FR3094044A1 - Piston de moteur a combustion interne - Google Patents
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Abstract
La présente invention a pour objet un piston (1) de moteur à combustion interne, destiné à coulisser axialement dans un cylindre (2) du moteur en décrivant un mouvement de va-et-vient, le piston présentant une partie supérieure (10) de forme sensiblement cylindrique, se prolongeant par une partie inférieure (11), appelée jupe, la jupe définissant une surface externe sensiblement cylindrique délimitée par une arête supérieure (113a) et une arête inférieure (113b) qui s’étendent de manière circonférentielle, caractérisé en ce qu’au moins une des arêtes supérieure ou inférieure comporte au moins une zone concave définissant au moins un point bas (P). Figure 1
Description
La présente invention concerne un piston de moteur à combustion interne présentant une aptitude à la lubrification améliorée.
De manière classique pour un moteur à combustion interne, celui-ci comprend au moins un cylindre comportant en son intérieur une chemise dans laquelle est mobile en va-et-vient un piston relié à une bielle par une liaison pivot. Il est connu d'effectuer une lubrification entre les éléments mobiles et fixes du moteur par de l'huile de lubrification pour diminuer les frottements.
Le piston est muni de segments entourant une portion de la périphérie du piston pour effectuer une étanchéité de l'huile de lubrification. Cet ensemble bielle et piston avec ses éléments auxiliaires est dénommé attelage mobile et l'ensemble attelage mobile avec la chemise du cylindre forme le poste segment-piston-chemise aussi connu sous l'abréviation poste SPC.
Pour optimiser la performance et l'efficience des moteurs à combustion, il est nécessaire de faire évoluer tous les facteurs, liaisons et/ou mécanismes qui permettent la transmission de puissance, de la combustion des énergies fossiles au cœur des cylindres à la puissance disponible par le vilebrequin. Ceci concerne tout particulièrement l'attelage mobile et le poste SPC, les éléments composant cet attelage et ce poste étant générateurs de perte de puissance par frottement.
Les parties inférieures des pistons appelées jupes sont destinées à guider celui-ci dans son fût. Elles ont habituellement des surfaces projetées planes de forme parallélépipédiques. Lors des déplacements linéaires du piston dans la chemise, la ou les deux lignes horizontales de ces parallélépipèdes constituent des arêtes ayant tendance à chasser l’huile de la surface de frottement.
Pénalisant la translation libre du piston, une mauvaise lubrification entre ces deux pièces peut entrainer les conséquences suivantes :
- Absorption d’énergie et donc à même performance, hausse de la consommation de carburant.
- Risque d’usure prématurée à la fois de la chemise et du piston.
- Possibilités accrues de grippage du piston dans son fût sous certaines conditions.
Par conséquent, le problème à la base de la présente invention est, pour un ensemble formé d'une bielle et d'un piston, d'assurer une lubrification hydrostatique continue du piston par rapport au cylindre logeant l'ensemble, cette lubrification étant suffisante pour permettre un maintien du piston dans le cylindre lors de son basculement autour de son axe aux points morts haut et bas de sa course.
L’invention propose à cet effet de créer une géométrie concave au niveau des arêtes horizontales des jupes de pistons de manière à diriger l’huile dans les zones d’appui préférentiel.
Cette géométrie concave peut concerner aussi la sérigraphie des revêtements antifriction parfois appliqués sur les jupes.
Cette forme spécifique peut aussi bien être utilisée au niveau de l’arête inférieure de jupe que de l’arête supérieure, notamment dans le cas d’un piston à jupe déportée.
L’invention a en particulier pour objet un piston de moteur à combustion interne, destiné à coulisser axialement dans un cylindre du moteur en décrivant un mouvement de va-et-vient, le piston présentant une partie supérieure de forme sensiblement cylindrique, se prolongeant par une partie inférieure, appelée jupe, la jupe définissant une surface externe sensiblement cylindrique délimitée par une arête supérieure et une arête inférieure qui s’étendent de manière circonférentielle, au moins une des arêtes supérieure ou inférieure comportant au moins une zone concave définissant au moins un point bas.
Des caractéristiques optionnelles de l'invention, complémentaires ou de substitution sont énoncées ci-après.
Selon certaines caractéristiques, la zone concave définissant au moins un point bas peut être réalisée par des creux de forme en V.
Selon d’autres caractéristiques, les arêtes supérieure et/ou inférieure de la jupe peuvent comporter plusieurs zones concaves définissant ensembles une pluralité de points bas.
Selon d’autres caractéristiques, la jupe peut comporter une zone de sérigraphie destinée à optimiser les propriétés de la surface externe de la jupe en frottement, ladite zone de sérigraphie portant une surface d’appui bombée.
Selon d’autres caractéristiques, la zone de sérigraphie est délimitée par une frontière supérieure et une frontière inférieure, l’une et/ou l’autre pouvant être de forme concave.
Selon d’autres caractéristiques, l’arête supérieure et/ou inférieure de la jupe peut comporter plusieurs zones concaves pointant respectivement vers les frontières supérieure ou inférieure, de manière à agencer un nombre de points bas pairs en regard desdites frontières, aptes à guider le lubrifiant sur toute la surface d’appui bombée.
Selon d’autres caractéristiques, l’arête supérieure et/ou inférieure de la jupe peut comporter plusieurs zones concaves pointant respectivement vers les frontières supérieure ou inférieure, de manière à agencer un nombre de points bas impairs en regard desdites frontières, aptes à guider le lubrifiant vers le centre de la surface d’appui bombée.
Selon d’autres caractéristiques, la partie supérieure et la partie inférieure du piston peuvent être contigües.
Alternativement, la partie supérieure et la partie inférieure du piston peuvent être reliées par une gorge annulaire.
Selon d’autres caractéristiques, les zones concaves définissent des creux pouvant être compris entre 2 et 10 mm.
L’invention concerne également un moteur à combustion interne comportant un piston conforme à un mode de réalisation de l’invention.
Plus généralement, l’invention peut aussi s’appliquer à tout système comprenant un piston destiné à réaliser des vas et vient dans un cylindre. Elle n’est donc pas limitée aux seuls moteurs à combustion interne mais peut être étendue aux moteurs à combustion externe comme aux compresseurs d’air ou de fluides frigorifiques par exemple.
D’autres avantages et particularités de l’invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée de mises en œuvre et de modes de réalisation nullement limitatifs, et des dessins annexés suivants :
A des fins de clarté et de concision, les références sur les figures correspondent aux mêmes éléments.
Les modes de réalisation décrits ci-après étant nullement limitatifs, on pourra notamment considérer des variantes de l'invention ne comprenant qu'une sélection de caractéristiques décrites, isolées des autres caractéristiques décrites (même si cette sélection est isolée au sein d'une phrase comprenant ces autres caractéristiques), si cette sélection de caractéristiques est suffisante pour conférer un avantage technique ou pour différencier l'invention par rapport à l'état de la technique antérieure. Cette sélection comprend au moins une caractéristique, de préférence fonctionnelle sans détails structurels, ou avec seulement une partie des détails structurels si cette partie uniquement est suffisante pour conférer un avantage technique ou pour différencier l'invention par rapport à l'état de la technique antérieure.
Sur chacune des figures 1 à 4, on a représenté un piston 1 de moteur à combustion interne, destiné à coulisser axialement dans un cylindre 2 du moteur en décrivant un mouvement de va-et-vient.
Le piston s’étend de manière longitudinale, selon un axe défini comme l’axe vertical, et présente une partie supérieure 10 de forme sensiblement cylindrique, se prolongeant par une partie inférieure 11, appelée jupe.
Les figures 1 à 4 mentionnent également un axe 12, correspondant au corps de la bielle reliant la partie supérieure du piston à un vilebrequin (non représenté).
La jupe définit une surface externe sensiblement cylindrique délimitée par une arête supérieure 113a et une arête inférieure 113b qui s’étendent de manière circonférentielle.
La surface externe sensiblement cylindrique de la jupe peut être discontinue dans le cas où la jupe est composée de deux ou plusieurs pans.
Selon l’invention, au moins une des arêtes supérieure ou inférieure comporte au moins une zone concave définissant ainsi au moins un point bas P.
L’invention consiste donc à introduire une ou plusieurs concavités au niveau des arêtes horizontales des jupes de pistons de manière à diriger l’huile vers les zones souhaitées au moyen des points bas P.
Cette géométrie de concavité peut aussi bien être utilisée au niveau de l’arête inférieure de la jupe que de l’arête supérieure, notamment dans le cas d’un piston non pas à jupe continue mais à jupe déportée.
Selon la figure 4, la partie supérieure 10 et la partie inférieure 11 du piston sont contigües, en ce sens qu’il y a une continuité des surfaces pour les parties inférieure et supérieure du piston.
Selon les figures 1, 2 et 3, la partie supérieure 10 et la partie inférieure 11 du piston sont reliées par une gorge annulaire 13.
Avantageusement, les formes géométriques concaves peuvent concerner aussi la sérigraphie des revêtements antifriction, tels que les revêtements de graphite par exemple
Tel que représenté sur les figures 3 et 4, la jupe comporte une zone de sérigraphie 111 destinée à optimiser les propriétés de la surface externe de la jupe en frottement, ladite zone de sérigraphie portant en outre une surface d’appui bombée 110.
La zone de sérigraphie 111 est délimitée par une frontière supérieure 112a et une frontière inférieure 112b de forme concave.
Les jupes de piston concaves permettent ainsi de collecter l’huile le long des arêtes supérieure et/ou inférieure et de la diriger vers les zones d’appui entre le piston et le fût. Ces jupes tendent donc à favoriser la formation d’un film d’huile entre les deux pièces, ce dernier luttant ainsi contre les anomalies de frottement.
Lorsque le piston s’appuie contre le fût par l’intermédiaire de sa jupe et de ses segments, l’huile tend à s’échapper de la zone de pression. Ce phénomène est accentué par le fait que les jupes présentent généralement une ou plusieurs surface d’appui bombée 110.
Celles-ci ne sont pas continu sur tout le périmètre du piston puisque localisées sur les pans de la jupe. Ces bombés tendent donc à évacuer l’huile autour d’eux.
Avant que les bombés ne soient en appui, les arêtes horizontales rectilignes des parallélépipèdes que constituent les jupes et leur éventuelle sérigraphie anti-frottement ont tendance à créer un premier effet de raclage de l’huile en la chassant sur les côtés du piston.
En effet, lorsque les jupes ne sont pas continues sur tout le pourtour du piston, et présentent donc des pans, l’huile tend à s’échapper de part et d’autre. Ainsi la zone ayant le plus besoin d’huile en est privée.
En créant une forme concave en lieu et place d’une arête rectiligne l’huile sera accumulée dans le(s) point(s) bas.
Ce(s) point(s) étant avantageusement alignés avec la zone de plus fort appui, l’huile sera préalablement dirigée vers les zones nécessitant une lubrification accrue au lieu d’en être chassée, comme le montre la figure 1 qui indique le trajet du lubrifiant par les flèches pleines.
On crée ainsi un phénomène de coincement de l’huile entre les deux pièces en mouvement qui favorise le glissement.
Avec cet effet de gavage de l’huile vers la zone d’appui, le film d’huile résiste mieux à la compression par la jupe dans cette zone.
Il sera donc capable de supporter des pressions spécifiques plus élevées.
Des zones d’appui de jupes réduites pourront donc être utilisées.
En diminuant les surfaces en contact, le frottement sera abaissé d’autant.
Par effet levier, cela constitue un autre biais de réductions des pertes du moteur.
Au niveau des arêtes inférieures, ces zones concaves améliorent la lubrification à la descente du piston seulement.
Au niveau des arêtes supérieures, ces zones concaves améliorent la lubrification lors des montées du piston uniquement.
Les efforts dus à la combustion s’exerçant lors des descentes du piston, l’influence de l’arête inférieure sera plus grande.
Pour collecter et orienter l’huile, les différents rayons de courbures le long de l’arête de jupe sont prépondérants et demandent d’être mis au point finement pour chaque moteur. La position du ou des points bas est aussi déterminante.
Bien entendu, l’Homme du Métier saura adapter la géométrie des bords d’attaques des jupes afin qu’ils participent favorablement à la lubrification.
Il conviendra également de déterminer le nombre et les dimensions des zones concaves ménagées au niveau des arêtes supérieure et/ou inférieure de la jupe, lorsque cette dernière comprend une pluralité de points bas P.
Concernant ces points bas, les zones concaves peuvent définir avantageusement des creux compris entre 2 et 10 mm.
Il est en effet intéressant de démultiplier le nombre de points bas P en créant des attaques de jupe en forme de vague.
Cette géométrie permet de répartir l’huile suivant autant de canaux qu’il y a de points bas.
Tel que représenté par exemple en figure 2, l’arête supérieure 113a de la jupe comporte plusieurs zones concaves pointant respectivement vers la surface d’appui bombée 110, de manière à agencer un nombre de points bas pairs en regard de ladite frontière, aptes à guider le lubrifiant (représenté par les flèches pleines) sur toute la surface d’appui bombée 110.
Tel que représenté par exemple en figure 3, l’arête supérieure 113a de la jupe comporte plusieurs zones concaves pointant respectivement vers la frontière supérieure 112a, également concave, d’une zone de sérigraphie 111, de manière à agencer un nombre de points bas impairs en regard de ladite frontière, aptes à guider le lubrifiant (représenté par les flèches pleines) vers le centre de la surface d’appui bombée 110.
L’introduction de géométries concaves au niveau des jupes de piston telle qu’énoncée selon l’invention permet donc de repousser les limites de grippage des pistons, de réduire les pertes par frottement dans le moteur du fait d’une lubrification en régime hydrodynamique améliorée.
L’invention permet aussi une réduction de la taille des surfaces en contact, une durabilité accrue à la fois de la jupe piston et de son éventuel revêtement antifriction ainsi que de la chemise du cylindre.
L’invention permet enfin de réduire le niveau sonore produit par les chocs piston-chemise en raison d’un film d’huile plus épais qui joue le rôle d’amortisseur.
En termes économiques, si de telles géométries nécessitent un usinage plus complexe du piston et donc augmentent les coûts de fabrication, ces nouvelles géométries de jupes pourraient permettre de s’affranchir de certains traitements de surfaces des segments, des dépôts de graphite sur les jupes, ou de la présence de gicleurs de fond de piston.
Dans le cas de jupes revêtues d’une couche antifriction, si cette forme est appliquée uniquement à la sérigraphie, la lubrification sera améliorée sans impliquer de surcoût.
Dans certains cas, le cumul des différents artifices de réduction de friction ne permettent pas d’atteindre les objectifs de réduction des frottements. Cette innovation pourrait être un élément supplémentaire permettant de diminuer les pertes et donc les émissions de CO2 tout en offrant une meilleure durabilité.
A noter, les différentes caractéristiques, formes, variantes et modes de réalisation de l’invention peuvent être associés les uns avec les autres, selon diverses combinaisons dans la mesure où ils ne sont pas incompatibles ou exclusifs les uns des autres.
Plus généralement, l’invention peut aussi s’appliquer à tout système comprenant un piston destiné à réaliser des vas et vient dans un cylindre. Elle n’est donc pas limitée aux seuls moteurs à combustion interne mais peut être étendue aux moteurs à combustion externe comme aux compresseurs d’air ou de fluides frigorifiques par exemple.
Claims (10)
- Piston (1) de moteur à combustion interne, destiné à coulisser axialement dans un cylindre (2) du moteur en décrivant un mouvement de va-et-vient, le piston présentant une partie supérieure (10) de forme sensiblement cylindrique, se prolongeant par une partie inférieure (11), appelée jupe, la jupe définissant une surface externe sensiblement cylindrique délimitée par une arête supérieure (113a) et une arête inférieure (113b) qui s’étendent de manière circonférentielle, caractérisé en ce qu’au moins une des arêtes supérieure ou inférieure comporte au moins une zone concave définissant au moins un point bas (P).
- Piston (1) de moteur à combustion interne selon la revendication 1, caractérisé en ce que les arêtes supérieure et/ou inférieure de la jupe comportent plusieurs zones concaves définissant ensembles une pluralité de points bas (P).
- Piston (1) de moteur à combustion interne selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la jupe comporte en outre une zone de sérigraphie (111) destinée à optimiser les propriétés en frottement de la surface externe de la jupe, ladite zone de sérigraphie portant une surface d’appui bombée (110).
- Piston (1) de moteur à combustion interne selon la revendication 3, caractérisé en ce que la zone de sérigraphie (111) est délimitée par une frontière supérieure (112a) et une frontière inférieure (112b), l’une des deux frontières comportant au moins une zone concave définissant au moins un point bas (P).
- Piston (1) de moteur à combustion interne selon la revendication 4, caractérisé en ce que l’arête supérieure (113a) et/ou inférieure (113b) de la jupe comporte plusieurs zones concaves pointant vers la frontière supérieure (112a), respectivement inférieure (112b), de manière à agencer un nombre de points bas pairs en regard desdites frontières, aptes à guider le lubrifiant sur toute la surface d’appui bombée (110).
- Piston (1) de moteur à combustion interne selon la revendication 4, caractérisé en ce que l’arête supérieure (113a) et/ou inférieure (113b) de la jupe comporte plusieurs zones concaves pointant vers la frontière supérieure (112a), respectivement inférieure (112b), de manière à agencer un nombre de points bas impairs en regard desdites frontières, aptes à guider le lubrifiant vers le centre de la surface d’appui bombée (110).
- Piston (1) de moteur à combustion interne selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la partie supérieure (10) et la partie inférieure (11) du piston sont contigües.
- Piston (1) de moteur à combustion interne selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la partie supérieure (10) et la partie inférieure (11) du piston sont reliées par une gorge annulaire (13).
- Piston (1) de moteur à combustion interne selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les zones concaves définissent des creux compris entre 2 et 10 mm.
- Moteur à combustion interne comportant un piston (1) conforme à l’une quelconque des revendications précédentes.
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