FR2921694A1

FR2921694A1 - Heat engine e.g. double crankshaft and multi-cylinder two-stroke diesel engine, for e.g. power plant, has pistons whose alternating motion is transformed into rotary motion via mechanism constituted of toothed pinion intermeshed in cage

Info

Publication number: FR2921694A1
Application number: FR0706906A
Authority: FR
Inventors: Jean Claude Keromnes
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2007-10-02
Filing date: 2007-10-02
Publication date: 2009-04-03

Abstract

The engine has a set of pistons (9) whose alternating motion is transformed into rotary motion impressed to an engine shaft through a mechanism constituted of a high eccentric toothed pinion intermeshing in an oblong cage (2). The pistons are freely slid in a cylinder (6) by being connected by an inner side of the pistons to a pinion-cage mechanism without lateral components to avoid lateral constrains of sinusoidal motion and authorize utilization of low raised pistons around 35 percentages of diameter.

Description

-1- La présente invention concerne une forme de réalisation particulière de moteur thermique basée sur les possibilitées offertes par le système de conversion de mouvement alternatif en rotatif, mécanisme faisant l'objet du brevet déposé sous le numéro FR 06 10007 au nom du même demandeur. The present invention relates to a particular embodiment of a heat engine based on the possibilities offered by the rotary reciprocating conversion system, which mechanism is the subject of the patent filed under the number FR 06 10007 in the name of the same applicant. .

Cette étude n'a surtout pas la prétention d'indiquer aux motoristes le travail à effectuer, mais tout simplement de présenter de nouvelles pistes pouvant s'intégrer dans leur savoir-faire. Ce mécanisme (figure 1) est constitué essentiellement d'un pignon denté à axe totalement excentré (1) s'engrenant dans une cage oblongue (2) se terminant schématiquement à chaque extrémité par un demi cercle. Le pignon est relié à un arbre borgne (3) par l'intermédiaire d'un moyeu (4) servant également de came d'amorti mâle venant au contact de la partie came femelle en fin de course (5) pouvant également servir de pièce de liaison des 2 demi-parties de cage si usinées ainsi. La conception générale de l'ensemble permet l'obtention d'une course égale au diamètre du cylindre recevant l'ensemble. Pour exemple un diamètre de cylindre de 80 mm .permettra l'utilisation d'un engrenage de Dp. 62.5 générant une course de 1,35 fois soit 84 mm. Cette course quasi linéaire est exempte de composante latérale et permet en conséquence l'utilisation de piston de hauteur voisine de 35% du diamètre, relié directement à la cage du mécanisme, sans articulation, donc suppression de la bielle et des axes de rotation et aussi du vilebrequin. Selon les configurations, les soupapes et en particulier la soupape d'échappement sera logée traversante au piston. Ceci permet entre autre la réalisation de moteur 2 temps à soupapes- donc suppression des lumières-offrant une longévité des segments et aussi une excellente respiration des moteurs. Les configurations possibles vont du système monocylindre au multi-cylindres, dont 2 systèmes sont retenus en particulier dans la description. Les distributions peuvent être de type 2 ou 4 temps. Les carburants utilisables sont multiples, y compris l'hydrogène en adaptant les chambres de combustion aux utilisations. Malgré la mauvaise presse, la proposition préférentielle s'attache au moteur diésel 2 temps et en particulier à 2 pistons opposés à plat. (figure 2) La description ne s'attache qu'aux points objets des revendications des présentes et est complétée par les figures suivantes: Figure 1: le mécanisme de transformation du mouvement alternatif en mouvement circulaire. Figure 2: moteur 2 pistons opposés à plat. Figure 3: soupapes d'échappement dans leur piston. -2 Figure 4: moteur avec piston en bout de la cage. Moteur 2 temps à pistons opposés à plat. Ce principe fut utilisé par les moteurs d'avions Junker en version diésel 2 temps multicylindres 5 et à double vilebrequins opposés. Notre proposition remplace les lumiéres par des soupapes et les vilebrequins par des arbres ou lignes d'arbres. Le dessin de la figure 2 représente un moteur à plat à 2 pistons opposés en position point mort bas, en vue à plat; et en dessous, la vue du dessus au point mort haut du mécanisme. L'extérieur est composé d'un cylindre (6) relié à chaque extrémité par 2 carters (7). 10 Dans le cylindre circulent 2 pistons (9) dans la chambre de combustion (8), en position opposée et reliés chacun à une cage (2). Chaque cage va entrainer par son pignon l'arbre extérieur (3) auquel sera relié un arbre à cames (15) supportant la came (16) agissant sur la soupape principale d'échappement (10) ou la soupape d'admission (18). 15 Côté échappement (à gauche) l'arbre (15) reçoit la came (17) qui commande la soupape secondaire d'échappement (11). Les pistons (9) sont de géométrie définie pour les carburants utilisés et les mouvements de turbulence recherchés. La conception de ce moteur est basée sur le coulissement des pistons dans leur cylindre sans 20 composante latérale, autorisant des pistons de faible hauteur d'environ 35% de leur diamètre.. Dan le corps du piston, on loge les soupapes de grande dimension (10) et (11) pour l'échappement et, en position opposée (18) pour l'admission d'air. Les dimensions des soupapes et leur position relative permettent une respiration du moteur supérieure aux multi-soupapes grace à ce balayage unidirectionnel. La surface de soupape est de l'ordre de 25 45% de celle du piston. La configuration des pistons opposés offre un excellent rapport thermodynamique avec pour conséquence une force importante s'exerçant sur les soupapes et s'opposant à leur ouverture. Pour diminuer cette contrainte, une soupape secondaire a été positionnée sur l'échappement. Elle représente une surface d'environ 10 % de la soupape principale et est commandée en 30 ouverture quelques instants avant, selon le diagramme de la figure 2. Les ressorts (13) et (14) mis en compression relative participent à l'ouverture et assurent la liaison mécanique avec les piston. Ces soupapes sont donc primordiales dans le bon fonctionnement et il faut assurer une excellente fixation aux pistons des guides de coulissement de queues de soupapes.(12). -3- La commande des soupapes est réalisée par des cames synchrones (16) et (17) avec les arbres moteurs. Il s'agit de venir en contact avec les queues de soupapes à la vitesse des pistons puis de les ralentir pour provoquer l'ouverture et amortir leur course pour bien créer l'espace avec le piston, et initier le mouvement inverse pour les replaquer à leur siège. This study does not claim to indicate to the engine manufacturers the work to be done, but simply to present new tracks that can integrate into their know-how. This mechanism (FIG. 1) essentially consists of a pinion gear with a totally eccentric axis (1) meshing with an oblong cage (2) ending schematically at each end by a semicircle. The pinion is connected to a blind shaft (3) via a hub (4) also serving as a male cushioning cam coming into contact with the female cam part at the end of stroke (5) which can also be used as part connecting the two half-cage parts if machined as well. The general design of the assembly makes it possible to obtain a stroke equal to the diameter of the cylinder receiving the assembly. For example, a cylinder diameter of 80 mm will allow the use of a Dp gear. 62.5 generating a race of 1.35 times that is 84 mm. This quasi-linear race is free of lateral component and consequently allows the use of piston of height close to 35% of the diameter, connected directly to the cage of the mechanism, without articulation, therefore deletion of the connecting rod and axes of rotation and also crankshaft. Depending on the configuration, the valves and in particular the exhaust valve will be housed through the piston. This allows, among other things, the realization of a 2-stroke engine with valves - thus suppression of the lights - offering a longevity of the segments and also an excellent breathing of the engines. The possible configurations range from the single-cylinder system to the multi-cylinder, of which 2 systems are selected in particular in the description. The distributions can be type 2 or 4 times. There are many fuels that can be used, including hydrogen, by adapting combustion chambers to uses. Despite the bad press, the preferential proposal is attached to the 2-stroke diesel engine and in particular to 2 opposed pistons flat. (Figure 2) The description is attached to the points of the claims of the present and is supplemented by the following figures: Figure 1: the mechanism of transformation of the reciprocating motion in circular motion. Figure 2: 2 piston engine opposed flat. Figure 3: Exhaust valves in their piston. -2 Figure 4: motor with piston at the end of the cage. 2-stroke engine with opposed pistons flat. This principle was used by Junker aircraft engines in diesel version 2-stroke multicylindres 5 and dual crankshafts opposite. Our proposal replaces lights with valves and crankshafts with trees or lines of trees. The drawing of Figure 2 shows a flat engine with 2 opposed pistons in the bottom dead position, in flat view; and below, the top view at the top dead center of the mechanism. The outside is composed of a cylinder (6) connected at each end by 2 casings (7). In the cylinder there are two pistons (9) in the combustion chamber (8), in opposite position and each connected to a cage (2). Each cage will drive by its pinion the outer shaft (3) to which will be connected a camshaft (15) supporting the cam (16) acting on the main exhaust valve (10) or the inlet valve (18) . On the exhaust side (left) the shaft (15) receives the cam (17) which controls the secondary exhaust valve (11). The pistons (9) have a defined geometry for the fuels used and the desired turbulence movements. The design of this engine is based on the sliding of the pistons in their cylinder without lateral component, allowing pistons of low height about 35% of their diameter. In the piston body, the large valves are housed ( 10) and (11) for the exhaust and, in the opposite position (18) for the admission of air. The dimensions of the valves and their relative position allow the motor to breathe better than the multi-valves thanks to this unidirectional scanning. The valve area is of the order of 45% of that of the piston. The configuration of the opposed pistons offers an excellent thermodynamic ratio with consequent significant force exerted on the valves and opposing their opening. To reduce this stress, a secondary valve has been positioned on the exhaust. It represents an area of about 10% of the main valve and is controlled opening a few moments before, according to the diagram of Figure 2. The springs (13) and (14) put in relative compression participate in the opening and provide the mechanical connection with the piston. These valves are therefore essential in the correct operation and it is necessary to ensure an excellent attachment to the pistons of the sliding guides of valve shanks (12). The valves are controlled by synchronous cams (16) and (17) with the motor shafts. This involves coming into contact with the valve stems at the speed of the pistons, then slowing them down to open them and damping their stroke to create the space with the piston, and initiate the reverse movement to re-seat them. their seat.

La révolution de ces cames n'est opérationnelle qu'à chaque tour soit 360°. Les réaliser symétriquement n'est nécessaire que pour le moteur avec 2 pistons en bout de cage. Le profil pour l'ouverture et la fermeture ne sera pas obligatoirement identique mais adapté à la demande. Chaque extrémité de cage (2) porte une plaquette en 1/2 cercle (20 ) coulissant glissant dans la partie du cylindre délimitée par les réservoirs (22) et (24) et qui constituent en fin de course des amortisseurs pneumatiques (21) alimentant ces réservoirs par une valve de pression. L'air compressé en (22) passera par le canal (23) au réservoir (24) avec l'adjonction nécessaire pour passer en chambre de combustion (8) par la soupape (18). Des clapets anti-retour seront positionnés avantageusement dans les circuits. The revolution of these cams is operational at each turn is 360 °. Performing them symmetrically is only necessary for the engine with 2 pistons at the end of the cage. The profile for opening and closing will not necessarily be identical but adapted to the request. Each cage end (2) carries a half-circle plate (20) sliding sliding in the part of the cylinder defined by the tanks (22) and (24) and which constitute at the end of the race pneumatic dampers (21) feeding these tanks by a pressure valve. The compressed air (22) will pass through the channel (23) to the tank (24) with the addition necessary to pass into the combustion chamber (8) by the valve (18). Non-return valves will be advantageously positioned in the circuits.

L'alimentation en carburant s'effectuera par l'injecteur (25). L'évacuation des gaz bridés se fera en (26) pour dépollution. L'amortissement au point mort haut se réalise par la compression des gaz avant l'explosion et au point mort bas par la compresion de l'air (21) et nous disposons donc de dispositifs élastiques dans la limitation des courses et l'amorti mécanique (5) ne sera donc utile qu'en phase de démarrage. Le coulissement du système dans les cylindres s'effectue en 2 zones: - au contact des pistons au droit des arbres (3) par l'effort latéral entre le pignon (1) et la cage (2) dont le contact sera amélioré par l'utilisation de glissières à billes (19). Fuel supply will be by the injector (25). The evacuation of the flanged gases will be done in (26) for depollution. The top dead center damping is achieved by compressing the gases before the explosion and at the bottom dead point by the air compression (21) and we therefore have elastic devices in the limitation of the races and the mechanical cushioning (5) will only be useful in the start-up phase. The sliding of the system in the cylinders takes place in 2 zones: - in contact with the pistons at the right of the shafts (3) by the lateral force between the pinion (1) and the cage (2) whose contact will be improved by the use of ball rails (19).

Moteur 2 pistons à plat en bout de chaque cage. Figure 4 Cette architecture offre l'avantage d'être la plus compacte possible. Pour travailler l'équilibrage et en tirer le meilleur résultat il faut monter 2 systèmes en parallèle et un assemblage de 3 à 120° est encore plus favorable. Les points particuliers de ce système par rapport au précédent sont énumérés ci-après. 2-piston engine flat at the end of each cage. Figure 4 This architecture offers the advantage of being as compact as possible. To work balancing and get the best result we must mount 2 systems in parallel and an assembly of 3 to 120 ° is even more favorable. The particular points of this system compared to the previous one are listed below.

Il est nécessaire d'avoir une culasse (28) à chaque extrémité pour loger la pièce (29) dite loge de soupape d'admission (18). Cette loge sera montée glissante (faible jeu) dans le cylindre (6) et réglable longitudinalement par 3 vis micrométriques (30) disposées à 120° actionnées par un moteur pas à pas (31). L'injecteur (25 ) sera montée sur cette loge. La commande de la soupape (18) se fera par une bobine électromagnétique (32) montée en -4 bout de culasse et à proximité du moteur pas à pas. Ces 2 pièces seront capotées par la conduite (33) d'arrivée d'air. Danc ce cas, l'amortissement en bout de course se réalise par la compression des gaz avant explosion, d'où l'intérèt d'un cycle 2 temps. It is necessary to have a yoke (28) at each end to accommodate the piece (29) said intake valve housing (18). This box will be mounted slippery (low clearance) in the cylinder (6) and longitudinally adjustable by 3 micrometer screws (30) arranged at 120 ° actuated by a stepper motor (31). The injector (25) will be mounted on this box. The control of the valve (18) will be via an electromagnetic coil (32) mounted at the end of the yoke and near the stepping motor. These 2 parts will be covered by the duct (33) of air supply. In this case, the end-of-stroke damping is achieved by compression of the gases before explosion, hence the interest of a 2-stroke cycle.

Variation de volume de la chambre de combustion- ou du taux de compression. Pour réaliser cette fonction, il faut augmenter à faible charge le volume au point mort haut. Dans le montage des 2 pistons opposés dans le même cylindre, un moteur 2 temps de course en compression de 64 mm., demandera pour passer d'un taux de compression de 16 à 10 un allongement de course de 2,4mm. ce qui peut se réaliser par un écartement des 2 arbres (3) par système asservi. Ces 2 arbres reliés à l'arbre principal (27) par courroie trapézoïdale, demanderont un écartement des flasques d'une poulie réglable pour passer de 75 à 76.52 mm.de diamètre pour un enroulement de 180° sur les poulies. Dans le système des pistons montés aux 2 extrémités de la cage, (pistons en bout) nous disposons d'une culasse qui reçoit la loge de soupape (29) montée coulissante dans le cylindre. Pour les mêmes valeurs que ci -dessus, il faudra les déplacer de 2,4 mm. de chaque côté. On peut raisonnablement escompter effectuer des économies de carburant grace au système pignon-cage, directement pour 2 raisons: -absence de composante latérale entre piston et cylindre -suppression de l'effet dit vilebrequin qui limite la détente par le mécanisme d'embiellage. L'architecture générale des 2 types de moteur, avec des soupapes bien dimensionnées, leurs facultées de réglage et aussi les possibilitées de variation des taux de compression et des équipages mobiles allégés concourrent raisonnablement à une technicité améliorée. Toutes les configurations sont possibles: la faculté de mise en ligne, juxtaposition, etc.. Volume variation of the combustion chamber- or compression ratio. To perform this function, increase the volume at the top dead center at low load. In the assembly of the two opposed pistons in the same cylinder, a 2-stroke compression stroke engine of 64 mm will require to pass a compression ratio of 16 to 10 a stroke elongation of 2.4 mm. this can be achieved by spacing the 2 shafts (3) by slave system. These 2 shafts connected to the main shaft (27) by V-belt, will require a spacing of the flanges of an adjustable pulley to go from 75 to 76.52 mm diameter for a winding of 180 ° on the pulleys. In the system of pistons mounted at both ends of the cage, (pistons end) we have a cylinder head which receives the valve housing (29) slidably mounted in the cylinder. For the same values as above, they will have to be moved by 2.4 mm. on each side. It is reasonable to expect to save fuel thanks to the pinion-cage system, directly for 2 reasons: -lack of lateral component between piston and cylinder -suppression of the so-called crankshaft effect which limits the relaxation by the crankshaft mechanism. The general architecture of the two types of engine, with well-dimensioned valves, their ability to adjust and also the possibility of variation of compression ratios and lightened mobile crews reasonably contribute to an improved technicality. All configurations are possible: the ability to put on line, juxtaposition, etc.

On peut à ce jour indiquer que la limitation dimensionelle peut être restrictive dans le sens des petits moteurs. Un système pignon-cage d'engrenages à module 0.5 entrainerait une cylindrée de 60 à 80 cm; . Les gros moteurs pour bateaux ou centrales électriques seraient plus facilement adaptables. Les cycles à 4 temps sont égalements réalisables avec tous carburants. It can be said to date that the dimensional limitation can be restrictive in the direction of small engines. A gear-cage gear system with 0.5 module would result in a displacement of 60 to 80 cm; . Large engines for boats or power plants would be more easily adaptable. 4-stroke cycles are also achievable with all fuels.

Nous disposons donc de solutions techniques économiques en réalisation et de meilleur rendement possible que les technologies courantes actuelles. We therefore have economical technical solutions to achieve and better performance than current technologies.

Claims

1-thermal engine characterized by the transformation of the reciprocating movement of one or more pistons into a rotary motion printed on a motor shaft by means of a mechanism consisting of a highly eccentric toothed gear (1) meshing in a oblong cage (2), mechanism shown in FIG.

2- compact heat engine according to claim 1, characterized in that the pistons slide freely in their cylinder being connected by their inner face to the pinion-cage mechanism, provision avoiding the lateral stresses of a sinusoidal movement and allowing the use pistons (9) of low height about 35% of the diameter.

3- compact thermal engine according to the preceding 2 claims characterized by a possible stroke equal to the diameter of the pistons, the entire movable element connected directly to the piston and located in a cylindrical housing in one or more longitudinal parts for the production of engines squares. The stroke is represented by the position of the pistons at the bottom and top dead spots in Figure 2.

4- heat engine, according to any one of the preceding claims, characterized by the valve equipment passing through the piston, at least the exhaust valve (10), also achievable for the intake valve (18) according to the versions, to eliminate the lights for the 2-stroke cycles and ensuring with a surface of 45% of the pistons an excellent gas circulation. Figure 3

5- heat engine, according to one of the preceding claims and in particular the 4, with the combustion chamber adapted to the fuels used for the realization of a diesel engine 2-stroke valves without cylinder head, a version characterized by a motor to flat with 2 opposed pistons. Figure 2

6-thermal engine, according to any one of the preceding claims, characterized by the application of a large force on the exhaust valve due to its surface and the pressure in the cylinder, requiring the establishment of a small valve (11) in the main valve (10) controlled in opening a few millimeters in advance, the two valves controlled by parallel cams (16) and (17) mounted on a shaft (15) connected to the motor shaft for perfect synchronization.

7- thermal engine according to claim 5 providing an alternative embodiment characterized by the addition of a slave device acting on a small longitudinal displacement of the pinion shafts (3) causing changes in volume of the combustion chamber at the top dead center and therefore the compression ratio.

8- thermal engine according to any one of the preceding claims, characterized by an architecture consisting of a mounting of the pistons at the two ends of the cage Figure 4, 5 requiring a cylinder head to close the ends of the cylinder and an intake valve seat valve housing, which valve will be advantageously controlled by an electromagnetic device (32).

9- thermal engine according to claim 8, providing an operating variant characterized by the addition of a device housed in the cylinder head for the controlled variation 10 of the volume of the combustion chambers at top dead center and therefore the variation of the compression ratio, the planned system consisting of controlling the rotation of 3 fine-pitch screws (30) by an electric stepper motor or any other solution, non-limiting example.