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La présente invention concerne un moteur à combustion à quatre temps du type comprenant une soupape d'échappement intérieure disposée dans la culasse concentriquement à une soupape d'admission extérieure, et un dispositif d'amenée d'air pour le balayageo
Le moteur est caractérisé par ce que la commande ce Ces soupapes pour les temps de balayage et d'alimentation du moteur et le dispositif de balayage de celui-ci, sont conçus de telle sorte que, en plus de la chambre de combustion dans le cylindre, il y a également au moins le volume compris entre la soupape d' échappement et celle d'admission, derrière la zone de fermeture de la soupape d'admission, qui est balayé et vidé des gaz d'échappement pendant le temps de balayage.
Il en résulte que les deux soupapes, qui sont échauffées par les gaz d'échappement lors de l'évacuation de ces derniers, sont à nouveau refroidies pen- dant la période de balayage et que le volume compris entre ces soupapes reste rempli d'air relativement froid depuis la fermeture de la soupape d'échappement jusqu'au début du processus d'échappement suivant,, -
Cet air provoque un refroidissement complémentaire des soupapes, en particulier par ce que la période de fermeture de la soupape d'échappement dure relativement longtemps et empêche également l'entrée de gaz d'échappement chauds, et éventuellement sous pression, dans le volume situé entre ces soupapes. Ceci se produit par exemple lorsque les gaz sous pression sont amenés à une turbine.
En outre, la commande de-la soupape d'admission et de celle d'échappe- ment peut être conçue de sorte que, en plus de 1a chambre de compression dans le cylindre, tout le volume situé entre les soupapes et également la canalisation évacuant les gaz de cette zone soient balayés, au moins partiellement, avec de l'air relativement froid et que ces deux derniers volumes restent, après balayage remplis d'air relativement froid jusqu'à la prochaine période d'échappement. Ainsi les deux soupapes, du fait qu'il passe plus d'air de balayage dans le volume situé entre elles, sont encore mieux refroidies pendant la période de balayage.
Ce re- froidissement dure encore après la fin du processus de balayage et l'on empêche également une rentrée de gaz d'échappement chauds, provenant d'une canalisation d'échappement sous pression, dans le volume compris entre les deux soupapes et postérieur à celles-ci. Il en est en particulier ainsi lorsqu'on travaille avec à-coups de pression devant une turbine à gaz d'échappement. Le volume situé entre la soupape d'admission et celle d'échappement, peut avoir une conformation telle que, ou bien être muni de surfaces conductrices telles que, pendant le processus de balayage, il se produit un mouvement tournant de l'air de balayage entrant, ce qui renforce le refroidissement de la soupape d'admission et de celle d'échappe- ment par l'air de balayage les traversant suivant un trajet en spirale plus long.
En dehors du volume compris entre les deux soupapes, on peut disposer également avant l'entrée de la soupape d'admission, un dispositif provoquant un mouvement de rotation de l'air de balayage et éventuellement de l'air d'alimenta- tion, et qui produit au moins lors de l'entrée de l'air de balayage dans la soupa- pe d'admission et au moins également dans le volume compris entre les deux soupapes un mouvement de rotation de même sens de l'air de balayage, de sorte que la soupa- pe d'admission est refroidie à l'extérieur et à l'intérieur , et celle d'échappe- ment à l'extérieur , sur un trajet allongé en forme d'hélice.
L'air de balayage est soumis ainsi de façon avantageuse, à une vites- se de rotation très élevée, qui, pendant la période de balayage, lui fait décrire plusieurs cercles dans le volume situé avant et entre les deux soupapes. Ainsi son action de refroidissement sur les deux soupapes, est encore prolongée et accen- tuée.
Suivant une autre caractéristique de l'invention, la canalisation d' échappement reliant.-le volume compris entre ces deux soupapes à l'extérieur, est excentrée par rapport à l'axe de la soupape d'échappement, de sorte que dans le
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volume compris entre la soupape d'admission et celle d'échappement, cela provoque ou accentue un mouvementé rotation de l'air de balayage par rapport à l'axe de soupape. Entre le volume compris entre les soupapes et la canalisation d'échappe- ment qui va de là à l'extérieur, on peut également disposer un volume transitoire en forme de spirale. Une telle disposition accentue encore l'action de balayage et de refroidissement dans le volume compris entre les deux soupapes et sur les deux soupapes.
On peut également prévoir des dispositifs, par exemple à l'intérieur dans le corps de soupape d'admission ou à l'extérieur sur la tige de soupape d' échappement, pour obtenir un accroissement des surfaces de refroidissement par 1' air de balayage, ou un mouvement de rotation de celui-ci pendant la période de balayage dans le volume compris entre les deux soupapes.
Les nervures entre les orifices de passage des gaz d'échappement et de l'air de balayage dans le corps de la soupppe d'admission , qui conduisent les gaz à l'extérieur, peuvent aussi avoir une forme et une orientation telle qu'elles provoquent ou entretiennent à cet endroit, un mouvement de rotation autour de l'axe de soupape.
Dans le moteur de l'invention, qui doit fonctionner avec un balayage la manière dont l'air de balayage est amené au moteur peut être quelconque. Cette opération peut s'effectuer par une pompe ou par un ventilateur entraîné par le moteur lui-même ou d'une autre façon, ou bien par une turbo-soufflante*entraînée par les gaz d'échappement du moteur.
L'invention s'étend également aux caractéristiques résultant de la description ci-après et des dessins annexés ainsi qu'à leurs combinaisons possi- bles.
La description se rapporte à des formes de réalisation de l'invention représentées, à titre d'exemples, dans les croquis ci-joints, dans lesquels : - les figures 1 à 3 représentent un premier exemple de réalisation- - la figure 4 concerne un deuxième exemple - - les figures 5,6 et 7, un troisième exemple- - les figures 8 et 9 montrent comment, d'une autre manière, on peut obtenir la même efficacité que pour la réalisation des figures 5 à 70
Sur les figures, les pièces identiques sont repérées avec les mêmes chiffres et les processus particuliers dans les moteurs, avec des lettres majus- cules.
Sur la figure 1 qui représente une coupe verticale d'un cylindre d'un moteur à combustion selon l'invention, le répère 1 désigne le bloc-cylindre, l' la chemise du cylindre , 2 le vilebrequin ,3 la bielle, 4 le piston et 6 la culasse.
Dans cette dernière est disposée la soupape d'admission 7, la soupape d'échappe- ment 8 lui étant concentrique et se déplaçant à l'intérieur de celle-ci. La soupa- pe d'admission 7 est ouverte par sa came de commande 9, placée sur l'arbre à cames 5 et par l'intermédiaire de la tige 10, du culbuteur 11, de la coupelle de res- sort 12 et elle est fermée au moment voulu par le ressort spirale 13. La soupape d'échappement 8 est par contre ouverte par la came 14 de l'arbre à cames 5, la ti- ge 15, le culbuteur 16 et fermée par le ressort en double épingle à cheveux 17 et par l'étrier en forme de fourchette 18.
Le moteur est en outre équipé d'un compresseur 20, entraîné par une turbine à gaz d'échappement 19, qui amène l'air de balayage et d'alimentation à la soupape d'admission 7 par la canalisation 21 et la chambre 26. Les gaz d'écha pement du moteur arrivent par l'orifice de la soupape d'échappement 8 dans la cana lisation d'échappement 22 et, de là, sont conduits à l'entrée 24 de 1a turbine 19. Comme le représente la figure 1, la turbine à gaz comporte deux entrées 23 et 24.
Par celles-ci arrivent les gaz d'échappement d'un certain nombre de cylindres du moteur, de sorte que les opérations d'échappement dans chaque cylindre ne pertt
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bent pas les opérations de balayage dans les autres cylindresCela est particuliè-= rement avantageux pour les turbines travaillant avec des à-coupe de pression.
Les gaz sortent de la turbine 19 par la canalisation 25. La période de balayage de ce moteur commence à environ 50 du point mort haut (PME) et se termi- ne également à environ 50 après. Ceci apparaît sur la figure 1 du fait de la posi- tion fermée de la soupape d'échappement 8 sur la soupape d'admission 7 encore ouverte.
Oh reconnaît également cet état d'après la forme de la came d'admission 9, de la came d'échappement 14 et de la position correspondante du vilebrequin 2 et de l'arbre à cameso
Conformément à l'invention, le dispositif de commande et les cames du moteur sont conçus de telle sorte et le turbo compression 19,20 a un dimen- sionnement et une réalisation tels que la pression de balayage produite par le com- presseur 20 est, au moins momentanément , si élevée par rapport à la contre-pres- sion des gaz d'échappement régnant avant la turbine à gaz 19, que, pendant les périodes de balayage d'un cylindre, après fermeture de'la soupape d'échappement, au moins le volume A compris entre la soupape d'admission et la soupape d'échappe- ment, est balayé avec de l'air de balayage relativement froid,
et qu'il reste rempli de cet air jusqu'à l'ouverture ultérieure de la soupape d'échappemento Le remplissage de ce volume A avec de l'air de balayage est représenté par le pointillé de la figure la
La figure 2 montre une coupe de la culasse de cylindre 6 suivant la ligne II-II de la figure 1 et,
La figure 3, une coupe de la même partie suivant la ligne III-III.
On voit sur la figure 2 comment l'air de balayage et d'alimentation s'écoule par le conduit 26, à partir delà, canalisation 21, dans la culasse 6. La prolongation 26' du conduit 26 entoure en forme de spirale la soupape d'admission 7 de sorte que l'air de balayage et d'alimentation qui entre, exécute un mouvement de rotation autour de la soupape 7, et dans le sens de la flèche 27. Comme on peut le voir sur les figures 1 et 3, la soupape d'admission est munie à l'intérieur de nervures 28 et d'un moyeu 30 entourant la tige 29 de la soupape d'échappement, et de ce fait les gaz d'échappement s'écoulent, entre les deux soupapes, le long des nervures 28, vers la canalisation d'échappement 22, suivant les flèches 31 et 32 de la figure 3.
On peut naturellement disposer dans la soupape 7 plus de deux nervures 280
Sur les figures 2 et 3, et en vue d'une meilleure compréhension, les goujons de fixation de la culasse 6 sur le bloc cylindre 1 ont été enlevés.
La figure 4 représente également une coupe verticale d'un cylindre de moteur selon l'inventiono Mais on a supposé pour ce moteur, et à titre d'exemple, une plus longue période de balayage. Celle-ci commence à environ 60 avant le PMH et se termine à environ 60 égaiement après le PMH. En outre, la conception des soupapes d'échappement et d'admission 8 et 7 est différente. La soupape d'ad- mission 7 comporte dans sa partie supérieure, prévue pour la sortie de gaz vers la canalisation 22, puis vers la turbine à gaz 19, une pièce en forme de cloche et le volume de la cloche compris entre la soupape d'admission 7 et la soupape d'échap. pement 8 ne comporte aucun des organes empêchant le passage d'un fluide sous pres- sion comme cela est le cas dans la figure 1.
La tige de soupape 29 delà soupape d'échappement 8 peut se déplacer tout à fait librement dans le volume intérieur de la cloche.
Le turbo compresseur 19, 20 est conçu dans ce cas de telle sorte, qu'il fournit au moteur plus d'air de balayage que ce n'est le cas pour la réa- lisation de la figure 1. Le compresseur 20 fournit au cylindre une quantité d'air de balayage telle que, en plus du volume A compris entre les deux soupapes, le volume B situé derrière ces soupapes est balayé des gaz d'échappement et est rem- pli d'air de balayage.
Le remplissage de ces volumes A et B avec de l'air de balaya- ge à la fin de la période de balayage, donc lorsque la soupape d'échappement 8 est
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fermée, est caractérisé par un pointillé représentant ces volumeso Pendantle passage de l'air de balayage dans, et autour du volume A les parois intérieures de la soupape d'admission 7 en forme de cloche et ses ner- vures de liaison 33 avec sa tige 30, ainsi que la soupape d'échappement 8 et sa tige libre 29, sont refroidies efficacement.
Ce refroidissement se continue encore après fermeture de la soupape d'échappement 8 sur la soupape d'admission 7, car, au moins dans le volume A,de l'air de balayage reste enfermé pendant un temps plus long, c'est-à-dire pendant le temps ultérieur d'admission, de compression, de combustion et de détente, jusqu'à la périocb d'échappement suivante. Les soupapes sont donc balayée et refroidies, ou seulement refroidies pendant plus de 3/4 du cycle de travail complet et ne sont échauffées par les gaz d'échappement que pen- dant environ 1/4 de ce cycle.
Dans une réalisation conforme à la figure 4, au moins la portion de conduit 22 placée derrière la cloche de la soupape 7, est balayée et refroidie pendant la période de balayage, comme ceci est représenté parle pointillé B. Cet air de balayage reste également dans la ,portion de conduit 22 après fermeture de la soupape d'échappement 8 et refroidit également le volume situé derrière la soupape 7,sa tige 30 et les parois du conduit 22.
Si la conception de l'ali- mentation du moteur est telle que la turbine à gaz 19 fonctionne avec des à-coups de pression de la part des gaz qui viennent du cylindre, l'air de balayage peut alors être comprimé pendant ces à-coups dans le volume 22, par exemple jusqu'à la ligne Co Mais ceci ne doit avantageusement se produire que pour autant que l'en- semble de la soupape d'admission avec son guidage supérieur est encore entourée d' air de balayage pendant les à-coups de pression. La fermeture de la soupape d'é- chappement 8 sur la soupape d'admission 7 s'effectue dans ce cas un peu plus tard que dans le cas de la figure 1, afin que la période de balayage soit prolongée car, en plus du volume A, le volume B doit être balayé et rester rempli d'air relativement froid après la fermeture de la soupape 8.
La figure 5 représente également , comme les figures 1 et 4, une coupe verticale d'un cylindre de moteur selon l'objet de l'invention, les pièces identiques étant répérées des mêmes indices. Le maneton du vilebrequin 2 est situé à 30 après le PMH et les positions de la soupape d'admission 7 et de la soupape d'échappement 8 sont représentées comme elles sont disposées pendant la période de balayage. Il est prévu également en ce cas une soupape d'admission 7 en forme de cloche dans laquelle la tige de soupape d'échappement 29 est guidée da la partie supérieure de la tige 30 de la soupape d'admission 7.
La figure 6 représente une coupe, suivant la ligne VI-VI de la figure 5, de la culasse 6, de la soupape d'admission 7 et de la tige 29 de la soupape d'échappement 8 . L'air de balayage et d'alimentation entre en 26 dans la culas- se. Le prolongement de ce conduit 26' entoure, suivant une spirale, la soupape d'admission 7 de sorte qu'il se produit un mouvement de rotation del'air arrivant à la soupape d'admission 7, dans le sens de la flèche 27.
La figure 7 représente une coupe suivant la ligne VII-VII de la figure 5, c'est-à-dire par le conduit d'échappement 22 et.le volume de sortie de gaz situ au-dessus de la cloche de la soupape d'admission 7. Le conduit d'échappement 22 est en ce cas excentré par rapport à l'axe de soupape commun.
Le volume qui entou- re la partie en forme de cloche de la soupape d'admission 7 et par lequel les gaz d'échappement passant entre ces deux soupapes arrivent dans le conduit 22, est conçu en forme de spirale, de telle sorte qu'il se produit à cet endroit un mouvement de rotation dans le sens des flèches 340
Le conduit 22 est disposé de telle sorte que, du fait de la conception en forme de spirale de sa chambre collectrice, il se produit un mouvement de rota= tion dans le même sens que celui de la flèche 34 comme pour l'air de balayage et d'alimentation entrant par la soupape 7.
Ceci provoque ou accentue un mouvement de rotation dans le volume compris entre les 2 soupapes 7 et 8, qui peuvent ainsi
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être mieux refroidieso Lorsqu'il existe une grande vitesse tourbillonnaire par rap- port à la vitesse dans le sens de 1 axe longitudinale des soupapes, le trajet de l'air de balayage entre les 2 soupapes est allongé, ce qui donne encore un meilleur refroidissement de ces pièces. Les flèches 35,36,37 de la figure 7 mon- trent la propagation du mouvement tourbillonnaire avant et après la soupape d'ad- mission,, ainsi qu'entre les deux soupapes.
Ces tourbillonnements de l'air de balayage se manifestent également dans la cloche de la soupape d'admission, ses renforts-33 de même que sur la tige de soupape 30 et ceci est également favorable pour toutes les parties de conduit 22 etc. pour les gaz d'échappement ,qui se trouvent à proximité.
La figure 8 représente encore, en variante, une soupape d'admission 7 et une soupape d'échappement 8 dans la position qu'elles occupent pendant-la pério- de de balayage. Dans cette réalisation qui engendre également un mouvement tour- billonnaire entre la soupape d'admission et celle d'échappement, ce mouvement est produit par l'aménagement d'une nervure de guidage en hélice, dans le corps de soupape d'admission 70
La figure 9 représente une autre variante, c'est-à-dire seulement la soupape d'échappement 8sur la tige 29 de laquelle on a prévu des nervures de guidage 39 en forme d'hélice. Ces nervures doivent augmenter le refroidisseme du corps de soupape pendant la période de balayage, grâce à leur plus grande surface de contact.
Lorsqu'elles sont conçues, comme représenté sur la figure, sous forme de nervures en hélice,elles provoquent également un mouvement de rota- tion de l'air de balayage autour de la tige de soupape 29. Le trajet de refroidis- sement est allongé, ce qui améliore l'effet de refroidissement.
On obtient également grâce à ces nervures, et pendant le remplissage prolongé en air de balayage du volume existant entre les deux soupapes, un refroi- dissements accentué de la soupape d'échappement 8 et de sa tige 29.