EP0252108B1 - Moteur thermique avec refroidissement des pistons et chemises - Google Patents

Moteur thermique avec refroidissement des pistons et chemises Download PDF

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EP0252108B1
EP0252108B1 EP19870900168 EP87900168A EP0252108B1 EP 0252108 B1 EP0252108 B1 EP 0252108B1 EP 19870900168 EP19870900168 EP 19870900168 EP 87900168 A EP87900168 A EP 87900168A EP 0252108 B1 EP0252108 B1 EP 0252108B1
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01P—COOLING OF MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; COOLING OF INTERNAL-COMBUSTION ENGINES
    • F01P1/00—Air cooling
    • F01P1/04—Arrangements for cooling pistons
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01P—COOLING OF MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; COOLING OF INTERNAL-COMBUSTION ENGINES
    • F01P9/00—Cooling having pertinent characteristics not provided for in, or of interest apart from, groups F01P1/00 - F01P7/00
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B75/00—Other engines
    • F02B75/26—Engines with cylinder axes coaxial with, or parallel or inclined to, main-shaft axis; Engines with cylinder axes arranged substantially tangentially to a circle centred on main-shaft axis
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F1/00—Cylinders; Cylinder heads 
    • F02F1/02—Cylinders; Cylinder heads  having cooling means
    • F02F1/04—Cylinders; Cylinder heads  having cooling means for air cooling
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F3/00—Pistons 
    • F02F3/16—Pistons  having cooling means
    • F02F3/20—Pistons  having cooling means the means being a fluid flowing through or along piston

Definitions

  • the present invention relates to a machine with cylinders arranged in barrels.
  • a machine comprising parallel cylinders arranged in barrels, pistons moving back and forth in the cylinders, movement transmission means with connecting rods interposed between the pistons and a movement transformer connected to a rotary shaft, and distribution means.
  • FR-A-1 073 747 Also known from FR-A-1 073 747 is a thermal machine with cylinders arranged flat or in a star, operating according to the two-stroke cycle, and in which a turbine mounted on the output shaft drives the air either in the working chambers or against the face of the pistons facing the crankshaft and the connecting rods.
  • This cooling mode has the disadvantage that the cooling air, after being heated in contact with the pistons, is evacuated by the crankshaft casing and therefore comes to heat the crankshaft.
  • the piston is only cooled intermittently, when there is coincidence between the intake duct and the piston lights.
  • the object of the invention is to improve the cooling of barrel motors.
  • the machine is characterized in that it comprises, between the movement transformer and the cylinders a thermal separation compartment defined between two walls traversed by the rotary shaft and by the transmission means and extending all two between the movement transformer and the cylinders, a first wall comprising at least one light communicating a movement transformation stage with the thermal separation compartment, and the second wall comprising lights communicating the thermal separation compartment with the inside the cylinders, and in that a turbine is mounted on the shaft in the thermal separation compartment, said turbine sucking from the movement transformation stage a coolant which passes through said separation compartment and is discharged into the variable volume inside the cylinders, on the side of the pistons facing the biel the respective ones.
  • the thermal separation compartment thermally separates the cylinders and the motion transformer.
  • the cooling of the interior of the cylinders instead of constituting a risk of excessive heating for the motion transformer, on the contrary contributes to minimizing the heating of the latter.
  • the cooling according to the invention is not dependent on an intermittent coincidence between lights defining the cooling path.
  • the arrangement of the separation compartment makes it possible to maintain a permanent cooling flow, instead of to cool the pistons by a succession of thermal shocks.
  • the thermal separation compartment according to the invention advantageously combines with the barrel arrangement.
  • the turbine mounted on the central shaft makes it possible to supply all the cylinders equally.
  • the barrel arrangement has the advantage of greatly limiting the lateral movement of the connecting rods, which is favorable to the installation of a fairly tightly closed compartment between the cylinder block and the movement transformation stage.
  • a second turbine is mounted on the shaft between the cylinders so as to ensure a flow of cooling fluid along the outer wall of the cylinders.
  • the machine comprises four geometrically clearly separated stages, but rigidly connected together, namely a movement transformation stage, the thermal separation compartment, a compression stage, defining the cylinders, and a distribution stage.
  • the rotary shaft may comprise a primary shaft cooperating with the motion transformer, and a secondary shaft extending the primary shaft in the direction of the cylinders along the axis of the barrel, the secondary shaft carrying the turbine or turbines and carrying, at its end opposite to the motion transformer, a rotary distribution control means.
  • Cooling is particularly effective if the coolant is an aerosol.

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Abstract

Machine en barillet et spécialement moteur dont le refroidissement est assuré par l'emploi de turbines (5) et (6) montées autour d'un arbre médian (4) et distribuant l'air extérieur à partir de la partie centrale du moteur, en particulier à l'intérieur des pistons et chemises. La suppression des fluides: eau et huile est ainsi possible, surtout si l'on utilise comme agent de refroidissement un aérosol.

Description

  • La présente invention concerne une machine à cylindres disposés en barillet.
  • Le problème du refroidissement de la chambre de compression est un problème d'une importance capitale pour les moteurs thermiques; il présente aussi un certain intérêt pour les compresseurs volumétriques où l'élévation de température des parois des cylindres crée des difficultés dans certains cas.
  • De manière classique, ce problème est résolu par le seul refroidissement des parois externes des cylindres par une circulation d'eau ou d'air, mais rien n'est prévu pour refroidir le piston sauf pour certains très gros moteurs thermiques où l'on prévoit parfois un arrosage des pistons grâce à un dispositif compliqué.
  • On connaît par ailleurs, d'après le FR-A-852 974, et selon le préambule de la nouvelle revendication 1, une machine comprenant des cylindres parallèles disposés en barillet, des pistons mobiles en va-et-vient dans les cylindres, des moyens de transmission de mouvement à bielles interposés entre les pistons et un transformateur de mouvement relié à un arbre rotatif, et des moyens de distribution.
  • On connaît aussi d'après le FR-A-1 073 747 une machine thermique à cylindres disposés à plat ou en étoile, fonctionnant selon le cycle à deux temps, et dans laquelle une turbine montée sur l'arbre de sortie refoule de l'air soit dans les chambres de travail soit contre la face des pistons tournée vers le vilebrequin et les bielles.
  • Ce mode de refroidissement a l'inconvénient que l'air de refroidissement, après s'être chauffé au contact des pistons, est évacué par le carter du vilebrequin et vient donc échauffer le vilebrequin. De plus, le piston n'est refroidi que par intermittence, lorsqu'il y a coincidence entre le conduit d'admission et les lumières du piston.
  • Le but de l'invention est d'améliorer le refroidissement des moteurs en barillet.
  • Suivant l'invention, la machine est caractérisée en ce qu'elle comprend, entre le transformateur de mouvement et les cylindres un compartiment de séparation thermique défini entre deux parois traversées par l'arbre rotatif et par les moyens de transmission et s'étendant toutes deux entre le transformateur de mouvement et les cylindres, une première paroi comprenant au moins une lumière faisant communiquer un étage de transformation du mouvement avec le compartiment de séparation thermique, et la deuxième paroi comprenant des lumières faisant communiquer le compartiment de séparation thermique avec l'intérieur des cylindres, et en ce qu'une turbine est montée sur l'arbre dans le compartiment de séparation thermique, ladite turbine aspirant à l'étage de transformation du mouvement un fluide de refroidissement qui passe dans ledit compartiment de séparation et est refoulé dans le volume variable à l'intérieur des cylindres, du côté des pistons tourné vers les bielles respectives.
  • Ainsi, le compartiment de séparation thermique sépare thermiquement les cylindres et le transformateur de mouvement. Le refroidissement de l'intérieur des cylindres, au lieu de constituer un risque d'échauffement excessif pour le transformateur de mouvement, contribue au contraire à minimiser l'échauffement de ce dernier.
  • De plus le refroidissement selon l'invention, contrairement au dispositif selon le FR-A-1 073 747, n'est pas tributaire d'une coïncidence intermittente entre des lumières définissant le trajet de refroidissement. La disposition du compartiment de séparation permet d'entretenir un flux de refroidissement permanent, au lieu de refroidir les pistons par une succession de chocs thermiques.
  • Le compartiment de séparation thermique selon l'invention se combine avantageusement avec la disposition en barillet. La turbine montée sur l'arbre central permet en effet d'alimenter de manière égale tous les cylindres. De plus, la disposition en barillet a pour avantage de limiter fortement le débattement latéral des bielles, ce qui est favorable à l'installation d'un compartiment assez bien fermé entre le bloc-cylindres et l'étage de transformation de mouvement.
  • De préférence, une seconde turbine est montée sur l'arbre entre les cylindres de manière à assurer un écoulement de fluide de refroidissement le long de la paroi extérieure des cylindres.
  • Il est avantageux que la machine comprenne quatre étages géométriquement nettement séparés, mais reliés rigidement entre eux, à savoir un étage de transformation de mouvement, le compartiment de séparation thermique, un étage de compression, définissant les cylindres, et un étage de distribution.
  • L'arbre rotatif peut comprendre un arbre primaire coopérant avec le transformateur de mouvement, et un arbre secondaire prolongeant l'arbre primaire en direction des cylindres le long de l'axe du barillet, l'arbre secondaire portant la ou les turbines et portant, à son extrémité opposée au transformateur de mouvement, un moyen rotatif de commande de distribution.
  • Le refroidissement est particulièrement efficace si le fluide de refroidissement est un aérosol.
  • L'invention va maintenant être décrite au moyen d'un exemple, en référence aux dessins annexés.
    • Le schéma 1 est une coupe schématique du moteur lorsqu'un piston est en bas de sa course; pour la clarté du dessin aucun autre piston n'a été représenté, mais il a été indiqué l'axe; de même la retenue de couple n'a pas été représentée.
      Sur ce schéma, on voit que
      • le premier élément situé entre deux surfaces de révolution planes ou courbes a pour fonction de servir de carter au transformateur de mouvement en barillet qui peut être du type à rotule centrale (ce qui est représenté) ou du type arbre en "Z"; dans cet élément la surface inférieure (I) est traversée par l'arbre de sortie (1) (ou d'entrée) du mouvement, la surface supérieure (II) possède des ouvertures (2) permettant le passage des bielles allant aux rotules des pistons à tige et celui d'un palier (3) permettant la rotation de l'arbre médian (4) destiné à l'entraînement des auxiliaires tels que turbines (5 et 6) et distribution.
      • le deuxième élément situé entre deux surfaces de révolution planes ou courbes (II) et (III) a pour fonction d'assurer une évacuation correcte des calories dues au dégagement de chaleur qui a lieu dans les cylindres lors de la combustion (ou de la compression); pour cela un premier étage de pales (7) placées autour de l'arbre médian (4) refoule grâce à un cloisonnement approprié (8) un fluide (gaz ou liquide ou aérosol) sur le volume variable constitué par le fond du piston et la chemise tandis qu'un deuxième étage de pales, étage qui peut être situé au niveau du troisième élément, refroidit l'extérieur des chemises si le besoin s'en fait sentir; des moyens d'étanchéité sont prévus pour empêcher, si il le faut, l'arrivée du fluide dans le premier élément; l'utilisation d'un aérosol tel que air chargé de très fines gouttellettes d'eau peut être très intéressante et par l'amélioration du refroidissement et par le rôle de catalyseur produit par ces très fines gouttellettes et par l'espèce de lubrification qu'apportent ces gouttellettes;
      • le troisième élément situé entre la surface plane ou courbe (III) et obligatoirement une surface plane (IV) remplit la fonction dévolue au bloc moteur (ou bloc de compression) dans la disposition classique, c'est à dire assure la transformation de l'énergie chimique en énergie cinétique dans un moteur ou exécute une partie de la compression dans un compreseur; la surface (IV) possède un palier (9) destiné au passage de l'arbre médian (4) et assurant une étanchéité suffisante pour que la quasi totalité du fluide reste dans le troisième élément, elle est de plus convenablement cloisonnée pour que les filets de fluide assurent l'évacuation maxima des calories;
      • le quatrième élément situé au dessus de la surface plane (IV) est constitué par la distribution qui est réalisée à partir de l'arbre médian par des moyens appropriés basés sur l'utilisation de cames ou l'emploi de boisseaux tournants dont la commande est assurée par l'engrenage (10) et dont le principe est préférablement conforme au FR-A-2 608 211.
    • Le schéma 2 est une coupe schématique suivant AA; il est destiné à montrer les ouvertures (11) permettant la montée dans le deuxième élément du fluide aspiré à la hauteur du premier élément.
      Les ouvertures en question peuvent être reliées à des tuyaux rigides pour que l'aspiration se produise dans une région donnée, ou des tuyaux souples dont un mouvement commandé règlera le débit d'air.
    • Le schéma 3 est une coupe schématique suivant BB; il est évident que les dimensions et les formes des ouvertures (12) sont liées au débit et à la pression de la turbine (6); cette turbine peut aussi être alimentée par de l'air extérieur amené par des conduits.
  • Il est avantageux, afin d'éviter la naissance de vibrations, que les éléments composant les différentes parties de la machine soient liés entre eux de la manière la plus rigide pourque les alésages des ouvertures destinées au passage de l'arbre médian soient alignés d'une manière aussi parfaite que possible
  • L'emploi des nouveaux matériaux dans les domaines du frottement et de l'isolation thermique rend encore plus attrayante cette solution; le mouvement louvoyant des rotules rend suffisante la lubrification par une graisse qu'il sera inutile de renouveler, le déplacement parfaitement linéaire du piston et la diminution des frottements due à la température de celui-ci rend possible, surtout si l'on utilise la formule aérosol indiquée plus haut, avec un matériau comme le Revetox, de supprimer le circuit d'huile.
  • Autrement dit, dans un moteur huile et eau ne jouent plus aucun rôle.
  • Les avantages d'une telle construction sont évidents:
    • diminution très importante du nombre de pièces, d'où
    • diminution du poids,
    • suppression des poids parasites: huile, eau avec leurs corollaires: radiateur, filtre, canalisations, etc...,
    • diminution des frottements, d'où
    • amélioration du rendement,
    • prix de revient abaissé.

Claims (6)

1. Machine comprenant des cylindres parallèles disposés en barillet, des pistons mobiles en va-et-vient dans les cylindres, des moyens de transmission de mouvement à bielles interposés entre les pistons et un transformateur de mouvement relié à un arbre rotatif (1, 4), et des moyens de distribution, caractérisée en ce que la machine comprend entre le transformateur de mouvement et les cylindres un compartiment de séparation thermique défini entre deux parois (II, III) traversées par l'arbre rotatif (1, 4) et par les moyens de transmission et s'étendant toutes deux entre le transformateur de mouvement et les cylindres, une première paroi (II) comprenant au moins une lumière (11) faisant communiquer un étage de transformation du mouvement avec le compartiment de séparation thermique, et la deuxième paroi (III) comprenant des lumières faisant communiquer le compartiment de séparation thermique avec l'intérieur des cylindres, et en ce qu'une turbine (5) est montée sur l'arbre (4) dans le compartiment de séparation thermique, ladite turbine aspirant à l'étage de transformation du mouvement un fluide de refroidissement qui passe dans ledit compartiment de séparation et est refoulé dans le volume variable à l'intérieur des cylindres, du côté des pistons tourné vers les bielles respectives.
2. Machine selon la revendication 1, caractérisée par une seconde turbine (6) montée sur l'arbre entre les cylindres de manière à assurer un écoulement de fluide de refroidissement le long de la paroi extérieure des cylindres.
3. Machine selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisée en ce qu'elle comprend quatre étages géométriquement nettement séparés, à savoir un étage de transformation de mouvement, le compartiment de séparation thermique, un étage de compression, définissant les cylindres, et un étage de distribution
4. Machine selon la revendication 3, caractérisée en ce que les quatre étages sont relies rigidement entre eux.
5. Machine selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que l'arbre rotatif comprend un arbre primaire (1) coopérant avec le transformateur de mouvement, et un arbre secondaire (4) prolongeant l'arbre primaire (1) en direction des cylindres le long de l'axe du barillet, l'arbre secondaire (4) portant la ou les turbines (5, 6) et portant, à son extrémité opposée au transformateur de mouvement, un moyen rotatif (10) de commande de distribution.
6. Machine selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que le fluide de refroidissement est un aérosol.
EP19870900168 1985-12-19 1986-12-16 Moteur thermique avec refroidissement des pistons et chemises Expired - Lifetime EP0252108B1 (fr)

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FR2608216A1 (fr) 1988-06-17
WO1987003929A1 (fr) 1987-07-02
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