FR2822892A1

FR2822892A1 - PISTON EXPLOSION ENGINE HAVING A LINEAR DISPLACEMENT WITH A PISTON HEAD PROVIDED WITH AT LEAST ONE VALVE FOR CIRCULATING THE GASES INSIDE THE PISTON

Info

Publication number: FR2822892A1
Application number: FR0104344A
Authority: FR
Inventors: Joel Roger Jean Gueraud
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2001-03-30
Filing date: 2001-03-30
Publication date: 2002-10-04
Anticipated expiration: 2021-03-30
Also published as: EP1245800A1; FR2822892B1

Abstract

Dispositif de moteur à explosion à piston à déplacement linéaire dont la tête du piston est équipée d'au moins une soupape permettant de faire circuler les gaz par l'intérieur du piston. L'invention concerne un dispositif permettant d'admettre et d'évacuer simultanément les gaz dans le cylindre d'un moteur, de telle sorte qu'il y a un temps moteur par aller-retour du piston. Il est constitué d'un piston (1), dont la tête est équipée d'une soupape (2), la jupe du piston possédant des orifices (12) permettant la communication avec le cylindre (3) par les orifices (12), l'inclinaison du pied de bielle (8) n'autorisant l'ouverture ou la fermeture de la soupape qu'en l'absence de pression, par l'intermédiaire de la came à ressort (7). Le dispositif selon l'invention est particulièrement destiné aux moteurs à explosion à injection directe, ou l'air peut être admis indépendamment, entre la fin du temps moteur et le début de la compression.Linear displacement piston combustion engine device, the piston head of which is equipped with at least one valve allowing the gases to circulate through the interior of the piston. The invention relates to a device for simultaneously admitting and discharging gases in the cylinder of an engine, such that there is an engine time per round trip of the piston. It consists of a piston (1), the head of which is equipped with a valve (2), the piston skirt having orifices (12) allowing communication with the cylinder (3) through the orifices (12), the inclination of the connecting rod end (8) only authorizes the opening or closing of the valve in the absence of pressure, by means of the spring cam (7). The device according to the invention is particularly intended for internal combustion engines with direct injection, where air can be admitted independently, between the end of engine time and the start of compression.

Description

tendance à s'annuler.tendency to cancel out.

r J La présente invention concerne un dispositif pour admettre les gaz dans le cylindre d'un moteur à explosion r J The present invention relates to a device for admitting gases into the cylinder of an internal combustion engine

et en vidanger simultanément le contenu. and simultaneously drain the contents.

L' admission dans les moteurs à explosion à pistons à déplacement linéaire est traditionnellement effectuée durant l'un des quatre temps du moteur appelé " admission ", les gaz étant introduits dans le cylindre d'une manière opposée à la tête du piston, à partir d'une ou de plusieurs soupapes situées sur le fond du cylindre, The admission to the combustion engines with linear displacement pistons is traditionally carried out during one of the four times of the engine called "admission", the gases being introduced into the cylinder in a way opposite to the head of the piston, from one or more valves located on the bottom of the cylinder,

les soupapes s'ouvrant lors de la descente dudit piston. the valves opening during the descent of said piston.

L échappement dans ces moteurs à explosion à pistons à déplacement linéaire est traditionnellement effectué durant l'un des quatre autres temps du moteur appelé " échappement ", les gaz brûlés étant évacués lors du retour dudit piston, au travers d'une ou de plusieurs autres soupapes situées également sur le fond du cylindre The exhaust in these linear displacement piston explosion engines is traditionally carried out during one of the four other times of the engine called "exhaust", the burnt gases being evacuated during the return of said piston, through one or more others valves also located on the bottom of the cylinder

et d'une manière opposée à la tête dudit piston. and in a manner opposite to the head of said piston.

En dehors de ces deux phases, " admission " et " échappement " qui nécessitent un aller et un retour du piston, il existe une troisième phase appelée " compression " des gaz admis dans le cylindre, puis une quatrième phase appelée " explosion ", appelée également " temps moteur ", phase durant laquelle le piston s'écarte violemment du fond de cylindre exergant une force, par l'intermédiaire de la bielle, sur le maneton Apart from these two phases, "intake" and "exhaust" which require the piston to go back and forth, there is a third phase called "compression" of the gases admitted into the cylinder, then a fourth phase called "explosion", called also "engine time", phase during which the piston deviates violently from the bottom of the cylinder exerting a force, via the connecting rod, on the crankpin

du vilebrequin entraînant l'arbre moteur. of the crankshaft driving the engine shaft.

Un piston de moteur à explosion de ce type effectue donc traditionnellement deux allers et deux retours, d'o son appellation " moteur à quatre temps ", alors que le vilebrequin ne reçoit qu'une seule poussée de travail An internal combustion engine piston of this type therefore traditionally performs two round trips and two returns, hence its designation "four-stroke engine", while the crankshaft receives only one working thrust

(temps moteur), pour les deux allers-retours effectués. (engine time), for the two round trips made.

Cela revient à dire qu'un piston ne travaille que tout les " deux tours " de vilebrequin, obligeant à doubler le nombre de cylindres pour permettre à un moteur de ce type :: f f de " générer " les autres temps (admission / compression This amounts to saying that a piston works only every "two turns" of the crankshaft, forcing to double the number of cylinders to allow an engine of this type :: f f to "generate" the other times (intake / compression

/ échappement)./ exhaust).

Le moteur à " deux temps " connu pour certaines applications, ne fait qu'un aller-retour et donne un temps moteur au moment de la descente du piston. I1 fait appel à des " lumières ", qui sont en fait des orifices qui sont découverts, afin de maintenir le temps moteur, que lorsque le piston arrive en bas de sa course, de manière à remplir et à vidanger le cylindre d'une manière quasiment simultance. Un des inconvénients majeurs de ces lumières servant, soit à l'alimentation, soit à la vidange des gaz, est qu'elles détériorent les segments portés par le piston et qui sont nécessaires à l'étanchéité fonctionnelle entre le piston et le cylindre, ces segments subissant une abrasion lors de leur passage devant les orifices. De ce fait, le dimensionnement des lumières est strictement réduit et n'autorise pas de faire circuler une quantité importante The "two-stroke" engine known for certain applications, only makes a round trip and gives an engine time when the piston descends. It uses "lights", which are in fact openings which are uncovered, in order to maintain the engine time, only when the piston comes to the bottom of its stroke, so as to fill and empty the cylinder in a way almost simultaneously. One of the major drawbacks of these lights serving either for supplying or for emptying the gases is that they damage the segments carried by the piston and which are necessary for the functional sealing between the piston and the cylinder, these segments undergoing abrasion as they pass in front of the orifices. As a result, the dimensioning of the lights is strictly reduced and does not allow a large quantity to be circulated

de gaz.gas.

Par ailleurs, ces lumières ne sont pratiquement découvertes que lorsque le piston arrive au " point mort bas ", ce qui n'offre qu'un temps très réduit pour In addition, these lights are practically only discovered when the piston reaches "bottom dead center", which offers only a very short time for

effectuer la circulation des gaz.circulate the gases.

Cette solution connue du moteur à deux temps intéresse certaines applications, le secteur automobile ne faisant pas appel à ce type de solution, notamment pour les ,, This known solution of the two-stroke engine interests certain applications, the automobile sector not calling upon this type of solution, in particular for,

ralsons exposees.ralsons exposed.

Le dispositif selon l' invention permet de remédier à ces inconvénients. I1 comporte en effet, selon une première caractéristique, au moins une soupape d'admission située sur la tête du piston, permettant d'envoyer une " chasse d' air " suivant tout l'axe longitudinal du cylindre, de telle sorte que les gaz admis repoussent devant eux les gaz brûlés qui s'évacuent par la soupape d'échappement située d'une manière totalement opposée, cela d'une The device according to the invention overcomes these drawbacks. I1 in fact comprises, according to a first characteristic, at least one intake valve located on the head of the piston, making it possible to send an "air flush" along the entire longitudinal axis of the cylinder, so that the gases admitted push back in front of them the burnt gases which are evacuated by the exhaust valve located in a completely opposite way, that of

manière simultanée.simultaneously.

Cette opération d' admission est effectuce par l'ouverture de cette soupape embarquée dès la fin du temps moteur, soit environ 140 degrés après le " point mort haut " du piston, jusqu'à la position angulaire correspondant à plus de 40 degrés après le point mort bas, la soupape d'échappement étant elle aussi ouverte durant cette même This admission operation is carried out by the opening of this on-board valve at the end of the engine time, ie approximately 140 degrees after the "top dead center" of the piston, to the angular position corresponding to more than 40 degrees after the bottom dead center, the exhaust valve also being open during this same

position angulaire.angular position.

Cette phase " admission/échappement " se déroule donc entre la fin du temps moteur et la phase de compression, durant le même aller-retour du piston, de manière à ramener les quatre temps d'un moteur à explosion à trois temps: This "intake / exhaust" phase therefore takes place between the end of the engine time and the compression phase, during the same round trip of the piston, so as to reduce the four times of a three-stroke combustion engine:

Temps moteur/admission+échappement/compression. Engine / intake time + exhaust / compression.

Selon des modes particuliers de réalisation: - cette soupape " embarquée " sur le piston peut être commandée à l'ouverture par une came appartenant à la tête de bielle, - cette soupape embarquée peut être assistée dans son déplacement par la press ion exercoe par les gaz d' admission,; - la " jupe " du piston peut jouer le rôle de distributeur à tiroir lorsque ledit piston redescend et qu'il se situe à une certaine cote, faisant communiquer ses orifices qui débouchent sous la tête de ladite soupape, avec les orifices situés en bas du cylindre et par lesquels arrivent les gaz d' admission, qui circulent dans une canalisation appartenant au bloc moteur, - la jupe du piston peut, par son effet de distributeur à tiroir, assurer l'étanchéité des orifices par lesquels arrivent les gaz d'admission, lorsque le piston est en position haute, : - - un système d'obturation à clapet commandé par la position du piston peut obturer l'arrivée des gaz, dans le cas o la " jupe " dudit piston ne descendrait pas suffisamment bas lorsque le piston est en position haute. Cette solution s'adresse tout particulièrement aux moteurs à injection directe, o l'air qui alimente le moteur est introduit dans le cylindre à partir d'un turbo-compresseur, d'une manière indépendante par rapport According to particular embodiments: - this "on-board" valve on the piston can be controlled upon opening by a cam belonging to the connecting rod head, - this on-board valve can be assisted in its movement by the pressure exerted by the intake gas; - The "skirt" of the piston can play the role of a slide valve when said piston descends and it is located at a certain dimension, causing its orifices which open out under the head of said valve to communicate with the orifices located at the bottom of the cylinder and through which the intake gases arrive, which circulate in a pipe belonging to the engine block, - the skirt of the piston can, by its effect of distributor with drawer, seal the orifices through which the intake gases arrive , when the piston is in the high position,: - - a valve closure system controlled by the position of the piston can shut off the gas supply, in the case where the "skirt" of said piston does not descend sufficiently low when the piston is in the high position. This solution is particularly suitable for direct injection engines, where the air which feeds the engine is introduced into the cylinder from a turbo-compressor, independently from

au carburant.to fuel.

Les dessins annexés illustrent l'invention: Les Figures 1, 2 et 3 représentent en coupe, le The accompanying drawings illustrate the invention: Figures 1, 2 and 3 show in section, the

dispositif de l' invention.device of the invention.

Les Figures 4, 5 et 6 représentent le mode de commande de Figures 4, 5 and 6 show the control mode of

la soupape installée sur la tête du piston. the valve installed on the piston head.

Les Figures 7 et 8 représentent une soupape du type " papillon ", pouvant offrir un encombrement moindre que la soupape traditionnellement connue dite " soupape à Figures 7 and 8 show a valve type "butterfly", which can offer a smaller footprint than the traditionally known valve called "valve

queue ".tail ".

Les Figures 9, 10, 11 et 12 illustrent et montrent les quatre temps d'un moteur appelé " moteur à quatre temps ", ainsi que les positions angulaires suivant lesquelles les soupapes sont commandées sur les moteurs existant actuellement, et o: - PMH = Point Mort Haut - PMB = Point Mort Bas - AOA = Avance à l'Ouverture à l'Allumage - AA = Avance à l'Allumage RFA = Retard à la Fermeture à l'Admission - RFE = Retard à la Fermeture à l'Echappement La Figure 13 représente un mode d'étanchéité possible par clapet anti-retour commandé par la position du piston, dans le cas o la jupe du piston du fait de sa faible hauteur pourrait découvrir les orifices du cylindre par lequel circulent les gaz, au moment o le piston est en Figures 9, 10, 11 and 12 illustrate and show the four times of an engine called "four-stroke engine", as well as the angular positions according to which the valves are controlled on the engines currently existing, and o: - TDC = Top Dead Center - PMB = Bottom Dead Center - AOA = Advance to Ignition Opening - AA = Advance to Ignition RFA = Delay in Closing on Admission - RFE = Delay in Closing in Exhaust Figure 13 shows a possible sealing mode by non-return valve controlled by the position of the piston, in the case where the skirt of the piston due to its low height could uncover the orifices of the cylinder through which the gases circulate, at the time where the piston is in

position haute dans le cylindre.high position in the cylinder.

Les Figures 13 et 14 représentent également une soupape avec un clapet étagé permettant de décomprimer les gaz contenus entre le cylindre et le piston, lorsque l'échappement se fera par l'intérieur dudit clapet Figures 13 and 14 also show a valve with a stepped valve for decompressing the gases contained between the cylinder and the piston, when the exhaust will be through the interior of said valve

embarqué et par l'intérieur dudit piston. on board and through the interior of said piston.

La Figure 15 représente un clapet anti-retour à battant situé dans la ligne d'évacuation des gaz, évitant les reflux provenant de l'évacuation des autres cylindres débouchant dans le collecteur d'échappement, 20 dans le cas o l'évacuation des gaz se ferait par l'intérieur du piston. En référence à ces dessins, le dispositif comporte une soupape (2), jouant le rôle de tête du piston (1), lui servant de siège. Le piston (1) constitue un distributeur à tiroir permettant de mettre en communication ses orifices (12) avec les orifices (13) par lesquels arrivent les gaz d' admission, avec le dessous de la soupape (2), de telle sorte que l'admission des gaz se réalise au travers du piston, repoussant les gaz brûlés qui s'évacuent par la soupape d'échappement (5) située d'une manière opposée audit piston, la soupape (5) étant Figure 15 shows a swing check valve located in the exhaust gas line, preventing backflow from the exhaust of other cylinders opening into the exhaust manifold, in the case where the exhaust gas would be done from inside the piston. With reference to these drawings, the device comprises a valve (2), playing the role of head of the piston (1), serving as its seat. The piston (1) constitutes a distributor with drawer making it possible to put its orifices (12) in communication with the orifices (13) through which the inlet gases arrive, with the underside of the valve (2), so that the gas admission takes place through the piston, pushing back the burnt gases which escape through the exhaust valve (5) located opposite to said piston, the valve (5) being

commandée par la came (6).controlled by the cam (6).

Le pied de bielle (8) assure une étanchéité avec le fond du piston (1), grâce à des rainures de décompression The big end (8) seals with the bottom of the piston (1), thanks to decompression grooves

(17), lors de sa rotation occasionnée par le vilebrequin. (17), during its rotation caused by the crankshaft.

La partie supérieure (16) du pied de bielle (8) assure le soulèvement et l'abaissement du clapet (2), en fonction de la position angulaire (al) du pied de bielle, la came à ressort (7) se comprimant, de manière à esquiver ce soulèvement lorsque le cylindre est sous pression (temps moteur ou compression des gaz, lorsque la bielle connaît The upper part (16) of the connecting rod foot (8) raises and lowers the valve (2), depending on the angular position (al) of the connecting rod foot, the spring cam (7) compressing, so as to dodge this lifting when the cylinder is under pressure (engine time or gas compression, when the connecting rod knows

des positions angulaires identiques). identical angular positions).

\ \ 6 Lorsque la bielle remonte après le Point Mort Bas, la soupape embarquée (2) est tirée vers le bas, par l'intermédiaire de la came à ressort (7), en même temps que le piston (1) remonte dans le cylindre (3), et o les orifices (13) appartenant au cylindre (3) et les orifices (12) appartenant au piston (1) ne communiquent plus, et que seule la pression qui augmente à l'intérieur du cylindre plaque la soupape (2) sur son siège constitué du piston (1), le reliquat de pression emprisonné entre le piston (1) et la soupape (2), s'évacuant grâce au jeu fonctionnel existant entre la jupe dudit piston et le bas du cylindre, o des reniflards assurent la mise à l'air libre. La jupe du piston (10) assure l'obturation de l'arrivée \ \ 6 When the connecting rod goes up after the bottom dead center, the on-board valve (2) is pulled down, via the spring cam (7), at the same time as the piston (1) goes up in the cylinder (3), and o the orifices (13) belonging to the cylinder (3) and the orifices (12) belonging to the piston (1) no longer communicate, and that only the pressure which increases inside the cylinder plates the valve (2) on its seat made up of the piston (1), the residual pressure trapped between the piston (1) and the valve (2), being evacuated thanks to the functional clearance existing between the skirt of said piston and the bottom of the cylinder, o Breathers ensure venting. The piston skirt (10) ensures the closing of the inlet

des gaz (13), lorsque le piston est au Point Mort Haut. gases (13), when the piston is in Top Dead Center.

Les figures 9, 10, 11 et 12 expliquent les quatre temps du moteur à explosion traditionnel appelé "à quatre temps". Le dispositif objet de la présente invention a pour but de ramener ce type de moteur à deux temps, le dispositif permettant d'envoyer une admission des gaz par la soupape (2) au travers du piston (1), en chassant devant eux d'une manière totalement simultanée, les gaz brûlés qui Figures 9, 10, 11 and 12 explain the four times of the traditional internal combustion engine called "four times". The object of the present invention device is to reduce this type of two-stroke engine, the device for sending an admission of gases by the valve (2) through the piston (1), driving in front of them a totally simultaneous way, the burnt gases which

sont refoulés au travers de la soupape d'échappement (5). are discharged through the exhaust valve (5).

Cette opération se situant entre la phase AOE (Avance Ouverture à l'Echappement) Fig.11, et la phase RFA (Retard Fermeture à l'Admission) Fig+9, durant une position angulaire d'environ 130 degrés après le Point Mort Haut (PMH), et à plus de 40 degrés après le Point This operation is located between the AOE phase (Advance Opening to Exhaust) Fig. 11, and the RFA phase (Delay Closing to Admission) Fig + 9, during an angular position of approximately 130 degrees after Top Dead Center (TDC), and more than 40 degrees after the Point

Mort Bas (PMB).Low Death (PMB).

Selon une variante de réalisation, le piston est constitué d'une double chemise assurant la circulation des gaz d' admission entre les orifices pratiqués en bas de la jupe et la chambre étanche servant de siège à According to an alternative embodiment, the piston consists of a double jacket ensuring the circulation of the intake gases between the orifices made at the bottom of the skirt and the sealed chamber serving as a seat for

ladite soupape.said valve.

Selon une autre variante de réal i sat ion, ce type de soupape formant la tête du piston pent être utilisé pour toute pompe on moteur véhiculant un fluide pour assurer According to another variant of real i sat ion, this type of valve forming the piston head can be used for any pump or motor carrying a fluid to ensure

le remplissage ou la vidange du cylindre. filling or emptying the cylinder.

rr

Claims

1. An internal combustion engine device comprising a piston (1) with linear displacement sliding in a cylinder (3), device in which valves ensure the admission and the exhaust of gases, characterized in that it comprises at least one valve (2) taking place and place on the head of said piston (1), so as to ensure the circulation of gases by the interior of said piston (1) practically following

its entire longitudinal axis.

2. Engine device according to claim 1, characterized in that said valve (2) located on the head of said piston (1) ensures the admission

gases.

3. Motor device according to

claims 1 and 2, characterized in that the piston

(1) constitutes the seat of said valve (2).

4. Engine device according to claim 3, characterized in that the piston head (1) serving as a seat for the valve (2) constitutes a

sealed chamber with the big end (8).

5. Motor device according to claim 4, characterized in that it comprises a lower part of the piston called "skirt" comprising orifices.

6. Motor device according to claim 5, characterized in that said orifices communicate with the underside of said valve (2) in

the sealed chamber.

7. Motor device according to

Claims 5 and 6, characterized in that the orifices

(12) produced in said skirt of the piston (1) constitute with the cylinder (3), a distributor with drawer, making it possible to cause the gases contained in the cylinder (3) to be cycled as a function of the position of said piston (1)

in the cylinder (3).

8. Motor device according to one

any of claims 5 to 7, characterized in

that said valve (2) has a circulation of gases arriving through the orifices (13) arranged in the lower part of the cylinder (3) and circulating through orifices (12) arranged in said skirt of the piston (1),

the two assemblies constituting a drawer distributor.

9. Motor device according to one

any of claims 5 to 8, characterized in

that the piston (1) consists of a double jacket ensuring the circulation of the inlet gases between the orifices (12) formed at the bottom of the skirt and the chamber

sealed serving as a seat for said valve (2).

10. Motor device according to one

any of claims 5 to 9, characterized in that

that the gas inlet ports from the bottom of the cylinder (3) are closed by valves, the opening of which is controlled mechanically as a function of the position of the piston (1), by a cam belonging to the

skirt of said piston (1).

11. Motor device according to one

any one of claims 1 to 10, characterized in that

that said on-board valve (2) is controlled to open and close by means of a cam (7)

belonging to the big end (8).

12. Motor device according to one

any one of claims 1 to 11, characterized in

that the valve (2) embarks on the piston (1) ensures the escape of gases contained in the cylinder (3) .;

13.Engine device according to claim 12, characterized in that the valve (2) on board the piston (1) is in stages, so that a small valve ensures gas decompression

to allow the valve to be raised.

14. Motor device according to

Claims 12 and 13, characterized in that a valve

check valve located in the exhaust nozzle prevents

reflux from the exhaust manifold.

15. Motor device according to one

any of claims 1 to 12, characterized in

that the on-board valve (2) is of the double leaf type

articulated along an axis belonging to the piston (1).

16.Engine device according to

claims 1 to 3, characterized in that said

valve (2) forming the piston head (1) is used for any pump or motor conveying a fluid for