Piston pour moteur de véhicule automobile.Piston for motor vehicle engine.
La présente invention concerne un ensemble piston-segment pour un moteur de véhicule, 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 ponctuel 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) 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 perpendiculaire audit axe et délimitant partiellement une chambre de combustion, et au moins une gorge dans laquelle est inséré un segment et qui est caractérisé en ce que la gorge s'inscrit dans un plan qui est incliné par rapport à l'extrémité plane dudit piston. Avantageusement, la gorge loge le premier segment, qui est le segment le plus proche de la chambre de combustion. The present invention relates to a piston-segment assembly for a vehicle engine, as well as to a vehicle engine having such a piston. FIG. 1 schematically represents a piston 1 moving inside a cylinder 2. The piston 1 performs, along the axis of the cylinder 2, a so-called primary movement which generates the volume variations of the chamber of combustion. The pressure resulting from the combustion generates on the piston head 1 efforts that the latter transfer to the rod. Due to the operating clearance existing between the liner of the cylinder 2 and the piston 1, it performs a so-called secondary movement corresponding, on the one hand, to its rotation about the piston axis 3 (tilt), represented by the double arrow 4, and, on the other hand, a lateral displacement (slap) represented by the double arrow 5. During a motor combustion cycle, the secondary movement generates lateral forces 6 between the piston 1 and shirt. A peak of point force corresponds to a shock between the piston 1 and the jacket, generates a mechanical noise and involves a degradation of the engine acoustics. The average force generates a friction force 7 between the piston 1 and the liner and contributes to frictional losses of the engine. Such losses are estimated at about 10% of mechanical losses. The secondary movement also impacts the scraping of the oil by the piston rings 1. Indeed, if the scraping is too great, the shirt will dry out and the segments will generate friction and wear on the shirt. . If scraping is insufficient, an excess of oil will accumulate in the segments that will transport it to the combustion chamber, resulting in excessive consumption of oil and emission of polluting or degrading species. exhaust aftertreatment systems. The complexity of this secondary movement makes it difficult to optimize the profile of the skirts to have an ideal scraping. The secondary movement of the piston 1 generates many disadvantages, whether it is noise generation, the appearance of friction, the wear of parts or the increase in oil consumption. Different solutions have been envisaged in order to limit the secondary movement of the piston 1. A first solution consists in ensuring optimal guidance of the piston 1 in the cylinder 2 by optimizing, on the one hand, the shape and characteristics (materials, elasticity) of the skirt of the piston 1, and, secondly, the geometry and the deformed piston 1 and hot jacket to limit the game. The implementation of this solution is limited because it is not possible to cancel The second solution consists in offsetting the crankshaft. Offset allows to modify the rod / piston forces and rebalance them with respect to the shape of the forces in the combustion chamber. The misalignment must be such that in the compression phase and in the expansion phase, the point force level and the average effort level remain approximately equivalent, resulting in a decrease in the amplitude of the lateral force peaks. Figure 2 shows the curves of the lateral forces (ordinate) exerted between the piston 1 and the liner as a function of the rotation angle of the crankshaft (abscissa) for different values of the misalignment. The curves 20, 22 and 24 respectively correspond to an offset of 0 mm, 10 mm and 20 mm. This second solution reduces the noise generated by the shocks between the piston 1 and the jacket, as well as friction. But in order to misalign the crankshaft, the architecture of the engine must be modified which causes heavy modifications of the engines. In addition, the misalignment of the crankshaft requires a larger volume at the bottom of the housing and therefore a larger volume and weight of the engine, which goes against the decreases in weight and fuel consumption. The object of the invention is to remedy the drawbacks mentioned above by proposing a piston which makes it possible to reduce the secondary movement of this piston without implementing the disadvantageous solutions of the state of the art. For this purpose, the present invention relates to a piston for a motor vehicle engine, intended to slide in a cylinder along an axis, said piston comprising a flat end perpendicular to said axis and partially delimiting a combustion chamber, and at least one groove in which is inserted a segment and which is characterized in that the groove is in a plane which is inclined relative to the flat end of said piston. Advantageously, the groove houses the first segment, which is the segment closest to the combustion chamber.
De préférence, l'angle d'inclinaison est compris entre 2 et 10 . La partie du piston délimitée par la gorge inclinée et l'extrémité plane, 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 pivote le pied d'une bielle, et le plan dans lequel s'inscrit la gorge est parallèle audit axe de rotation. L'invention propose également un moteur comprenant au moins un cylindre et au moins un piston conforme à la description qui précède. 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 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 10 de l'état de la technique, - la figure 4 représente un ensemble piston-segment selon l'invention, - la figure 5 représente l'effort entre le piston et la chemise, et 15 - la figure 6 représente l'effort équilibré entre le piston et la chemise. 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 20 et se déplace à l'intérieur d'un cylindre 34 sous l'effet de la combustion qui s'effectue dans la chambre de 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 25 de la chambre de combustion et la tête du piston 31, est défini un premier cordon 36. Le piston 31 et le cylindre 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. 30 La pression créée lors de la combustion génère sur la tête du piston 31, un effort principal 37 qui entraîne 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 35 efforts secondaires 38 qui s'exercent sur le pourtour du premier cordon 36. La présence du premier segment 32a 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 équivalente 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 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. La tête du piston s'inscrit globalement dans un plan perpendiculaire à l'axe 40. 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 P et lorsque le premier segment 53 est positionné sur le piston 52, le plan P 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. Preferably, the angle of inclination is between 2 and 10. The portion of the piston defined by the inclined groove and the flat end, has a variable height on its circumference, the minimum height being located on the side of the thrust on the piston. The piston comprises an axis of rotation about which pivots the foot of a rod, and the plane in which fits the groove is parallel to said axis of rotation. The invention also proposes an engine comprising at least one cylinder and at least one piston as described above. The invention will be better understood, and other objects, features, details and advantages thereof will appear more clearly in the following explanatory description made with reference to the accompanying schematic drawings given solely by way of example illustrating a embodiment of the invention and in which: Figure 1 shows schematically a piston in an internal combustion engine cylinder, Figure 2 shows the curves of the lateral forces as a function of the rotation angle of the crankshaft for a piston assembly -segment of the state of the art, - Figure 3 shows a piston-segment assembly 10 of the state of the art, - Figure 4 shows a piston-segment assembly according to the invention, - Figure 5 represents the the force between the piston and the liner, and FIG. 6 shows the balanced force between the piston and the liner. A piston-ring assembly 30 of the state of the art is shown in FIG. 3. This assembly 30 comprises a piston 31 and three segments 32a, 32b and 32c and moves inside a cylinder 34 under FIG. the effect of combustion occurring in the combustion chamber. The piston 31 is secured to a connecting rod 35 whose foot is rotatably mounted about the piston axis 57. Between the first segment 32a which is closest to the combustion chamber 25 and the piston head 31, is defined a first bead 36. The piston 31 and the cylinder 34 have the form of cylinders of revolution of the same axis 40. The first segment 32a has the shape of a crown inscribed in a plane P perpendicular to the axis 40. The pressure created during combustion generates on the head of the piston 31, a main force 37 which drives the movable coupling 31, 35 by converting the energy of the combustion into mechanical energy. Due to the clearance between the jacket and the piston 31, the pressure also generates secondary forces 38 which are exerted on the periphery of the first cord 36. The presence of the first segment 32a limits the passage of the combustion gases and the force which is exerted on the second cord 39 is much weaker. In a particular example, the pressure at the first bead 36 is of the order of 160 bars and the pressure at the second bead 39 is of the order of 2 bars. The first bead 36 of the piston 31 of the state of the art is axisymmetric with respect to the axis 40 and the resultant of the secondary forces 38 is very small because the secondary forces are exerted substantially similarly over the entire periphery. of the first cord 36. FIG. 5 shows, in the case of a prior art assembly 30, the curve of the normal force between the piston skirt 31 and the cylinder liner 34 (ordinate) as a function of crank angle of rotation (abscissa). This curve shows that an extremum is reached for about 360, where the intensity of the effort is then about 11 kN. The side of the piston 31 on which this maximum force is exerted is called "push side" and the diametrically opposite side is then called "counter-thrust side". In order to reduce, or even eliminate, the secondary movement, an opposite force in direction and of intensity equal to the maximum force, must be applied to the piston all along its displacement. By applying such a force, the peak corresponding to the maximum force is reduced accordingly and eliminates the noise of shocks. Figure 4 is a side view of a piston-segment assembly 50 for a vehicle engine according to the invention. The piston-segment assembly 50 moves inside a cylinder 34 and along the axis 40 of said cylinder 34. The piston-segment assembly 50 comprises a piston 52 and a first segment 53 fixed on the piston 52. The first segment 53 is the segment that is closest to the combustion chamber. The piston head is generally in a plane perpendicular to the axis 40. The displacement of the piston 52 is carried out so that the zone below the first segment 53 remains tight, that is to say that the gases resulting from the combustion and / or the oil do not cross the barrier formed by the first segment 53. The first segment 53 has the shape of a ring housed in a groove 53a inscribed in a plane P and when the first segment 53 is positioned on the piston 52, the plane P has with the axis 40 an angle other than 90 and, preferably, greater than 90 and, in particular, between 92 and 100. The angle between the plane P and the axis 40 is the angle between the axis 40 and its orthogonal projection on the plane P. In other words, the angle between the normal to the plane P and the axis 40 is different from 0 and preferably from 2 to 10. Between the first segment 53 and the piston head 52 is defined a first bead 54 which is not axisymmetric with respect to the axis 40 and its height varies on its periphery from a minimum height to a maximum height different from the height minimal. The pressure resulting from the combustion then generates at each point around the first cord 54 a force 55a, 55b. Because of the unequal surface distribution around the periphery of the first bead 54, the total resultant 56 of the pressure forces around the periphery of the first segment 54 is not negligible and applies at the level of the piston pin 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'angle d'inclinaison du premier segment 53, 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. Le positionnement particulier du premier segment 53 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 subits 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 l'épaisseur maximale est de 8 mm et l'épaisseur 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. This imbalance forces the piston 52 against the liner of the cylinder 34 and the piston 52 thus bears on the side where the surface of the first cord 54 is the smallest, here on the side where the force 55b applies. This plating of the piston 52 strongly limits the secondary movement and therefore the noise, as well as friction losses, wear, and oil consumption. The plane P is parallel to the piston axis 57. The angular orientation of the plane P is chosen so that the total resultant 56 is opposite in the direction of intensity equal to the maximum force described above. The thickness of the first cord 54 which is minimal is arranged on the side corresponding to the thrust side of the piston-segment assembly as defined in the case of a set of the state of the art. For a set 50 of geometry equivalent to that of the whole of the state of the art, the plating of the piston 52 against the liner is obtained if the total resultant 56 oriented towards the thrust side is greater than 11 kN. The following calculation is made in the case of a maximum combustion pressure of 160 bar, a piston 52 with a diameter of 85 mm and a first bead 54 whose maximum height is 12 mm and the minimum height is 2 mm. The surface of the first bead 54 is divided into two semi-cylindrical surfaces. The height of the first surface varies from 12 mm to 7 mm, and the height of the second surface varies from 7 mm to 2 mm. The resultant which is exerted on the first surface is of the order of 20,3 kN and the resultant which is exerted on the second surface is of the order of 9,6 kN. The total resultant 56 is 10.7 kN thus substantially compensating for the maximum intensity of 11 kN which has been previously determined. Advantageously, the dimensions of the first bead 54 and, consequently, the angle of inclination of the first segment 53, will be adapted so as to equal the maximum intensity between the skirt of the piston and the liner of the cylinder. Indeed, the exceeding of this maximum intensity will generate additional friction forces. The particular positioning of the first segment 53 can also make it possible to balance the forces between the skirt of the piston and the liner of the cylinder. Indeed, as seen in Figure 6, whose curve 60 is identical to that of Figure 5, a first extremum reaches 5 kN and a second extremum reaches 11 kN. To balance the forces experienced by the first bead, it is necessary to orient the plane P angularly so that each extremum reaches 8 kN, that is to say that the total resultant 56 must be 3 kN. The curve 62 represents the normal force between the skirt of the piston 52 and the liner of the cylinder 34 after balancing 3 kN of the forces. This balance of efforts reduces noise and friction. The following calculation is made in the case of a maximum combustion pressure of 160 bar, a piston 52 with a diameter of 85 mm and a first bead 54 whose maximum thickness is 8 mm and the minimum thickness is of 5.1 mm. The surface of the first bead 54 is divided into two semi-cylindrical surfaces. The height of the first surface varies from 8 mm to 6.55 mm, and the height of the second surface varies from 6.55 mm to 5.1 mm. The resultant which is exerted on the first surface is of the order of 15,5 kN and the resultant which is exerted on the second surface is of the order of 12,5 kN. The total resultant 56 is 3 kN.