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Commande de distribution par soupapes.
La présente invention a pour objet une commande de dis- tribution convenant spécialement à la réalisation d'un moteur à vapeur susceptible de fonctionner à grande vitesse. Cette distribution est une distribution par soupape dont les avantages sur les tiroirs sont bien connus des techniciens mais dont l'em- ploi n'est pas sans difficultés. Les diverses solutions adoptées pour la commande des soupapes ont été jusqu'ici des solutions mécaniques qui ne se sont pas montrées entièrement satisfaisantes.
On a déjà envisagé l'utilisation, dans les moteurs à vapeur, de soupapes suffisamment larges pour constituer vis-à-vis du cylindre un fond mobile; pour une très faible levée, ces soupapes offrent une large section de passage à la vapeur. On peut dès lors s'arranger de telle sorte que la vapeur de la boite à vapeur passe aux cylindres sans subir de changement de direc- tion ni de laminage appréciables, ce qui est d'importance capitale dans la réalisation de moteurs susoeptibles de fonctionner à grande vitesse avec un bon rendement. L'invention s'applique avec
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un intérêt particulier aux soupapes de ce genre mais, bien entendu, elle n'est pas limitée à cette utilisation.
Dans les recherches qui ont abouti à la conception de la présente invention, la Société demanderesse s'est orientée vers la réalisation d'un relais à fluide grâce auquel les organes commandés mécaniquement ont beaucoup moins à souffrir des brus- ques et rapides variations des efforts d'entraînement que s'ils attaquaient directement les soupapes. Deplus, elle a cherché à exécuter et à disposer le relais de façon telle que les fuites de fluide auxiliaire, loin d'être préjudiciables et, partant, d'être à éviter, soient, au contraire, profitables à la bonne marche du moteur.
La particularité essentielle de l'invention est la suivante : chaque soupape est actionnée par un piston qui en est, de préférence, solidaire et qui, au moins pour un sens de dépla- cement, reçoit sur l'une de ses faces un fluide sous une pression convenable par l'intermédiaire d'un petit distributeur auxiliaire entraîné mécaniquement. Le distributeur auxiliaire peut être un tiroir commandé impérativement par un arbre à cames, les cames de ce dernier ayant un profil variable grâce à quoi l'on peut, par exemple par déplacement longitudinal de l'arbre, régler le temps d'ouverture de la soupape. Ce distributeur peut aussi consister en un arbre creux jouant le rôle de valve rotative et pouvant, lui aussi, coulisser en vue du réglage déjà mentionné.
En pratique, si l'on suppose l'invention appliquée à un moteur à vapeur polycylindrique, les organes de commande communs à plusieurs cylindres alignés sont noyés dans le fluide et l'arbre précité, qu'il soit creux ou qu'il porte des cames, est lui-même commun aux diverses soupapes.
On réalise ainsi une transmission souple et rapide
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frottements très minimes et de faibles efforts d'accélération puisque les commandes mécaniques n'ont à mettre en mouvement que des pistons distributeurs de masse peu importante et à course très petite ou même que ces commandes peuvent être réduites à un arbre distributeur en mouvement de rotation.
Le fluide sous pression peut être un lubrifiant dont les fuites seront utilisées pour lubrifier des organes autres que les organes coopérant à la distribution.
La description qu va suivre, en regard du dessin annexé donné à titre d'exemple, fera bien comprendre comment l'invention peut être réalisée.
La fig. 1 représente, en coupe, un moteur conforme à l'invention.
La fig. 2 représente une autre forme de realisation, égale. ment en coupe.
La fig. 3 est une vue partielle, en plan, à plus grande échelle, de l'arbre 26 de la fig. 1.
La fig. 4 est de même une vue partielle en plan de l'arbre 30 de la fig. 2.
La fig. 5 est une coupe par V-V de la fig. 4 .
Le moteur à vapeur que montre la fig. 1 comporte une chemise 1 dans laquelle se meut un piston, non représenté; l'admis- sion se fait par le fond du cylindre qui est, en principe, constitua par une soupape 2 ; l'échappement de la vapeur se fait par des lumières 3 ménagées dans la chemise 1. Une enveloppe 4, qui peut- être commune à plusieurs cylindres alignés, entoure la chemise et en est séparée par une chemise 5 de vapeur d'échappement.
Les organes de distribution sont logés dans une enveloppe 6 qui constitue en même temps un réservoir d'huile sous pression et qui, comme l'enveloppe 4, peut être commune à plusieurs cylin- dres alignés. La chemise 1 est fixée dans cette enveloppe 6. La
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soupape 2 est solidaire, par une tige 7, d'un piston 8 logé dans un cylindre 9 dont les extrémités sont en communication, par les canaux 10 et 11, avec un cylindre 12 ; dans ce dernier se meut un piston distributeur du fluide de commande, fluide que l'on supposera être de l'huile sous pression; l'huile emplit la cavité 14 ménagée dans l'enveloppe 6.
Les extrémités du cylindre 12 sont en communication avec la cavité 14 d'une part directement et, d'autre part, par un canal 15. Le cylindre 12 est encore en communication, par un canal 16, avec une conduite d'évacuation 17 ménagée dans la masse de l'enveloppe 6. Le piston 13 constitue un tiroir de distribution cylindrique à admission par les arêtes externes et échappement par les arêtes internes ; il comporte deux parties larges 18 et 19 réunies par une partie mince 20 ; il est solidaire d'un cadre ou collier 21 portant des galets 22 et 23 dont il va être parlé.
Le cadre est traversé par un arbre à cames 26 portant une came 27 qui agit sur le cadre 21 par l'intermédiaire du galet 23. La came 27 est de profil variable en ce sens que des sections voisines faites parallèlement au plan du dessin diffèrent progres- sivement entre elles de façon que, lorsqu'on déplace la came avec son arbre 26 dans le sens longitudinal de l'arbre, le développement de la partie active de la came 27 varie graduellement de longueur.
Comme cette came sert à provoquer l'ouverture de la soupape de vapeur 2, on peut ainsi obtenir des durées d'ouverture de cette soupape variant progressivement entre le minimum et le maximum que l'on s'est imposés.
Le galet 22 n'est pas dans le même plan que le galet 23, de manière qu'il ne roule jamais sur la came 27.
Il est bien entendu qu'il peut y avoir plusieurs galets 22 et plusieurs galets 23 pour une même soupape de vapeur 2, de
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supposer, dans le cas de la figure, que le galet 23 est unique et a son plan médian transversal dans le plan médian du piston 13 et qu'il existe deux galets 22 disposés symétriquement par rapport à ce même plan médian.
L'arbre 26 porte une came 28 ou deux cames semblables convenablement disposées (fig. 3)aioomme on l'a supposé; il y a deux galets 22 pour une soupape de vapeur. Cette aame 28 est oomplémen- taire de la came 27 et vient en prise avec le galet 22 dès que la came 27 abandonne le galet 23.
Lorsque le galet 23 roule sur la came 27,le piston est dans la position haute représentée sur le dessin; l'huile sous pression passe de la cavité 14, par le canal 15, sous le piston distributeur 13 et emprunte ensuite le canal 10 pour se rendre au-dessus de la face supérieure du piston 8 ; elledétermine et maintient la fermetute de la soupape 2; pendant ce temps, la face inférieure du piston 8 est à l'échappement par le canal 11, le cylindre 12, le canal 16 et la conduite d'évacuation d'huile 17.
Au contraire, quand le galet 22 roule sur la came 28 pour détermi- ner l'abaissement du cadre 21 et du piston distributeur 13, c'est la face inférieure du piston 8 qui est soumise à l'action de l'huilesous pression, tandis que sa face supérieure est à l'échap- pement.
Il va de soi que la came 28 est à profil variable comme la came 27,de façon que son développement, le long de la ligne de contact avec le galet 22, soit toujours le complément du développe- ment de la came 27 le long de la ligne de contact avec le galet 23.
La mise à l'échappement d'une des faces du piston 8 correspond donc toujours exactement à la mise sous pression de son autre face et vice-versa.
Dans la fig. 2, on retrouve la chemise de cylindre 1, la soupape 2 et son siège 24, les lumières d'échappement 3, l'enveloppe
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de cylindre 4, la chemise de vapeur 5, la chambre de vapeur 25 et l'enveloppe 6, mais celle-ci a une forme différente.
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La soupape 2 est encore reliée, par une tige 7,à un piston 8 logé dans un cylindre 9, fermé vers le haut par un fond rapporté 29. Mais, dans ce cas, l'arbre 30 est creux, il tourne en synchronisme avec le mouvement du piston moteur 36 et e'est lui qui provoque l'admission d'huile sous pression alternativement sur l'une et l'autre face du piston 8, de même que son évacuation,sans l'intermédiaire d'un piston distributeur. A cet effet, l'huile sous pression arrive par la cavité centrale 31 de l'arbre 30 et celui-ci porte une ouverture 32 qui, à chaque révolution, passe en regard d'un canal 33 conduisant l'huile sous le piston 8 dans le cylindre 9 pendant un temps bref, suffisant pour déterminer la levee de la soupape 2.
Ensuite, l'arbre 30 présente une cavité 34 située dans un autre plan que la cavité 32; la cavité 34 correspond à un con- duit semblable au conduit 33 mais situé aussi dans un autre plan.
Par l'intermédiaire de cette cavité 34, l'arbre met le second con- duit en communication, par le canal 35, avec un conduit d'evacua-
38 tion @ménage dans la masse de l'enveloppe 6.
La forme de l'ouverture 32 et de la cavité 34 et leur disposition par rapport au conduit allant au cylindre 9 sont telles qu'en déplaçant l'arbre 30 longitudinalement, on fait varier pro- gressivement la durée de l'ouverture à l'échappement de l'huile, de sorte que les temps d'admission de vapeur de la chambre 25 dans le cylindre 1 varient aussi progressivement entre le minimum et le maximum qu'on s'est fixés.
Le même arbre 30 peut porter, à des endroits différents, d'autres ouvertures et cavités qui correspondent à d'autres con- duits débouchant, ceux-ci, à la partie supérieure du cylindre 9 et
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situées, -par rannort à 1 Tnnvart"rc <:10 ex i ^ --..--s -= ^ .
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convenable pour provoquer l'abaissement du piston 8 et de la soupape 2 lorsque la partie inférieure au cylindre 9 est reliée à l'échappement d' huile .
Toutefois, et ceci constitue une autre variante de l'invention qui a été représentée sur la fig. 2, le haut du cylindre 9 peut être mis en communication avec l'atmosphère par un conduit 37 ménagé dans son fond 29, la pression de vapeur qui règne dans la chambre 25 et la perte de charge de la vapeur à son entrée dans le cylindre 1 étant suffisantes pour déterminer l'abaissement du piston 8 et de la soupape 2, lorsque la partie inférieure du cylindre 9 est ouverte à l'échappement d'huile.
L'effort nécessaire pour soulever la soupape n'étant que la différence entre la pression d'admission et la contre- pression dans le cylindre, à fond de course du piston moteur, la pression de l'huile peut être inférieure à celle de la vapeur; toutefois, on la rend de préférence supérieure à la pression de la vapeur, afin que les fuites d'huile autour de la tige de la soupape servent à lubrifier le piston moteur par entraînement au moyen de la vapeur ; que ce résultat soit sûrement atteint, on pourra même donner volontairement à ces fuites une importance déterminée.
Les cames ou les conduits mobiles qui permettent de faire varier la durée de l'admission de vapeur sont, en chacune de leurs seotions transversales, orientés sur leurs arbres de telle manière que non seulement la durée de l'admission, mais encore l'instant où celle-ci commence, peuvent varier, par rapport à la course du piston moteur, selon une loi qu'on s'est imposée à l'avance.
Il va de soi que l'on peut apporter des modifications de détail au moteur qui vient d'être décrit sans que pour cela on sorte nécessairement du cadre de l'invention. Ainsi, il n'est
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pas indispensable que la soupape 2 constitue le fond du cylindre à vapeur. Les applications de l'invention ne sont pas restreintes au cas des soupapes d'admission de vapeur ; elles peuvent être éten- dues aux soupapes d'échappement.
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Distribution control by valves.
The object of the present invention is a distribution control which is especially suitable for producing a steam engine capable of operating at high speed. This distribution is a valve distribution, the advantages of which on the drawers are well known to technicians but the use of which is not without difficulties. The various solutions adopted for controlling the valves have heretofore been mechanical solutions which have not proved entirely satisfactory.
The use, in steam engines, of sufficiently wide valves to form a movable bottom vis-à-vis the cylinder has already been envisaged; for very low lift, these valves offer a wide steam passage section. It is therefore possible to arrange such that the steam from the steam box passes to the cylinders without undergoing any appreciable change of direction or rolling, which is of capital importance in the production of engines capable of operating at high speed. high speed with good efficiency. The invention applies with
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of particular interest to valves of this kind, but of course it is not limited to this use.
In the research which led to the design of the present invention, the Applicant Company has turned towards the production of a fluid relay thanks to which the mechanically controlled components have much less to suffer from sudden and rapid variations in the forces. drive only if they directly attack the valves. Moreover, it sought to execute and arrange the relay in such a way that the auxiliary fluid leaks, far from being detrimental and, therefore, to be avoided, are, on the contrary, beneficial to the proper functioning of the engine.
The essential feature of the invention is as follows: each valve is actuated by a piston which is preferably integral with it and which, at least for one direction of displacement, receives on one of its faces a fluid under it. adequate pressure through a small, mechanically driven auxiliary valve. The auxiliary distributor can be a spool controlled imperatively by a camshaft, the cams of the latter having a variable profile thanks to which it is possible, for example by longitudinal displacement of the shaft, to adjust the opening time of the camshaft. valve. This distributor may also consist of a hollow shaft playing the role of a rotary valve and which can also slide for the purpose of the adjustment already mentioned.
In practice, if we assume the invention applied to a polycylindrical steam engine, the control members common to several aligned cylinders are embedded in the fluid and the aforementioned shaft, whether it is hollow or that it bears cams, is itself common to the various valves.
A flexible and fast transmission is thus achieved.
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Very minimal friction and low acceleration forces since the mechanical controls only have to set in motion distributing pistons of low mass and very short stroke or even these controls can be reduced to a distributor shaft in rotary motion .
The pressurized fluid can be a lubricant the leaks of which will be used to lubricate members other than the members cooperating in the distribution.
The description which will follow, with reference to the appended drawing given by way of example, will make it clear how the invention can be implemented.
Fig. 1 shows, in section, an engine according to the invention.
Fig. 2 represents another embodiment, equal. ment in section.
Fig. 3 is a partial plan view, on a larger scale, of the shaft 26 of FIG. 1.
Fig. 4 is likewise a partial plan view of the shaft 30 of FIG. 2.
Fig. 5 is a section through V-V of FIG. 4.
The steam engine shown in fig. 1 comprises a jacket 1 in which moves a piston, not shown; the admission is made by the bottom of the cylinder which is, in principle, constituted by a valve 2; the steam is released through openings 3 formed in the jacket 1. An envelope 4, which may be common to several aligned cylinders, surrounds the jacket and is separated from it by a jacket 5 of exhaust vapor.
The distribution members are housed in a casing 6 which at the same time constitutes a reservoir of pressurized oil and which, like casing 4, may be common to several aligned cylinders. The shirt 1 is fixed in this envelope 6. The
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valve 2 is secured, by a rod 7, to a piston 8 housed in a cylinder 9, the ends of which are in communication, via the channels 10 and 11, with a cylinder 12; in the latter moves a piston distributing the control fluid, fluid which will be assumed to be pressurized oil; the oil fills the cavity 14 made in the casing 6.
The ends of the cylinder 12 are in communication with the cavity 14 on the one hand directly and, on the other hand, by a channel 15. The cylinder 12 is still in communication, by a channel 16, with an evacuation pipe 17 formed. in the mass of the casing 6. The piston 13 constitutes a cylindrical distribution spool with admission through the external ridges and exhaust through the internal ridges; it has two wide parts 18 and 19 joined by a thin part 20; it is integral with a frame or collar 21 carrying rollers 22 and 23 which will be discussed.
The frame is crossed by a camshaft 26 carrying a cam 27 which acts on the frame 21 by means of the roller 23. The cam 27 has a variable profile in the sense that neighboring sections made parallel to the plane of the drawing differ progress - Sively between them so that, when moving the cam with its shaft 26 in the longitudinal direction of the shaft, the development of the active part of the cam 27 gradually varies in length.
As this cam is used to cause the opening of the steam valve 2, it is thus possible to obtain opening times of this valve varying progressively between the minimum and the maximum that we have imposed.
The roller 22 is not in the same plane as the roller 23, so that it never rolls on the cam 27.
It is understood that there may be several rollers 22 and several rollers 23 for the same steam valve 2, of
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assume, in the case of the figure, that the roller 23 is single and has its transverse median plane in the median plane of the piston 13 and that there are two rollers 22 arranged symmetrically with respect to this same median plane.
The shaft 26 carries a cam 28 or two similar cams suitably arranged (fig. 3) as has been supposed; there are two rollers 22 for a steam valve. This blade 28 is complementary to the cam 27 and engages with the roller 22 as soon as the cam 27 leaves the roller 23.
When the roller 23 rolls on the cam 27, the piston is in the high position shown in the drawing; the pressurized oil passes from the cavity 14, through the channel 15, under the distributor piston 13 and then takes the channel 10 to go above the upper face of the piston 8; determines and maintains the closure of valve 2; meanwhile, the underside of piston 8 is exhausted through channel 11, cylinder 12, channel 16 and oil discharge line 17.
On the contrary, when the roller 22 rolls on the cam 28 to determine the lowering of the frame 21 and of the distributor piston 13, it is the underside of the piston 8 which is subjected to the action of the pressurized oil, while its upper face is exhaust.
It goes without saying that the cam 28 has a variable profile like the cam 27, so that its development, along the line of contact with the roller 22, is always the complement of the development of the cam 27 along. the contact line with the roller 23.
The release of one of the faces of the piston 8 therefore always corresponds exactly to the pressurization of its other face and vice versa.
In fig. 2, we find the cylinder liner 1, the valve 2 and its seat 24, the exhaust ports 3, the casing
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cylinder 4, the vapor jacket 5, the vapor chamber 25 and the casing 6, but the latter has a different shape.
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The valve 2 is also connected, by a rod 7, to a piston 8 housed in a cylinder 9, closed at the top by an attached bottom 29. But, in this case, the shaft 30 is hollow, it rotates in synchronism with the movement of the motor piston 36 and it is this which causes the admission of pressurized oil alternately on one and the other face of the piston 8, as well as its evacuation, without the intermediary of a distributor piston . For this purpose, the pressurized oil arrives through the central cavity 31 of the shaft 30 and the latter carries an opening 32 which, at each revolution, passes opposite a channel 33 leading the oil under the piston 8 in cylinder 9 for a short time, sufficient to determine the lift of valve 2.
Then, the shaft 30 has a cavity 34 located in a different plane from the cavity 32; the cavity 34 corresponds to a conduit similar to the conduit 33 but also located in another plane.
By means of this cavity 34, the shaft places the second duct in communication, via the channel 35, with an evacuation duct.
38 tion @ household in the mass of the envelope 6.
The shape of the opening 32 and the cavity 34 and their arrangement with respect to the duct going to the cylinder 9 are such that by moving the shaft 30 longitudinally, the duration of the opening to the cylinder is gradually varied. escape of the oil, so that the times of admission of steam from the chamber 25 into the cylinder 1 also gradually vary between the minimum and the maximum that has been set.
The same shaft 30 can carry, at different places, other openings and cavities which correspond to other conduits opening out, these, to the upper part of the cylinder 9 and
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located, -by rannort at 1 Tnnvart "rc <: 10 ex i ^ --..-- s - = ^.
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suitable for causing the piston 8 and the valve 2 to lower when the lower part of the cylinder 9 is connected to the oil outlet.
However, and this constitutes another variant of the invention which has been shown in FIG. 2, the top of cylinder 9 can be placed in communication with the atmosphere by a duct 37 formed in its bottom 29, the vapor pressure which prevails in the chamber 25 and the pressure drop of the vapor at its entry into the cylinder. 1 being sufficient to determine the lowering of the piston 8 and of the valve 2, when the lower part of the cylinder 9 is open to the oil escape.
As the force required to lift the valve is only the difference between the inlet pressure and the back pressure in the cylinder, at the full stroke of the engine piston, the oil pressure may be lower than that of the engine piston. steam; however, it is preferably made greater than the pressure of the steam, so that the oil leaks around the valve stem serve to lubricate the driving piston by driving with the steam; if this result is surely achieved, we can even voluntarily give these leaks a determined importance.
The cams or the movable ducts which make it possible to vary the duration of the admission of steam are, in each of their transverse sections, oriented on their shafts in such a way that not only the duration of the admission, but also the instant where it begins, can vary, with respect to the stroke of the motor piston, according to a law that has been imposed in advance.
It goes without saying that detailed modifications can be made to the engine which has just been described without necessarily departing from the scope of the invention. So it is
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it is not essential that valve 2 constitutes the bottom of the steam cylinder. The applications of the invention are not restricted to the case of steam inlet valves; they can be extended to the exhaust valves.