour de la tête, comme illustré sur la figure 2. La géométrie remarquable de cette tête 11 empêche la génération de contraintes thermiques dues à des différences de coefficients de dilata15 tion de la tête 11 et du corps 13. La tête 11 est configurée de telle manière que les faces coniques, présentant des pointes coïncidentes 15, soient formées par une face inférieure 21 de la couronne et une face supérieure 22 de la base. Le point théorique de coïncidence des pointes des cônes doit se 20 situer dans les limites de la tête 11 du piston; cependant, comme le montre la figure 2, l'emplacement préférentiel de ce point se trouve sur l'axe radial du corps du piston composite. Lorsque ce piston est échauffé en service ou bien refroidi au cours du processus de fabrication, son corps métallique 25 13 se dilate ou se contracte radialement à partir du point de coïncidence des pointes. A l'endroit auquel le corps métallique 13 est en contact avec la tête 11, c'est-àdire sur la face supérieure 22 de la base et sur la face inférieure 21 de la couronne, les surfaces coniques ajustées intimement coulissent sans aucune interférence. Du fait que le corps métallique 13 peut se dilater ou se contracter librement, aucune contrainte thermique n'est engendrée dans ce corps 13, ni dans la tête 11 du piston. Pour compenser la dilatation du corps 13, le diamètre extérieur de la couronne 12 doit être 35 légèrement plus fort que le diamètre extérieur de ce corps

métallique 13.

Le piston composite nouveau est percé d'un orifice 16 destiné au maneton de la bielle articulée et il est muni d'une jupe 17, connus dans l'art antérieur pour permettre

une adaptation aisée du piston nouveau à des moteurs existants.

La tête 11 du piston peut être fabriquée en n'importe quel matériau présentant des propriétés adéquates à de hautes températures. Des matériaux typiques seraient des céramiques telles que du carbure de silicium, de l'alumine, du verre comprimé, etc. Dans la forme de réalisation préférentielle, la tête du piston est fabriquée en carbonecarbone. Le terme 10 "carbone-carbone" employé dans le présent mémoire fait référence à une structure comprenant des fibres de carbone et un matériau de base en carbone. L'utilisation de carbone-carbone autorise de petits jeux de l'ordre de 0,002 mm à 0,03 mm entre la couronne du piston et la paroi du cylindre, en fonc15 tion de la dimension de ce cylindre. Ce faible jeu entre la tête du piston et le cylindre supprime la nécessité dessegments de piston et des gorges pour ces segments. Les paramétres contribuant à ce faible jeu englobent le coefficient négligeable de dilatation thermique du carbone-carbone, 0,54 x 10-6 mm/mm/ C, qui est plus de quarante fois inférieur à celui de l'aluminium, et vingt-cinq fois inférieur à celui de l'acier. Un facteur important réside également dans le

fait que le carbone-carbone conserve remarquablement sa résistance à des températures élevées, comme illustré sur la 25 figure 9.

Le carbone-carbone est produit en des fibres de carbone qui sont soumises à un traitement pyrolytique, à partir d'une fibre première telle que la rayonne ou le polyacrylonitrile (PAN). Les fibres sont ensuite imprégnées d'une structure en 30 résine carbonée, a base d'alcool furfurylique ou de résine phénolée, puis soumises plusieurs fois à un nouveau traitement pyrolytique pour accroître la résistance et la densité du matériau, tout en réduisant subséquemment la porosité. LePAN, formant la substance de base, est en général étiré d'environ 35 80 % soit avant, soit pendant la stabilisation, ce cycle impliquant un chauffage des fibres à 220 C pendant 24 heures dans l'air. La carbonisation, constituant l'étape suivante, consiste à chauffer lentement les fibres dans une atmosphère inerte, jusqu'à 1000 C. Les fibres sont ensuite graphitées en faisant augmenter la température jusqu'à la température de traitement thermique souhaitée, habituellement comprise entre 1000 C et 2500 C. La tête 11 du piston en carbone-carbone est amenée à une configuration approximativement réticulaire dans un moule fermé, en utilisant tout d'abord une fibre première à orientation en nappe ou aléatoire (en mèche), comme représenté 10 sur la figure 6, avec des renforcements sélectifs constitués par des fibres ou par un tissu unidirectionnels (figure 7) dans les zones les plus exposées à de fortes charges, comme la face supérieure 20 de la couronne et les faces couiissantes 21 et 22. La fibre ou tissu unidirectionnel est stratifié 15 en une orientation de 0 , + 45 , 90 pour conférer des propriétés mécaniques quasi-isotropiques qui sont notablement supérieures

à celles de la réalisation du type fibres aléatoires/nappe.

La résistance limite à la traction est par exemple de 0,542. 106 Pa pour la fibre unidirectionnelle, comparée à 20 seulement 0,124. 106 Pa pour la fibre aléatoire. Apres le cycle de pyrolyse final, la tête du piston est usinée à sa

forme définitive par des opérations d'usinage classiques.

Des patins 14 en feutre de céramique, ou d'autres organes d'espacement écrasables, sont fixés aux faces verticales 25 et horizontales du fût 18 et de la base 19, comme le montre la figure 2. La tête 11 du piston dotée de ces patins 14 est ensuite placée dans un autre moule, puis le corps métallique 13 du piston est coulé autour de cette tête. Les organes d'espacement écrasables empêchent le métal en fusion d'entrer 30 au contact des surfaces du fût 18 et de la base 19, là o une contrainte thermique pourrait être engendrée. L'ajustage définitif de la tête 11 du piston dans l'alésage du cylindre est effectué en rodant ou en meulant cette tête 11 pour qu'elle

s'ajuste avec précision audit alésage.

La structure détaillée de la tête 11 d-u piston englobe des couches tissées, comprenant la face supérieure 20 de la couronne, la face inférieure 21 de cette couronne et la face

supérieure 22 de la base.

La figure 7 illustre, à titre d'exemple, l'orientation fibreuse sur une section transversale de la couronne -12. Le tissu de carbone est matérialisé par des fibres de chaîne 23 et des fibres de garnissage 24. Les vides dans les couches tissées sont comblés par le matériau de base 25. Une nappe de carbone 26 se trouve au-dessous des couches tissées. La nappe de carbone-carbone consiste en une mèche en fibres de

carbone aléatoires, dans un matériau de base en carbone.

La figure 8 est une représentation à échelle agrandie des fibres tissées. La figure est agrandie cinquante fois,

la longueur réelle d'un côté de cette figure étant de 1,78 mm.

Elle montre intégralement des fibres de chaîne curvilignes 23, des fibres de garnissage rectilignes 24 et le matériau 15 de base 25.

Une variante de réalisation de l'invention consiste à ajouter des gorges 30 de segments de piston, comme illustré sur les figures 3 et 4. L'adjonction de ces gorges 30 au corps métallique 13 du piston permet l'utilisation de seg20 ments de piston qui assurent un confinement supplémentaire

des gaz de combustion.

Outre son intégration à un moteur neuf, le piston composite peut être adapté pour s'ajuster dans des moteurs existants. Grâce à la structure conforme à l'invention, le piston composite peut fonctionner à de plus hautes températures qu'un piston classique. Les paramètres restrictifs sont la température maximale d'utilisation du matériau constituant

la tête et l'épaisseur de cette tête de piston, afin d'empêcher un transfert de chaleur au corps métallique du piston.

La présente invention constitue également un progrès par rapport aux pistons composites de l'art antérieur, grace aux moyens mécaniques simples de retenue de la tête du piston,

qui n'engendrent pas de contraintes thermiques.

La simplicité du dispositif de retenue et la faible densité du carbonecarbone permettent d'obtenir un piston plus

leger que ce qui était antérieurement possible avec une réalisation entièrement métallique ou composite. Le tableau ci-

après compare les différentes propriétés du carbone-carbone, de l'aluminium et de l'Inconel X-750: 15 AI umi ni um Carbone-carbone Inconel X-750 Module d'élasticité (E), Pa 6,8. 1010 Pa 8,2 101 Pa 2,0. 1011 Pa Résistance limite à la 1,7. 108 Pa 1,6 108 Pa 1,03 10 Pa traction, Pa à 148,9 C Limite d'élasticité, Pa 7,5. 107 Pa 1,6 108 Pa 7,5 108 Pa Emissivité 0,02 0,8 0,1 Conductivité thermique mth/h.m. C 150 7,5 15 Chaleur spécifique (C) 0,24 0,31 0,12 mth/kg. C Densité, g/an3 2,76 1,85 B Coefficient de dilatation 22,5 x 10-6 0,54x 10-6 12,6 x 10-6 thermique mn/m/ C Point de fusion C 590 2300* 14oo00 * Sublime L'éventualité d'une érosion du piston provoquée par un contournement des gaz, ou d'une oxydation provoquée par 20 des températures excédant 426,7 C, peut être évitée par le dépôt d'un revêtement imperméable résistant à l'oxydation à haute température, mis au point pour le carbone-carbone, tel que du carbure de silicium. Ce revêtement résistant à l'oxydation est prévu sur les surfaces extérieures de la tête 11, en transformant plusieurs couches de fibres de carbone en du carbure de silicium. Une solution alternative consisterait à ajouter au matériau de base des inhibiteurs

d'oxydation, tels que du bore, pendant les cycles d'imprégnation.

Le rendement et la longévité d'un moteur à combustion interne sont grandement accrus grâce à l'utilisation du piston composite en carbonecarbone. Le rendement est augmenté du fait de la température supérieure de fonctionnement disponible et du poids moindre du piston. La longévité augmente 35 étant donné que le piston est en mesure de résister à une

température maximale plus grande avant dp subir une défail-

lance, et que le dispositif est dépourvu de ressorts ou d'autres pièces mécaniques susceptibles de défaillir. De plus, le coût de pistons composites est réduit par la simplicité de la conception et par le nombre modeste d'éléments constitutifs, en comparaison avec des réalisations selon l'art antérieur. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au piston composite décrit et représenté,

sans sortir du cadre de l'invention.

Claims (10)

REVENDICATIONS

1. Piston composite destiné à fonctionner à de hautes températures, caractérisé par le fait qu'il comprend un corps (13); une tête (11) en un matériau résistant à de hautes températures, supportée et retenue par ledit corps, cette tête présentant une couronne (12) qui comprend des faces supérieure (20) et inférieure (21) et est d'un diamètre plus grand que celui dudit corps (13); un fût vertical (18) muni de surfaces verticales situées dans les limites de la circonférence de la couronne (12), et s'étendant vers le bas 10 depuis la face inférieure (21) de cette couronne; et une base (19) possédant des surfaces horizontales et verticales, reliée à la couronne (12) au moyen du fût vertical (18); et par le fait que la face supérieure (22) de la base (19) et la face inférieure (21) de la couronne (12) sont formées par 15 des profils tronconiques opposés, munis de pointes coïncidentes (15) qui se coupent dans les limites de la tête (11)

du piston.

2. Piston composite selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le point d'intersection des pointes coïncidentes (15) se trouve sur l'axe radial du corps (13) du piston.

3. Piston composite selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il comporte en outre des organes d'espacement écrasables (14), fixés aux surfaces verticales et 25 horizontales de la base (19) et du fût vertical (18).

4. Piston composite selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la tête (11) de ce piston est constituée

de carbone-carbone.

5. Piston composite selon la revendication 4, caractéri30 sé par le fait que la tête (11) de ce piston est dimensionnée de manière à présenter un jeu de l'ordre de 0,002 mm à 0,02 mm entre la couronne et la paroi du cylindre, la face supérieure (20) de la couronne (12) étant renforcée par des fibres ou un tissu unidirectionnels stratifiés en une orienta35 tion à 0 , 45 , 90 , ladite tête (11) du piston étant munie d'un revêtement en un matériau résistant à l'oxydation à haute température, pour éviter une érosion et une oxydation de cette tête, et étant imprégnée d'un matériau résistant à l'oxydation à haute température, pour éviter davantage encore

l'occurrence d'une telle erosion et d'une telle oxydation.

6. Piston composite selon la revendication 4, caractérisé par le fait que la tête (11) de ce piston, en carbonecarbone, renferme des éléments structurels en une fibre première et en une résine carbonee.

7. Piston composite selon la revendication 6, caracté10 risé par le fait que la fibre première est de la rayonne.

8. Piston composite selon la revendication 6, caractérisé par le fait que la -fibre première est du polyacrylonitrile.

9. Piston composite selon la revendication 6, caracté15 risé par le fait que la résine carbonee est à base d'alcool furfurylique.

10. Piston composite selon la revendication 6, caracté- risé par le fait que la résine carbonée est une résine phénolée.