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"PERFECTIONNEMENTS AUX MOTEURS A COMBUSTION INTERNE, POMPES, COMPRESSEURS ET
AUTRES APPAREILS ANALOGUES".
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L'invention est relative à des moteurs à combustion interne, pom- pes, compresseurs, etc.. du genre (dénommé dans ce qui suit comme genre dé- crit) dans lequel un piston est associé à un cylindre dans sa marche et pos- sède un ensemble de segments de piston. Le terme cylindre comprend une four- rure de cylindre et de même, le terme moteur à combustion interne comprend des moteurs Diesel et autres moteurs à ignition et compression.
Un des principaux problèmes consiste à assurer une lubrification suffisante de la paroi du cylindre et du piston et d'empêcher qu'une quanti- té excessive d'huile ne se dépose sur la couronne du piston et sur le fond du cylindrea
La pratique généralement admise consiste à construire la paroi du cylindre sans aucune rainure à lubrifiant et de lubrifier la paroi du cylin- dre par éclaboussage par de l'huile projetée de l'arbre coudé et/ou de la bielle ou d'autres pièces mobiles. Le piston est construit suffisamment plus étroit que l'alésage du cylindre pour permettre à un film d'huile de demeu- rer sur la paroi du cylindre après le passage du piston, et des segments râ- cleurs existent pour régler la quantité d'huile pouvant passer autour du piston.
Le piston est en outre pourvu de segments de compression formant un joint glissant sensiblement étanche aux fluides entre le piston et la paroi du cylindre. Si le piston a trop de jeu dans le cylindre, il se produit des battements du piston, et s'il a trop peu de jeu, il peut en résulter une lu- brification insuffisante avec le risque de grippage qui en résulte.
Suivant la présente invention, le procédé de lubrification du cy- lindre ou de la fourrure du cylindre d'un moteur à combustion interne, d'une pompe, d'un compresseur, etc.. du genre décrit, consiste à prévoir au moins une rainure de lubrifiant peu profonde et étroite sur la paroi du cylindre, ayant la forme d'une hélice, qui, en marche, se charge d'huile lubrifiante, cette rainure ayant des dimensions et une disposition telles que l'ensemble des segments de piston sur le piston fonctionnent normalement dans des condi-
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.,ions de marche normale.
Un cylindre ou une fourrure de cylindre pour l'application du procé- dé de lubrification susdit se caractérise par l'existence d'au moins une rai- nure peu profonde de lubrifiant en forme d'hélice sur la surface de travail.
La rainure peut être exactement hélicoïdale et plusieurs de ces rainures peu- vent exister. La-ou les rainures doivent également être proportionnées de manière à ne pas gêner la marche normale des segments de compression du pis- ton,qui doivent être libres de glisser vers le haut et vers le bas dans le cylindre.
De nombreuses expériences ont été effectuées au moyen d'un moteur à combustion interne ayant respectivement un alésage et une course de 80 mm et de 82 mm, avec le cylindre muni d'une ou de plusieurs rainures. Différen- tes dispositions de rainures ont été essayées comme on le décrit dans la suite, et dans chaque cas la ou les rainures avaient une section transversa- le rectangulaire de trente sept centièmes de millimètre (quinze millièmes de pouce) de profondeur et 125 centièmes de millimètre (cinquante millièmes de pouce) de largeur. Le piston utilisé était dans chaque cas de construction normale, possédant trois segments de compression de 2,40 mm de large (3/32 pouces), et un demi segment râcleur, tous les segments étant groupés ensem- ble à l'extrémité de tête.
En se référant aux dessins en annexe:
La figure 1 est une coupe verticale d'un moteur à combustion inter- ne refroidi à l'air, auquel l'invention est appliquée;
La figure 2 est un développement à échelle moitié de la paroi du cylindre du moteur représenté sur la figure 1 sur lequel la largeur de la rainure a été exagérée pour la clarté;
Les figures 3 à 8 sont des développements semblables de cylindres utilisés sur les moteurs représentés sur la figure 2 et avant des modifica- tionsde disposition de rainures conformes à la présente invention.
La figure 9 est un développement semblable du cylindre d'un moteur à combustion interne à 2 temps d'une capacité de 36 cm3 auquel l'invention est appliquée;
Les figures 10 et 11 sont des développements analogues de deux cy- lindres équivalents d'un moteur à combustion interne à 2 temps de 125 cm3 de capacité auxquels l'invention est appliquée.
Le petit moteur à combustion interne vertical à cycle à quatre temps à cylindre unique représenté en coupe sur la figure 1, est construit pour être utilisé comme moteur fixe convenant à la commande d'un générateur électrique et comprend un carter à manivelle 10 dans le fond duquel est pla- cée une auge à huile 11 qui reçoit de l'huile à travers un orifice de mesure 12 à partir du réservoir formé par lé fond du carter à manivelles. Le cylin- dre refroidit à l'air 15 muni d'ailettes de refroidissement 16 est boulonné au-dessus du carter à manivelles 10 de la manière habituelle. Le fond du cy- lindre 20 est fixé au moyen de boulons de façon connue à la tête du cylin- dre et est muni d'une lumière d'admission 21 et d'une lumière d'échappement qui est cachée derrière la lumière d'admission.
La lumière d'admission est réglée par une soupape 23 actionnée par le taquet 24 actionné lui-même par la came d'admission 25 sur l'arbre à cames 26 commandé par des engrenages (non représentés) calés sur l'arbre à manivelle du moteur. De façon analogue, la lumière d'échappement est réglée par une soupape d'échappement actionnée par un taquet par une came calée également sur l'arbre à cames 26. Toutes ces pièces se trouvent derrière les pièces correspondantes de la soupape d'admission et ne se voient pas sur les dessins.
L'arbre à manivelles 27 con- siste en deux disques 40 dont un seulement est représentée accoupla par un. bouton de manivelle 41 qui est entouré par la grosse extrémité de labielle 42, dont la petite extrémité est articulée dans le tourillon emmanché 43 por- té par le piston en aluminium 44. Un plongeur 45 dépasse de l'extrémité infé- rieure de la bielle et plonge dans l'auge 11 à chaque tour du moteur et re-
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cueille de l'huile qui passe par des passages appropriés ménagés dans le plon- geur et la bielle 42 pour lubrifier la grosse extrémité sur le bouton de mani- velle 41.
On remarquera que le plongeur 45 lors de son passage dans l'auge projette de l'huile dans le carter à manivelle qui, suivant la pratique re- connue pour ces moteurs, fournit une lubrification par éclaboussage de la paroi du cylindre et du palier de la petite extrémité.
Le piston 44 est pourvu de quatre rainures à segments 51, 52, 53, 54? '-placées au bord supérieur du piston et la rainure inférieure porte des trous 55 forés dans le fond de la rainure.
Les deux rainures de segments supérieures 51 et 52 servent essentiel- lement aux segments de compression. Un segment râcleur à crans est utilisé et parfois logé dans la rainure de fond 54, parfois dans la troisième rainure, 53 car il a été trouvé qu'on obtient de cette façon un réglage additionnel, mais ces modifications ne font pas partie de l'invention. Il est déjà connu que le placement du segment râcleur dans la troisième rainure réduit la quan- tité d'huile passant autour du piston lorsqu'on utilise un cylindre standard sans rainure et qu'il possède une action analogue sur un cylindre muni de rai- nure.
Les lignes tracées à gauche de la figure 2 et de toutes les figures restantes représentent ce qui suit : la ligne "a" est la limite supérieure des rainures. La ligne "b" indique le niveau de la couronne du piston lorsque la soupape d'échappement s'ouvre à la course d'explosion et la ligne "c", le niveau de la couronne du piston au point mort inférieur central du bouton de manivelle 41.
Le moteur représenté ci-dessus a un alésage de 80 mm et une course de 82 mm et est construit pour développer une puissance de 4 1/2 H.P. à une vitesse de 2.200 tours minute. Le moteur est refroidi par le souffle d'une roue à ailettes (non représentée) montée sur l'arbre à manivelles et fonc- tionnant dans une boîte 60 à travers laquelle l'air venant de la roue à ai- lettes est dirigé sur les ailettes de refroidissement 16.
Suivant la présente invention, le cylindre 15 est muni de rainures lubrifiantes prévues dans la paroi du cylindre et suivant la construction et la disposition de ces rainures, on trouve qu'il est possible de régler la lu- brification du piston et d'éviter qu'une trop grande quantité d'huile lubri- fiante n'atteigne la chambre de combustion.
La description qui suit permet l'application de l'invention dans ce but suivant les conditions requises, car il faut comprendre que chaque fa- bricant possède des caractéristiques individuelles de construction et des préférences relatives au type, nombre et emplacement des segments et que, par conséquent, il est impossible de déterminer une règle rigide et fixe devant être suivie. La description qui suit a par conséquent pour but de permettre à un constructeur de moteurs de comprendre la manière dont il faut appliquer l'invention à une construction particulière quelconque de moteur, bien qu'il puisse être nécessaire d'effectuer au début un petit nombre d'expériences simples avant de décider la forme finale à donner aux rainures.
On se référera à présent aux autres figures des dessins:
La figure 2 est un développement du cylindre représenté sur la fi- gure 1. Sous la forme représentée, le cylindre est muni d'une seule rainure hélicoïdale continue 70 ayant un pas de 12,5 mm. (1/2 pouce) et mesurant 1,25 mm (50 millièmes de pouce) de large et 0,37 mm (15 millièmes de pouce) de profondeur,ayant une section transversale rectangulaire et s'étendant sur toute la longueur de la paroi du cylindre. Sur cette figure comme sur toutes les autres.figures analogues, la ligne centrale 71 représente le milieu de l'avant du cylindre et par conséquent les deux lignes latérales 72 représen- tent l'axe central de la paroi arrière le long de laquelle le cylindre a été découpé pour le représenter à plat sous forme de développement.
Dans le coin en-dessous à droite, le piston 44 est représenté par des lignes pointillées à sa position la plus basse, de sorte que la couronne est au niveau de la
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ligne "c" et son tablier est au niveau du fond du cylindre. Pour cette dispo- sition, on observe que l'huile dans la partie supérieure de la rainure se carbonise et que le dépôt de carbone est le plus important à la tête du cy- lindreoOn observe également que le dépôt de carbone cesse virtuellement avant la ligne "b". On observe également qu'après une marche pendant quel- que temps, la consommation d'huile diminue de façon très notable.
En exami- nant le piston, il présente des signes de très bonne lubrification et il existe moins de lignes verticales sur le piston que si ce même piston est utilisé pour le même essai avec un cylindre plein, c'est-à-dire un cylindre sans rainures de lubrifiant. Le piston acquiert de fait une surface toute différente de celle normalement associée à tel essai. La surface possède un poli doux analogue à du satin et est remarquablement exempte de lignes ver- ticales. Les segments de piston présentent une usure inférieure à la norma- le. Une déduction tirée de cet essai est que la rainure n'a pas besoin d'al- ler jusqu'au dessus.
Sur la figure 3,on représente le développement d'un cylindre sur lequel n'existe qu'une seule rainure hélicoïdale ayant un pas de 25 mm (un pouce) de même dimension que précédemment, mais ne s'étendant pas jusqu'au dessus du cylindre. On remarque qu'elle s'étend au-delà de la ligne "b", ce qui signifie que l'extrémité supérieure de la rainure n'est plus recouverte par le piston avant que la soupape d'échappement ne s'ouvre et, par consé- quent, pendant qu'il existe encore une pression considérable dans le cylin- dre. Différentes expériences ont été faites dans le but de fixer la position optimum de la fin de la rainure.
Ces expériences montrent que la mise à nu de l'extrémité supérieure de la rainure avant que la lumière d'échappement ne s'ouvre fournit un moyen de réglage de la quantité d'huile atteignant la chambre de combustion. Dans l'exemple représenté sur la figure 3, la ligne "a" où se termine la rainure est située à 34,9 mm (1,3/8 pouce) au-dessus du niveau "c" et un pouce au-dessus de "b". On observe également que l'angle de l'hélice exerce une influence sur la consommation de l'huile. Un angle de pente plus grande donne lieu à une réduction de la consommation. Des expéri- ences ont par conséquent été effectuées sur des rainures hélicoïdales mul- tiples, comme on le voit sur les figures 4 et 5.
Sur la figure 4, on utilise deux rainures ayant un pas de 2 pou- ces et sur la figure 5 quatre rainures d'un pas de 4 pouces, de sorte que sur les figures 3, 4 et 5 on peut faire une comparaison sur l'influence de l'angle de l'hélice quand le rapport de l'aire de la rainure à l'aire de la surface du cylindre reste sensiblement le même. Ces expériences confirment la conclusion que, toutes autres conditions égales d'ailleurs, la rainure à pente plus élevée permet le passage de moins d'huile autour du piston.
Sur la figure 6, deux rainures ayant un pas de 25 mm ( 1 pouce ) sont taillées en sens opposés en se croisant à l'avant et à l'arrière du cylindre. Ceci, comme il faillait s'y attendre, donne une lubrification plus importante du piston qu'une seule rainure, mais les endroits où les rainures se croisent réduisent plutôt la surface d'usure, et comme l'usure la plus importante a lieu à l'avant et à l'arrière du cylindre, il est problablement plus avantageux que les rainures se croisent sur les côtés,
Une expérience a été tentée en utilisant un certain nombre de cour- tes rainures en hélice disposées en deux rangées respectivement sur les par- ties avant et arrière du cylindre. La conclusion tirée de cette expérience est qu'une rainure hélicoïdale continue donne de meilleurs résultats qu'un certain nombre de courtes rainures.
La rainure continue semble avoir l'avan- tage de permettre aux particules de carbone et autres matières abrasives d'être transportées graduellement Vers le bas dans le réservoir d'huile où elles sont retenues par un filtre où se déposent au fond du réservoir.
La figure 7 représente de courtes rainures en hélice disposées en sig-zag pour former deux rainures continues.
Un moteur, construit suivant la présente invention, a marche pen- dant une période de plusieurs mois dans une atmosphère chargée de poussières abrasives et sans aucun filtre à air. Un examen a montré que le cylindre et
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le piston étaient en excellent état et ne présentaient pas de signes d'usure excessive ni du cylindre ni du piston, qu'une expérience sur un cylindre nor- mal indiquait comme résultat normal à attendre.
La figure 8 représente l'introduction d'un certain nombre de cour- tes rainures 80 se terminant dans le tour le plus haut de la rainure hélicoï- dale continue 81o De cette manière la rainure 81 est munie d'un certain nom- bre d'ouvertures 83 qui sont soumises à la pression de la chambre de combus- tion avant que la lumière d'échappement ne soit ouverte.
Les figures 9 et 10 montrent la façon dont l'invention doit être appliquée au cylindre d'un moteur à combustion interne à cycle à deux temps.
La figure 9 est le développement d'un cylindre de moteur de 34 cm3 seulement, et ceux représentés sur les figures 10 et 11 ont chacun une capacité de 125 cm3. Dans ce cas, les expériences montrent qu'on obtient les meilleurs résul- tats lorsque les rainures ne s'ouvrent pas dans les lumières d'échappement 92.
Par suite de la longueur de la lumière d'admission 93,son intersection ne peut être évitée facilement, mais ce fait n'a apparemment aucune action nui- sible. Sur la figure 11, à droite et à gauche, on a utilisé des rainures pour obtenir une bonne couverture tout en évitant l'intersection avec les lumières , d'échappement et de transfert. Au cours des différentes expériences effectuées, on a essavé un cylindre sur lequel la rainure coupe la lumière d'échappement et ceci a pour résultat que les lumières d'échappement s'obstruent rapidement par des dépôts de carbone.
Au cours d'autres expériences effectuées sur des moteurs pourvus des cylindres décrits plus haut, des essais ont été effectués avec différen- tes dispositions de segments, différents genres de segments, en réduisant et augmentant l'introduction d'huile dans l'auge en modifiant le nombre et les dimensions des orifices de mesure 12. Comme il fallait s'y attendre, chaque modification a produit le même effet général sur le cylindre correspondant à la présente invention que ce qu'on obtient au moyen d'un cylindre standard en le modifiant de façon plutôt importanteo Lorsque le niveau de l'huile dans le réservoir descend au point que le moteur est privé d'huile au point qu'un grippage se produise sur un cylindre standard, aucun grippage du piston ne se produit, ce qui montre que les rainures assurent encore une lubrification suffisante du piston.
L'emploi de segments de compression recouverts de chrome, désigné dans ce qui suit comme segments de chrome, dans la rainure supérieure, est connu -comme réduisant la consommation d'huile sur un cylindre standard sans rainures, et on trouve qu'il a un effet analogue sur un cylindre muni de rainures suivant la présente invention. Sur un cylindre standard, la pression accrue du segment de chrome augmente le danger de grippage, mais il a été trouvé que même dans l'essai où le moteur est à sec d'huile, aucun grippage ne se produit bien qu'on utilise un segment de chrome, ce qui indique que les rainures de lubrifiant fournissent une quantité suffisante de lubrifiant pour éviter un grippage, même dans des conditions défavorables.
La plupart des essais ont été effectués pendant une durée de 10 heures à 2.200 tours par minute sur un moteur d'une puissance de 4 1/2 B.H.P.
Des essais à vide à 500 à 600 tours par minute ont été effectués sur des du- rées de 10 minutes pour voir si le bourrage se recouvre d'huile ou s'il se présente un quelconque des indices d'une quantité d'huile exagérée attei- gnant la chambre de combustion, tels que la production de fumées épaisses en ouvrant le moteur après la marche à vide. En général une amélioration est assurée tout autour tout en maintenant une meilleure lubrification du piston. Après chaque essai, le moteur a été démonté pour être examiné. On a trouvé que le piston pouvait être adapté de façon beaucoup plus serrée que ce n'est normalement le cas, sans présenter aucun signe de grippage.
Des mesures montrent que l'usure du piston est notablement inférieure à la nor- male, et on peut remarquer en particulier que les surfaces de contact du piston deviennent et demeurent.polies et présentent, même du coté de la pres- sion, très peu de rayures longitudinales, là où normalement le piston devrait être marqué de façon considérable.
La compression n'est pas notablement in-
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férieure à celle obtenue avec un piston et cylindre semblables mais construits de façon normaleo Dans la plupart des cas, il ne se produit que très peu de dépôt de carbone sur la tête du piston et le fond du cylindre, en fait beau- coup moins qu'avec un cylindre normal et le bourrage est sensiblement exempt de carbone, montrant que la chambre de combustion n'est pas soumise à un huilage excessif.Après la marche à vide, il est commun que l'échappement soit enfumé, mais il a été remarqué que dans les conditions d'essai, l'échap- pement contient sensiblement moins de fumée, ce qui est une autre indication que la lubrification du cylindre est réglée de façon plus efficace que ce n'est normalement le cas.
A l'exception d'une expérience ne donnant pas de résultats satisfai- sants, la rainure en hélice dans la paroi du cylindre a des arêtes vives et demeure sensiblement exempte de carbone à moins qu'elle ne se prolonge trop haut dans le cylindre, et les segments de piston ne présentent aucun signe anormal d'usure et acquièrent en fait un haut poli.
L'expérience ne donnant pas de résultat satisfaisant a été effec- tuée avec une rainure en hélice à section de filet arc-boutée. La rainure a une largeur double et est trouvée causer une consommation accrue d'huile.
L'angle de l'hélice doit évidemment dépendre de toutes les circon- stances existantes, notamment de ses dimensions comparées à celles des seg- ments de piston et le travail pour lequel le moteur est construit. Pour un moteur à grande vitesse et haute compression, les dimensions peuvent être en- tièrement différentes de celles convenant à un moteur à faible vitesse et faible compression. De même, pour des compresseurs ou pompes dans lesquelles il n'y a pas lieu de tenir compte de la chaleur des gaz brûlés, d'autres con- sidérations de construction doivent être prises en considération, pouvant nécessiter des modifications de dimensions, du nombre des rainures et de leur pas suivant les circonstances.
Le terme "en forme d'hélice"couvre toute forme de disposition de rainure dans laquelle la forme générale est celle d'une hélice, que le pas soit constant ou non.
REVENDICATIONS.'
1. - Procédé de lubrification du cylindre ou de la fourrure du cy- lindre d'un moteur à combustion interne, d'une pompe, d'un compresseur ou appareil analogue du genre décrit, caractérisé en ce qu'il consiste à le pouvoir d'au moins une rainure de lubrifiant peu profonde et étroite ayant la forme d'une hélice et qui, pendant la marche, se charge d'huile lubrifi- ante et dont les dimensions et la disposition sont telles que l'ensemble des segments de compression sur le piston fonctionnent normalement dans des conditions normales de marcheo
2. - Cylindre ou fourrure de cylindre pour moteur à combustion in- terne,pompes, compresseurs, etc.
du genre décrit, caractérisé en ce qu'il possède au moins une rainure de lubrifiant peu profonde en.forme d'hélice sur sa surface de travail, et dont des dimensions et la disposition sont tel- les que l'ensemble des segments de compression sur le piston fonctionnent normalement dans des conditions normales.