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Arturo ZEDA
Moteurs à oombustion interne, à deux temps, aveo soupape d'admission oentrale au piston, et commandée.
La présente invention a pour objet des moteurs à explosion et à combustion interne, fonotionnant selon le cycle dit "à deux temps" dans lesquels l'admission du gaz oombustible ou de l'air oarburant dans le cylindre a lieu à travers une soupape commandée mécaniquement, disposée au centre du piston. Le dit gaz ou air ayant été au préalable comprimé dans le carter dudit moteur par l'effet du mouvement du piston ou bien par un oompresseur séparé.
On sait que dans les moteurs à deux temps, dans lesquels il y a une phase utile d'explosion ou de oombustion rapide, à chaque tour de l'arbte menant, la déoharge des gaz brûlés et l'entrée du mélange ou de l'air frais se font en même temps, tandisque le piston est dans la position du point mort inférieur; la présence simultanée dans le cylindre des gaz inertes produits par la combustion qui a lieu dans la phase
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active qui a précédé immédiatement, et du mélange frais, provoque inévitablement le mélangement des deux gaz susdits. Réduire oe mélangement a été l'objet d'études et de tentatives diverses depuis les premières expériences faites aveo des moteurs à deux temps.
Dans la majorité des types connus, l'admission du mélange frais dans le cylindre est effectuée à travers une ou plusieurs ouvertures pratiquées sur un coté du cylindre et l'échappement a lieu à travers une ou plusieurs ouvertures pratiquées sur le côté opposé, lesdites ouvertures étant découvertes par le piston lorsqu'il se trouve dans la partie inférieure de sa course. Les gaz qui entrent, après avoir été oomprimés dans le cylindre, sont aoheminés vers la tête du cylindre par des déflecteurs idoines disposés sur la tête du piston.
Cette solution présente les avantages d'une grande simplicité mais elle offre de graves inconvénients du fait du remplacement imparfait dez gaz brulés par le mélange frais (ce qu'on appelle le lavage), ce qui se traduit en pratique par un rendement réduit du moteur, à égalité de cylindrée, et une consommation importante de carburant à cause du pourcentage élevé de gaz combustibles qui passent à l'échappement sans avoir été utilisés; le mélangement nuisible du mélange frais avec les gaz brûlés a lieu surtout dans le plan qui passe par l'axe du cylindre et est orthogonal à la ligne qui réunit les orifices d'admission avec les orifices de décharge.
Le fait que les dits orifices sont ouverts ou fermés par le même piston entraine la conséquence nuisible que le temps d'ouverture des dits orifices est disposé symétriquement par rapport au moment où le piston se trouve au point mort inférieur alors qu'il serait opportun, en vue d'obtenir un rendement volumétrique favorable, de décaler les périodes d'ouverture des orifices
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de déchargement par rapport aux orifices d'admission et de cette dernière période par rapport au point mort inférieur.
En vue d'améliorer les pondit ions de fonotionnement des moteurs à deux temps, de nombreuses solutions ont été étudiées et proposées, parmi lesquelles so nt en réalisation pratique actuelle des moteurs oomportant deux pistons opposés l'un à l'autre dans chaque cylindre, et des moteurs avec des cylindres dédoublés, ainsi que d'autres solutions évitant l'opposition des orifioes d'admission et d'échappement;des décalages entre les arbres et les ooudes séparés oommandant les pistons de chaque oylindre, ou des dispositions opportunes de l'em biellage permettent de oorriger les périodes d'admission par rapport à oelles de décharge.
Toutefois, ces solutions ne sont pas exemptes de graves inconvénients: complication de construction et prix de revient élevé, poids considérable des masses possédant un mouvement alternatif, impossibilité d'atteindre des régimes de rotation élevés.
La disposition de la soupape menée d'admission, dans le piston susdit, disposition qui constitue une caractéristique de l'invention présente, permet d'obtenir des rendements volumétriques et thermiques très élevés dans les moteurs à deux temps, ainsi qu'une diminution appréoiable de la consommation à égalité de rendement, en ce que les moteurs ainsi réalisés offrent, en résumé, les particularités de fonotionnement suivantes:
a) Le mélange ou l'air frais est introduit dans le cylindre, dans sa zone axiale et, opportunément guidé par des surfaces déviantes, obtenues en donnant une forme spéciale à la tête du piston et de la soupape, elle est lancée vers le centre de la tête.
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b) Les gaz brûlés trouvent un passage commode et distribué uniformément à travers les trous ménagés sur toute la périphérie du cylindre, et sont remplacés graduellement et rapidement par le mélange frais qui, dévié vers le piston le long des parois du cylindre, par un découpage thoroidal de la tête, remplit totalement le volume du cylindre.
Les ouvertures d'admission aussi bien que celles d'échappement étant uniformément disposées autour de l'axe du cylindre, le lavage se fait sans que se forment des zones mortes ou des moulinets, de façon que le mélangement du mélange frais avec les gaz brulés est réduit au minimum. c) Par suite de la vitesse d'entrée des gaz combustibles et des formes de la tête et du haut du piston, on obtient, par oontre, une forte turbulence au cours de la phase de compression qui suit, ce qui favorise au maxi- mum la bonne combustion.
Dans une forme de réalisation prévue, la soupape est commandée, à travers la bielle, par une oame disposée sur le bouton de la manivelle de façon que, grâce à un profil approprié, à la disposition de cette oame, la période d'admission pourra être déoalée opportunément, en temps et durée, par rapport à la période d'échappement, obtenant ainsi le plus haut rendement volumétrique du moteur.
Il a été également prévu que l'admission de l'air ou du mélange frais dans le carter soit réglé, par des soupapes, tournantes ou alternatives, également commandées, de façon à obtenir une aspiration et une compression efficace dans le carter lui-même, dans les meilleures conditions de phase par rapport à la période d'admission dans le piston.
On comprendra mieux l'invention à l'aide des dessins annexés représentant, d'une manière schématique, les aaraotéristiques de fonctionnement du moteur Objet de
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l'invention et, à titre d'exemple, une forme de réalisation possible de l'invention.
Les figs. 1,2 et 3 représentent, en coupe axiale, le cylindre d'un moteur quel-conque, réalisé selon les idées de l'invention, ayant le piston placé au point mort supérieur, au commencement de la phase d'aspiration et de décharge et au point mort inférieur.
La fig. 4 représente, en coupe axiale transversale, une forme de réalisation d'un moteur monocylindrique avec soupape oommandée par une came disposée sur le bouton de la manivelle.
La fig. 5 représente la même chose, en coupe axiale, les détails de fonotionnement et de construction non inhérant à la réalisation de l'invention en étant exolus, ainsi que de la fig. 4.
Nous référant aux figs. 1,2 et 3:
1 est le cylindre, 2 le piston, 3 la soupape oommandée d'admission, dont la tige est guidée à l'intérieur du moyeu 4 porté par le piston 2 au moyen des bras 5 - 5 ; soupape est oommandée par la tige 6 qui traverse le tourillon
7 et le pied 8 de la bielle 9, reliée, de manière oonnue, aveo l'arbre coudé. La partie inférieure de la tige 6 est reliée, par le petit pivot 10 aveo le galet 11 lequel, lorsque le piston se trouve dans les positions proohes du point mort inférieur, entre en contact avec la came 12 (figs. 2 et 3)laquelle peut être ménagée directement sur la périphérie d'un des volants.
Le profil de cette came est tel qu'il commande la soupape 3 de manière à ce que l'ouverture de cette dernière ait une durée appropriée et retarde par rapport au démasquement des trous de décharge.
Le moteur fonctionne comme suit:
Lorsque le piston desoend de la position de point
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mort supérieur (fig. 1) à la position illustrée dans la fig. 2, laquelle desoente est provoquée par l'expansion des gaz en cours de oombustion, le cylindre est uniformément rempli par ces gaz, tandisque la descente du piston, ou du système de compression séparé, comprime le mélange frais dans le carter.
Lorsque 1 e piston est dans sa position inférieure, proche ou correspondante au point mort (figs. 2 et 3), le mélange frais pénètre dans le cylindre par suite de l'ouverture de la soupape 3 et, guidée par le déflecteur circulaire 2' ménagé sur la tête du piston 2, forme une colonne asoendante A, coaxiale avec le cylindre, laquelle colonne en àéviant vers l'extérieur par suite du profil thoroidal l' - l' de la tête du oylindre 1, provoque la formation d'une deuxième colonne descendante tubulaire extérieure B - B, qui effleure les parois du cylindre et repousse les gaz brulés qui quittent le cylindre, à travers la oouronne périphérique des trous 13- 13, les gaz étant aoheminés vers lesdits trous par le profil même de la tête du piston 2.
L'avance de l'ouverture des trous susdits de déchargement par rapport à l'ouverture de la soupape d'admission, en provoquant un premier mouvement oentrifuge des molécules des gaz brulés vers les trous de déchargement, provoque, à son tour, la formation de courants gazeux favorables à la formation successive de la colonne ascendante du mélange frais.
Le passage continuel du mélange frais à travers le piston assure un refroidissement énergique de ce dernier, sans dommages pour le rendement thermique total du moteur, parce que la ohaleur dudit piston est oédée au mélange qui doit encore être utilisé.
Le cycle fonctionnel que nous venons de décrire pourra être appliqué à des moteurs à explosion, dans les-
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quels le combustible est mélangé aveo l'air avant son admission dans le carter ou bien avec des moteurs du cycle Diésel, dans ses formes différentes, en injectant, à travers le carter et la soupape oommandée, de l'air pur dans le cylindre, et en injectant, par des moyens connus, le combustible directement dans le cylindre et ce en réalisant opportunément les différentes parties méoaniques du moteur et en complétant cela, par des systèmes de combustion appropriés de carburation, d'allumage, et d'injection.
Dans la forme de réalisation illustrée dans les figs. 4 et 5:
20 est le cylindre à ailettes pour le refroidissement à air, 21 est le piston, aveo deux groupes 22 et 23 de bandes élastiques d'hermétioité; la tête du piston est profilée de manière à présenter une surface oonique externe 24 pour l'acheminement des gaz brulés vers les orifioes de déoharge 26 - 26, régulièrement distribués sur l'entière circonférence du cylindre 20; ces orifioes de déoharge sont dirigés vers le bas, aveo une inclinaison égale à celle de la surface déviante 24 (fig. 5), afin d'éviter des résistances à la sortie par suite de brusques changements de direotion; les gaz de déoharge sont recueillis dans le oolleoteur annu- laire 26, duquel partent un ou plusieurs tuyaux normaux d'éohappement.
La produotion, rigoureusement axiale, de la oolonne ascendante du mélange qui s'introduit dans le cylindre, est assurée par la surface déviante intérieure 27 du piston et par la forme à pointe de la soupape 29.
Cette soupape 29, pourvue du ressort de rappel oenique
30, est oommandée par la tige 31, qui traverse le tourillon
32 et la bielle 33, sur l'entière longueur de cette dernière et qui termine par le disque 34 contre lequel agit la oame 35 solidaire du bouton de manivelle 36; ledit bouton de manivelle comporte, sur les deux oôtés de la came, deux pistes 37 - 37
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pour la double oouronne de galets 38 - 38, qui constituent le roulement entre la tête à fourchette 39 de la bielle et le bouton de manivelle.
Dans la forme actuelle de réalisation est prévue aussi la réalisation de l'arbre ooudé au moyen de deux petits volants excentriques 40 - 40, solidaires avec les demi-arbres 41 - 42 soutenus par les roulements 43 - 43 et fournis d'organes d'herméticité 44 - 44 ; sur ces petits volants 40 - 40, sont montés les volants à contrepoids 45 - 45.
Dans la même forme de réalisation est prévue une soupape 46 pour l'aspiration du mélange dans le carter, commande par l'organe du balancier 47 pourvu de tige régla- ble, par la oame 48, solidaire du demi-arbre 42, de manière à obtenir un bon rendement volumétrique dans le remplissage du carter et assurant une pression suffisante pour l'admission dans le cylindre.
La tête du piston, avec le siège pour la soupape et la glissière de la soupape, ainsi que le défleoteur, sont rapportés au moyen d'un filetage sur le corps du piston, en vue d'en faciliter le montage, la manutention et les rempla- cements, cette partie, plus que les autres étant exposée à la flamme de l'explosion des gaz.
L'invention n'ayant été décrite et illustrée qu'à titre d'exemple, non limitatif, il va de soi que de nombreu- ses modifications peuvent être apportées dans ses détails sans sortir, de son cadre.
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Arturo ZEDA
Internal combustion engines, two-stroke, with central inlet valve to the piston, and controlled.
The present invention relates to internal combustion and internal combustion engines, operating according to the so-called "two-stroke" cycle in which the admission of fuel gas or fuel air into the cylinder takes place through a mechanically controlled valve. , arranged in the center of the piston. Said gas or air having been previously compressed in the crankcase of said engine by the effect of the movement of the piston or else by a separate compressor.
It is known that in two-stroke engines, in which there is a useful phase of explosion or rapid combustion, at each turn of the leading shaft, the discharge of the burnt gases and the entry of the mixture or of the fresh air are made at the same time, while the piston is in the position of the lower dead center; the simultaneous presence in the cylinder of inert gases produced by the combustion which takes place in the phase
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active immediately preceding, and fresh mixture, inevitably causes the mixing of the two aforementioned gases. Reducing this mixing has been the subject of various studies and attempts since the first experiments with two-stroke engines.
In the majority of the known types, the admission of the fresh mixture into the cylinder is effected through one or more openings made on one side of the cylinder and the exhaust takes place through one or more openings made on the opposite side, said openings. being discovered by the piston when it is in the lower part of its stroke. The gases which enter, after having been compressed into the cylinder, are routed towards the head of the cylinder by suitable deflectors arranged on the head of the piston.
This solution has the advantages of great simplicity but it offers serious drawbacks due to the imperfect replacement of the burnt gases by the fresh mixture (what is called washing), which in practice results in reduced engine efficiency. , with equal displacement, and high fuel consumption due to the high percentage of combustible gases which pass to the exhaust without having been used; the harmful mixing of the fresh mixture with the burnt gases takes place above all in the plane which passes through the axis of the cylinder and is orthogonal to the line which joins the inlet openings with the discharge ports.
The fact that said orifices are opened or closed by the same piston has the harmful consequence that the opening time of said orifices is arranged symmetrically with respect to the moment when the piston is at the lower dead center when it would be appropriate, in order to obtain a favorable volumetric efficiency, to shift the opening periods of the orifices
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discharge relative to the inlet ports and this last period relative to the lower dead center.
With a view to improving the operating conditions of two-stroke engines, many solutions have been studied and proposed, among which are in current practical realization engines oomportons two pistons opposed to each other in each cylinder, and engines with split cylinders, as well as other solutions avoiding the opposition of the intake and exhaust ports; offsets between the separate shafts and bends controlling the pistons of each oylinder, or the opportune arrangements of the cylinder. 'em connecting rods make it possible to correct the periods of admission with respect to those of discharge.
However, these solutions are not free from serious drawbacks: construction complication and high cost price, considerable weight of the masses having a reciprocating motion, impossibility of reaching high rotational speeds.
The arrangement of the driven intake valve in the aforesaid piston, an arrangement which constitutes a characteristic of the present invention, makes it possible to obtain very high volumetric and thermal efficiencies in two-stroke engines, as well as an appreciable reduction. consumption for equal efficiency, in that the motors thus produced offer, in summary, the following operating peculiarities:
a) The mixture or fresh air is introduced into the cylinder, in its axial zone and, conveniently guided by deviating surfaces, obtained by giving a special shape to the head of the piston and the valve, it is launched towards the center of the head.
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b) The burnt gases find a convenient and evenly distributed passage through the holes made all around the periphery of the cylinder, and are gradually and rapidly replaced by the fresh mixture which, deflected towards the piston along the walls of the cylinder, by a cutout thoroid of the head, completely fills the volume of the cylinder.
The intake openings as well as the exhaust openings being uniformly arranged around the axis of the cylinder, the washing is done without the formation of dead zones or reels, so that the mixing of the fresh mixture with the burnt gases is reduced to a minimum. c) As a result of the inlet speed of the combustible gases and the shapes of the head and top of the piston, on the other hand, a strong turbulence is obtained during the compression phase which follows, which favors the maximum mum good combustion.
In one embodiment provided, the valve is controlled, through the connecting rod, by an oame disposed on the button of the crank so that, thanks to an appropriate profile, available to this oame, the intake period may be adjusted appropriately, in time and duration, in relation to the exhaust period, thus obtaining the highest volumetric efficiency of the engine.
It has also been provided that the admission of the air or the fresh mixture into the crankcase is regulated, by valves, rotating or reciprocating, also controlled, so as to obtain effective suction and compression in the crankcase itself. , under the best phase conditions with respect to the period of admission into the piston.
The invention will be better understood with the aid of the appended drawings showing, in a schematic manner, the aaraotéristiques of operation of the engine object of
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the invention and, by way of example, a possible embodiment of the invention.
Figs. 1, 2 and 3 represent, in axial section, the cylinder of any engine, produced according to the ideas of the invention, having the piston placed in the upper dead center, at the beginning of the suction and discharge phase and at the lower dead center.
Fig. 4 shows, in transverse axial section, an embodiment of a single-cylinder engine with a valve controlled by a cam arranged on the button of the crank.
Fig. 5 shows the same thing, in axial section, the functional and construction details not inherent in the embodiment of the invention being exclusive, as well as in FIG. 4.
Referring to figs. 1,2 and 3:
1 is the cylinder, 2 the piston, 3 the controlled inlet valve, the rod of which is guided inside the hub 4 carried by the piston 2 by means of the arms 5 - 5; valve is controlled by the rod 6 which passes through the journal
7 and the foot 8 of the connecting rod 9, connected, in an oonnue manner, with the bent shaft. The lower part of the rod 6 is connected by the small pivot 10 with the roller 11 which, when the piston is in the positions close to the lower dead center, comes into contact with the cam 12 (figs. 2 and 3) which can be arranged directly on the periphery of one of the steering wheels.
The profile of this cam is such that it controls the valve 3 so that the opening of the latter has an appropriate duration and delays relative to the unmasking of the discharge holes.
The motor operates as follows:
When the piston comes out of the stitch position
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upper dead (fig. 1) to the position shown in fig. 2, which deoente is caused by the expansion of the gases during combustion, the cylinder is uniformly filled with these gases, while the descent of the piston, or of the separate compression system, compresses the fresh mixture in the crankcase.
When the piston is in its lower position, near or corresponding to neutral (figs. 2 and 3), the fresh mixture enters the cylinder following the opening of the valve 3 and, guided by the circular deflector 2 ' arranged on the head of the piston 2, forms an asoendante column A, coaxial with the cylinder, which column by deviating outwards as a result of the thoroidal profile l '- l' of the head of the cylinder 1, causes the formation of a second outer tubular descending column B - B, which skims the walls of the cylinder and pushes the burnt gases which leave the cylinder, through the peripheral crown of holes 13- 13, the gases being routed towards said holes by the profile of the head itself piston 2.
The advance of the opening of the aforesaid discharge holes with respect to the opening of the inlet valve, causing a first oentrifugal movement of the molecules of the burnt gases towards the discharge holes, in turn causes the formation. gas streams favorable to the successive formation of the ascending column of the fresh mixture.
The continuous passage of the fresh mixture through the piston ensures an energetic cooling of the latter, without damaging the total thermal efficiency of the engine, because the heat of said piston is oeded to the mixture which still has to be used.
The functional cycle that we have just described can be applied to internal combustion engines, in the
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which the fuel is mixed with the air before its admission into the crankcase or with Diesel cycle engines, in its different forms, by injecting, through the crankcase and the controlled valve, pure air into the cylinder, and by injecting, by known means, the fuel directly into the cylinder and this by appropriately carrying out the various mechanical parts of the engine and by supplementing this, by appropriate combustion systems of carburetion, ignition, and injection.
In the embodiment illustrated in figs. 4 and 5:
20 is the finned cylinder for air cooling, 21 is the piston, with two groups 22 and 23 of elastic sealing bands; the head of the piston is profiled so as to present an external oonic surface 24 for the routing of the burnt gases towards the de-charge orifioes 26 - 26, regularly distributed over the entire circumference of the cylinder 20; these discharge orifioes are directed downwards, with an inclination equal to that of the deflecting surface 24 (fig. 5), in order to avoid resistance at the exit as a result of abrupt changes in orientation; the discharge gases are collected in the annular oolleotor 26, from which one or more normal exhaust pipes originate.
The rigorously axial production of the ascending column of the mixture which is introduced into the cylinder is ensured by the internal deflecting surface 27 of the piston and by the tip shape of the valve 29.
This valve 29, provided with the oenic return spring
30, is controlled by the rod 31, which passes through the journal
32 and the connecting rod 33, over the entire length of the latter and which ends with the disc 34 against which the oame 35 integral with the crank button 36 acts; said crank button has, on both sides of the cam, two tracks 37 - 37
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for the double oouronne of rollers 38 - 38, which constitute the bearing between the fork head 39 of the connecting rod and the crank button.
In the current embodiment is also provided the realization of the elbow shaft by means of two small eccentric flywheels 40 - 40, integral with the half-shafts 41 - 42 supported by the bearings 43 - 43 and provided with hermeticity 44 - 44; on these small handwheels 40 - 40, the counterweight handwheels 45 - 45 are mounted.
In the same embodiment, a valve 46 is provided for the suction of the mixture into the housing, controlled by the balance member 47 provided with an adjustable rod, by the oame 48, integral with the half-shaft 42, so to obtain a good volumetric efficiency in filling the crankcase and ensuring sufficient pressure for admission to the cylinder.
The head of the piston, with the seat for the valve and the slide of the valve, as well as the defleotor, are attached by means of a thread on the body of the piston, in order to facilitate assembly, handling and replacements, this part, more than the others being exposed to the flame of the gas explosion.
The invention having been described and illustrated only by way of nonlimiting example, it goes without saying that numerous modifications can be made in its details without departing from its scope.