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Soupape nervurée à grand refroidissement pour moteurs à explosion et à combustion.
La présente invention a pour objet une soupape nervurée à grand refroidissement pour moteurs à explosion et à combustion, qui a été spécialement étudiée en vue d'accroître la sécurité de fonctionnement, l'endurance et le rendement de tous les moteurs à explosion et à combustion munis de soupapes. On comprend que l'invention concerne plus spécialement les soupapes d'échappement, tout en étant applicable aux soupapes d'admission.
La plupart des moteurs à explosion ou à combustion, notamment les moteurs modernes ou l'on a
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recherché un rendement élevé, présentent divers inconvénients inhérents aux soupapes: d'une part, l'écoulement difficile des gaz laminés entre siège et soupape, cause de mauvais remplissages ou de contre-pressions à l'échappement ; d'autre part, la destruction rapide de l'étanchéité des portées, grillage du métal et rupture de la tête de soupape, ces derniers inconvénients ayant pour origine commune l'échauffement exagéré et dissymétrique de la tête de soupape.
On constate, en effet, que, à l'échappement il existe toujours un secteur de la soupape essuyé davantage par les gaz d'échappement; la répartition des températures n'est donc pas de révolution autour de l'axe de la soupape; il en résulte une dilatation dissymétrique de cette soupape et qui produit le voile de tête, de sorte que le joint formé par le repos de la soupape sur son siège est défectueux à chaud alors qu'il est excellent à froid.
De plus, on ne dispose pour la soupape d'admission que de trois modes de refroidissement: la conduction par la tige a, la conduction par le siège h et l'essuyage ou convection par les gaz frais. Pour la soupape d'échappement, la convection par les gaz frais n'a pas lieu et le mauvais contact à chaud de la soupape avec son siège réduit le refroidissement à travers le siège par conductibilité; le refroidissement par la tige est prépondérant. Il en résulte que la portée c de soupape, partie de la pièce la plus éloignée de la tige, étant essuyée par les gaz d'échappement encore très chauds, est la région la plus chaude de la soupape (fig. 1). ctest donc une partie essentielle de la soupape, celle ayant besoin de la plus grande dureté, qui se trouve avoir la température de fonctionnement la plus élevée.
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Il arrive aussi fréquemment qu'une dissymétrie trop accentuée de l'échauffement produise dans le métal des tensions excessives qui, jointes à celles provoquées par les très grandes accélérations du mouvement , entraînent la rupture de la tête d; cette rupture a lieu le plus souvent au niveau du raccordement de la tête d à la tige a (soit suivant a b, soit suivant c d, fig. 2) paraissant indiquer une certaine fragilité relative de cette partie de la soupape.
Il existe déjà des soupapes décrites dans des brevets antérieurs munies d'ailettes, dans le seul but d'assurer en fonctionnement la rotation de la soupape pour en effec- tuer le rodage automatique ; ailettes sont relativement inclinées par rapport à l'axe de la soupape (en moins de 30 ) et la rotation est d'ailleurs favorisée par un montage sur pivot à billes de la queue de la soupape.
L'expérience a montré que les angles d'attaque, dus à l'inclinaison assez grande des ailettes, déterminent une rotation trop rapide de la soupape entraînant de graves inconvénients, en particulier, l'usure très rapide du siège et par suite le déréglage de la distribution. Si l'on veut parer à ces inconvénients par réduction de la surface active des ailettes, la rotation ne se produit plus que pour les régimes élevés du moteur. Par ailleurs, les ailettes fortement inclinées sur l'axe de la soupape freinent le passage des gaz et diminuent par suite le rendement du moteur ; enfin, leur grande obliquité entraîne, du fait de leur dilatation à chaud, des distorsions de la pièce qui suppriment presque complètement l'étanchéité et provoquent à bref délai des ruptures de la tête de soupape.
La soupape d'échappement ou d'admission, objet de l'invention, présente une forme particulière qui remédie
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aux inconvénients ci-dessus énoncés. Cette forme est caractérisée par une répartition judicieuse du métal constituant la tulipe de raccordement de la tête à la tige de soupape en vue d'obtenir un écoulement plus facile des gaz, un meilleur refroidissement de la tête et un accroissement de résistance mécanique, à égalité de poids et de qualité du métal.
Sur le dessin est représenté, à titre dtexemple, une soupape réalisée suivant l'invention, en élévation avec coupe partielle et en plan fig. 3 et 4 ; fig. 5 et 6 montrent en élévation et en plan une variante à nervures inégales.
Dans la saupape représentée fig. 3 et 4, la tulipe de raccordement au lieu d'avoir la forme classique de révolution comporte des nervures e dont les crêtes sont disposées suivant les génératrices d'un cône ou suivant les génératrices d'un hyperboloïde de révolution formant avec l'axe de révolution un angle aigu, de préférence compris entre 0 et 15 et va en s'évasant de la tige vers la tête. La directrice ou méridienne de la surface de révolution, formant les intervalles de la tulipe entre les nervures, a une très forte courbure de façon à alléger le plus possible la soupape.
Les nervures e, en nombre pair ou impair, pourront d'ailleurs être toutes de la même forme (fig. 3 et 4) ou de plusieurs formes (fig. 5 et 6) sous la seule réserve que l'ensemble de la pièce admette l'axe de la soupape comme axe principal a'inertie. La crête de chaque nervure raccorde directement la portée c de soupape à sa tige a suivant une ligne qui peut être une droite, une courbe plane ou une courbe gauche.
Chaque nervure prend donc naissance le plus près possible de la portée de la soupape qu'elle'relie
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directement. à la tige et le plus loin possible de ladite tête.
La section de chaque nervure par un plan perpendiculaire à la nervure va en s'élargissant de la crête à la base ainsi qu'on le voit fig. 3a. le profil à fond de nervure est tel que la surface de la section S' de la soupape nervurée par un plan x'-y' perpendiculaire à l'axe (fig. 7 et 8) soit équivalente à la section S par le même plan x-y de la même soupape de forme ordinaire (fig. 9 et 10), de manière à ré- aliser une soupape aussi légère que celle utilisée jusqu'à. présent, Les nervures font, de préférence, partie intégrante de la masse de la soupape.
En conséquence, cette tulipe de raccordement nervurée pourra être obtenue soit par usinage de la tulipe de soupape dans la masse, soit en rapportant entre la tête et la tige de soupape une fourrure nervurée, matrices, usinée ou coulée, de même métal ou de métal différent. Mais le procédé préféré est celui dans lequel la tête de soupape avec ses nervures est réalisée par matriçage sur matrice nervurée. Ce procédé permet en effet de conserver la continuité et la bonne orientation des fibres du métal dans la tête, la tige et les nervures et d'obtenir par suite la, conductibilité thermique optimum pour la résis- tance mécanique maximum.
Sur la fig. 3 on a ainsi repré- senté la disposition des fibres qu'a révélée une macrographie d'une soupape nervurée, conforme à l'invention, exécutée par mat riçage.
Les avantages techniques que procure la surface nervurée de la soupape sont les suivante :
1 - Chaque nervure constitue un raidisseur qui soutient la région de la portée relative à la nervure. A égalité de poids, une soupape nervurée est plus solide; à égalité de résistance, elle est plus légère;
3 - Chaque nervure constitue un conduit d'évacuation
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direct des calories de la portée très chaude vers la tige plus froide, sans passer par 'le centre de la pièce, d'où de refroidissement énergique/soupape; (d'autant meilleur que la structure fibreuse du métal a été conservée par matri- çage) ; '
3 - Les gaz sont en quelque sorte canalisés par les nervures entre lesquelles ils trouvent des sections de pas- sage moins aplaties et par suite moins étroites;
l'effet de Jaminage produit par le passage des gaz, écrasés en quelque sorte entre siège et soupape, s'en trouve réduit; il en résulte une diminution plus ou moins sensible de la contre- pression d'échappement;
4 - La tulipe nervurée, lorsque les nervures sont très légèrement inclinées sur l'axe de la soupape, fonc- tionnant comme une petite turbine d'action sous '''effet du courant gazeux, engendre la rotation très lente de la soupape à chaque levée et, par suite, produit une réparti- tion de révolution des températures (les surfaces isother- mesdans la pièce sont dessurfaces de révol ut ion autour de J'axe de la pièce), répartition qui supprime levoile de la portée, assure le refroidissement de cette dernière dar le siège,
conserve l'étanchéité primitive, et par suite, écarte le danger de grillage tout en assurant au moteur son meilleur rendement.
Enfin, il y alieu de remarquer qu'en ce qui concerne la forme de la surface de la tulipe, les éléments de cette surface, compris entre les nervures, au lieu d'être de révolution peuvent appartenir à une surface quelconque se raccordant avec les nervures.
Comme on levoit surla fig. 11la tige a de 'la sou- page, munie des nervures e suivant *le brevet principal, peutcomporter une cavité qui sera remplie d'une substance h (par exemple mélange eutectique de NO3K
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et No3Li, Na métallique, etc...) améliorant l'évacuation de la chaleur vers la tige.
Dans un but analogue, on peut aussi prévoir dans la tête et, stil y a lieu, dans la partie supérieure de la tige, un noyau i constitué par un métal meilleur conducteur que celui constituant la tête et ?a tige et non fusible à la température de fonctionnement. Les fig. 12 et 13 représentent, à titre d'exemple, deux formes d'exécution de ce noyau réalisé par exemple par refoulage à la presse ou de touteautre façon.
Il sera également possible d.e réaliser la portée de la soupape en un métal distinct de celui constituant le reste de la tête et possédant une grande dureté mécanique à chaud, par exemple une fonte spéciale du genre déjà utilisé pour les sièges de soupapes rapportés.
Il y a lieu aussi d'indiquer que les nervures ,;peuvent présenter lesformes les plus diversespour remplir les différents buts qui leur sont assignés suivant les applications particulières envisagées.
Sur les fig. 14 à 16 on a représenté des formes de nervures dans lesquelles ces dernières présentent une convexité dirigée vers ]'extérieur. Les .nervures ainsi constituées offrent une très grande surface, favorable à
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un bon rayonnement àe la cl' a1eur et GJ' cS asparcnt, en cutre, une liaison mécanique particulièrement bonne entre la tête etla tige. Au lieu d'une ''igné courbe progressive, les crêtes des nervures pourraient également affecter la forme de lignes complexes avec tronçon;: de 1 ignés droite;? et courbes.
Les nervures peuvent se raccorder à la tête et à la tige sous un angle quelconque et recevoir une inclinaison sinietrorsum ou dextrorsum sur l'axe de la tige.
Particulièrement intéressante est la forme représen-
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tée sur 'la fig. 16 dans laquellela partie de la nervure située au voisinage de la 1- tête est rectiligne, la hauteur j de cette partie rectiligne pouvant être, par exemple, de 1'ordre de la levée de la soupape. De ce fait, les nervures assurent un meilleur guidage des gaz en cloisonnant les canaux compris entre elles et obligeant ainsi les gaz à passer dans ces canaux et à lécher toute leur surface.
Sur la fig. 17 on a représenté l'application des nervures aux soupapes dont la tête d comporte en son centre une cavité ci 1 .
Dans la réalisation de soupapes nervurées de ce genre, il est possible de conformer la cavité d1 de manière que sa section corresponde à celle de la surface externe de la soupape munie des nervures (fige 18 coupe se'on XVIII-XVIII). On obtient ainsi une soupape extrê- mement légère quoique très résistante et jouissant des autres propriétés décrites ci-dessus.
Il va d'ailleurs de soi que 'es formes d'exécu- tion ci-dessus ne sont pas les soudes possibles et que J'on pourra en imaginer bien desvariantes sans sortir du cadre de l'invention.
REVENDICATIONS
1 - Soupape d'admission et d'échappement pour acteurs à explosion, caractérisée en ce que la partie de cette soupape raccordant la tête à la tige est munie de nervures qui possèdent une inclinaison nulle ou faible par rapport à Taxe de la soupape, de manière à obtenir, le cas échéant, une rotation lente de celle-ci sous Inaction du du courant gazeux, sontréalisées de préférence par matriçage et présentent entre elles des canaux à forte section utile favorisant le passage des gaz.
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Highly cooled ribbed valve for internal combustion and combustion engines.
The present invention relates to a highly cooled ribbed valve for internal combustion and combustion engines, which has been specially designed with a view to increasing the operational safety, endurance and efficiency of all internal combustion and combustion engines. fitted with valves. It will be understood that the invention relates more especially to exhaust valves, while being applicable to intake valves.
Most internal combustion or combustion engines, especially modern engines where we have
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sought for high efficiency, have various drawbacks inherent in valves: on the one hand, the difficult flow of laminated gases between the seat and the valve, causing poor filling or back pressure at the exhaust; on the other hand, the rapid destruction of the sealing of the bearing surfaces, metal scorching and rupture of the valve head, these latter drawbacks having for common origin the exaggerated and asymmetrical heating of the valve head.
It is observed, in fact, that, at the exhaust, there is always a sector of the valve wiped more by the exhaust gases; the temperature distribution is therefore not of revolution around the axis of the valve; this results in an asymmetrical expansion of this valve and which produces the head veil, so that the seal formed by the rest of the valve on its seat is defective when hot, whereas it is excellent when cold.
In addition, only three cooling modes are available for the inlet valve: conduction via the rod a, conduction via the seat h and wiping or convection by the fresh gases. For the exhaust valve, convection by cool gases does not take place and poor hot contact of the valve with its seat reduces cooling through the seat by conductivity; the cooling by the rod is predominant. As a result, the valve seat c, part of the part furthest from the stem, being wiped by the still very hot exhaust gases, is the hottest region of the valve (fig. 1). It is therefore an essential part of the valve, the one needing the greatest hardness, which happens to have the highest operating temperature.
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It also frequently happens that an excessively accentuated dissymmetry of the heating produces excessive tensions in the metal which, together with those caused by the very great accelerations of the movement, cause the head to break; this rupture most often takes place at the connection of the head d to the rod a (either along a b or along c d, fig. 2) appearing to indicate a certain relative fragility of this part of the valve.
There are already valves described in prior patents provided with fins, for the sole purpose of ensuring, in operation, the rotation of the valve in order to effect automatic break-in; vanes are relatively inclined with respect to the axis of the valve (in less than 30) and the rotation is also favored by a ball pivot mounting of the valve stem.
Experience has shown that the angles of attack, due to the fairly large inclination of the vanes, cause the valve to rotate too quickly, causing serious drawbacks, in particular, very rapid wear of the seat and consequently maladjustment. of distribution. If one wishes to overcome these drawbacks by reducing the active surface area of the fins, the rotation only occurs at high engine speeds. Furthermore, the fins strongly inclined on the axis of the valve slow down the passage of gases and consequently reduce the efficiency of the engine; finally, their great obliqueness leads, because of their hot expansion, to distortions of the part which almost completely eliminate the seal and promptly cause the valve head to break.
The exhaust or intake valve, object of the invention, has a particular form which remedies
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to the aforementioned disadvantages. This shape is characterized by a judicious distribution of the metal constituting the tulip connecting the head to the valve stem in order to obtain an easier flow of the gases, a better cooling of the head and an increase in mechanical resistance, on an equal basis. weight and metal quality.
In the drawing is shown, by way of example, a valve produced according to the invention, in elevation with partial section and in plan FIG. 3 and 4; fig. 5 and 6 show in elevation and in plan a variant with unequal ribs.
In the saupape represented in fig. 3 and 4, the connecting tulip instead of having the classic shape of revolution comprises ribs e whose crests are arranged along the generatrices of a cone or along the generatrices of a hyperboloid of revolution forming with the axis of revolution an acute angle, preferably between 0 and 15 and widens from the rod towards the head. The directrix or meridian of the surface of revolution, forming the intervals of the tulip between the ribs, has a very strong curvature so as to lighten the valve as much as possible.
The ribs e, in an even or odd number, can moreover be all of the same shape (fig. 3 and 4) or of several shapes (fig. 5 and 6) subject only to the fact that the whole of the part admits the axis of the valve as the main axis of inertia. The crest of each rib directly connects the valve seat c to its stem a along a line which may be a straight line, a plane curve or a left curve.
Each rib therefore originates as close as possible to the seat of the valve that it connects
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directly. to the rod and as far as possible from said head.
The section of each rib by a plane perpendicular to the rib widens from the crest to the base as can be seen in fig. 3a. the profile with the bottom of the rib is such that the surface of the section S 'of the valve ribbed by an x'-y' plane perpendicular to the axis (fig. 7 and 8) is equivalent to the section S by the same plane xy of the same valve of ordinary shape (fig. 9 and 10), so as to make a valve as light as that used up to. Presently, the ribs are preferably an integral part of the mass of the valve.
Consequently, this ribbed connection tulip can be obtained either by machining the valve tulip in the mass, or by bringing between the head and the valve stem a ribbed, die-cut, machined or cast sleeve, of the same metal or of metal. different. However, the preferred method is that in which the valve head with its ribs is produced by stamping on a ribbed die. This process makes it possible in fact to maintain the continuity and the good orientation of the fibers of the metal in the head, the rod and the ribs and consequently to obtain the optimum thermal conductivity for the maximum mechanical strength.
In fig. 3 thus shows the arrangement of the fibers revealed by a macrography of a ribbed valve, according to the invention, made by stamping.
The technical advantages of the ribbed surface of the valve are as follows:
1 - Each rib constitutes a stiffener which supports the region of the bearing surface relative to the rib. At equal weight, a ribbed valve is more solid; with equal resistance, it is lighter;
3 - Each rib constitutes an evacuation duct
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direct calories from the very hot reach to the colder rod, without going through the center of the room, hence energetic cooling / valve; (all the better as the fibrous structure of the metal has been preserved by forging); '
3 - The gases are in a way channeled by the ribs between which they find less flattened and consequently less narrow passage sections;
the rolling effect produced by the passage of gases, crushed as it were between the seat and the valve, is thereby reduced; this results in a more or less appreciable reduction in the exhaust back pressure;
4 - The ribbed tulip, when the ribs are very slightly inclined on the axis of the valve, functioning like a small turbine of action under '' 'the effect of the gas current, generates the very slow rotation of the valve at each rise and, as a result, produces a distribution of temperature revolution (the isothermal surfaces in the room are surfaces of revolution around the axis of the room), a distribution which removes the star from the span, ensures cooling of the latter in the siege,
retains the original seal, and consequently, eliminates the danger of scorching while ensuring the engine its best performance.
Finally, it should be noted that with regard to the shape of the surface of the tulip, the elements of this surface, included between the ribs, instead of being of revolution, can belong to any surface connecting with the ribs.
As we can see in fig. 11the stem a of the su- page, provided with the ribs e according to the main patent, may include a cavity which will be filled with a substance h (for example eutectic mixture of NO3K
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and No3Li, metallic Na, etc ...) improving the evacuation of heat towards the rod.
For a similar purpose, it is also possible to provide in the head and, if necessary, in the upper part of the rod, a core i consisting of a metal which is better conductor than that constituting the head and? A rod and not fusible at the Operating temperature. Figs. 12 and 13 show, by way of example, two embodiments of this core produced for example by upsetting in the press or in any other way.
It will also be possible to achieve the seat of the valve in a metal distinct from that constituting the rest of the head and having great mechanical hardness when hot, for example a special cast iron of the kind already used for the added valve seats.
It should also be indicated that the ribs,; can have the most diverse forms to fulfill the various purposes assigned to them according to the particular applications envisaged.
In fig. 14 to 16 are shown forms of ribs in which the latter have a convexity directed outwardly. The ribs thus formed offer a very large surface, favorable to
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a good radiation to the key and GJ 'cS also, in addition, a particularly good mechanical connection between the head and the rod. Instead of a progressive igneous curve, the ridges of the veins could also affect the shape of complex lines with stretch ;: of 1 straight igneous ;? and curves.
The ribs can connect to the head and the rod at any angle and receive a sinietrorsum or dextrorsum inclination on the axis of the rod.
Particularly interesting is the form represented
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tee in 'fig. 16 in which the part of the rib located in the vicinity of the 1-head is rectilinear, the height j of this rectilinear part being able to be, for example, of the order of the lifting of the valve. As a result, the ribs ensure better guidance of the gases by partitioning the channels included between them and thus forcing the gases to pass through these channels and to lick their entire surface.
In fig. 17 shows the application of the ribs to the valves, the head d has in its center a cavity ci 1.
In the production of ribbed valves of this kind, it is possible to shape the cavity d1 so that its section corresponds to that of the external surface of the valve provided with the ribs (fig 18 cut according to XVIII-XVIII). An extremely light yet very strong valve is thus obtained which enjoys the other properties described above.
It goes without saying, moreover, that the above embodiments are not the possible welds and that many variations can be imagined without departing from the scope of the invention.
CLAIMS
1 - Intake and exhaust valve for explosion-proof actuators, characterized in that the part of this valve connecting the head to the stem is provided with ribs which have a zero or low inclination with respect to the valve's tax, so as to obtain, where appropriate, a slow rotation thereof under the inaction of the gas stream, are preferably produced by stamping and have between them channels with a large useful cross section favoring the passage of gases.
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