FR2555662A1 - Method for cooling exhaust valves of reciprocating internal combustion engines, means for the purpose of implementing the method and engines provided with these means - Google Patents

Abstract

The invention relates to a method for cooling exhaust valves of reciprocating internal combustion engines. It is characterised in that the cams 18 of the exhaust valves 14 are designed so that the exhaust valve 14 is kept slightly open during the beginning of the compression phase, as a result of which it is with the pressure due to this start of compression that part of the fresh gases which have been brought in during the inlet phase are then propelled onto the walls of the exhaust valve 14 and of its seat 16. Application to the mechanical industry and particularly to the construction of two- and four-stroke internal combustion engines.

Description

L'invention se rapporte à un procédé de refroidissement des soupapes d'échappement des moteurs alternatifs à combustion interne, et ce, qu'ils fonctionnent selon un cycle à deux temps ou un cycle à quatre temps. The invention relates to a method of cooling the exhaust valves of reciprocating internal combustion engines, whether they operate on a two-stroke cycle or a four-stroke cycle.

Elle se rapporte également aux moyens en vue de la mise en oeuvre de ce procédé et aux moteurs pourvus de ces moyens. It also relates to the means for implementing this process and to the motors provided with these means.

Dans les moteurs à combustion interne, un vilebrequin est relié à des pistons animés d'un mouvement de translation dans des cylindres entre deux points extrêmes dits point mort haut et point mort bas et délimitant dans chacun des cylindres une chambre d'un certain volume. In internal combustion engines, a crankshaft is connected to pistons driven in a translational movement in cylinders between two extreme points called top dead center and bottom dead center and delimiting in each of the cylinders a chamber of a certain volume.

Dans chaque cylindre du moteur, pendant la phase de détente, le piston est chassé du point mort haut vers le point mort bas et, par une bielle, sa translation est transformée en mouvement de rotation imprimée au vilebrequin tandis que pendant la phase de compression, en prévision d'une nouvelle phase de détente, le piston est renvoyé au point mort haut par le vilebrequin alors entraîné en rotation par la détente produite dans au moins un autre cylindre. In each cylinder of the engine, during the expansion phase, the piston is driven from top dead center to bottom dead center and, by a connecting rod, its translation is transformed into a rotational movement imparted to the crankshaft while during the compression phase, in anticipation of a new expansion phase, the piston is returned to top dead center by the crankshaft then driven in rotation by the expansion produced in at least one other cylinder.

Entre ces phases de détente et de compression, sous le contrôle de la distribution du moteur, se déroulent deux autres phases, l'une d'échappement des gaz brûlés et l'autre d'admission des gaz frais. Between these expansion and compression phases, under the control of the engine distribution, two other phases take place, one for the exhaust of the burnt gases and the other for the admission of fresh gases.

Selon que le moteur fonctionne suivant un cycle à deux ou à quatre temps, ces deux autres phases se déroulent soit pendant le passage du piston au point mort bas, soit au cours d'un va et vient supplémentaire de ce piston. Depending on whether the engine operates in a two- or four-stroke cycle, these two other phases take place either during the passage of the piston at bottom dead center, or during an additional back and forth movement of this piston.

Dans les deux cas, pour assurer l'échappement et l'admission, à chaque chambre sont raccordées des conduites d'échappement et d'admission de gaz qui, quant à lui, est généralement au préalable mis sous une certaine pression par exemple au moyen d'une machine turbo-soufflante dont l'énergie est fournie par la chaleur des gaz d'échappement. In both cases, to ensure the exhaust and the admission, to each chamber are connected exhaust and gas intake pipes which, meanwhile, is generally previously put under a certain pressure for example by means of a turbo-blowing machine whose energy is supplied by the heat of the exhaust gases.

Le raccordement à chaque chambre des conduites d'échappement correspondantes s'effectue sous le contrôle d'au moins un organe de distribution tel notamment le piston et/ou au moins un clapet ou une soupape. The connection to each chamber of the corresponding exhaust pipes is carried out under the control of at least one distribution member such as in particular the piston and / or at least one valve or valve.

L'invention se rapporte à ceux de ces moteurs dont le raccordement à la chambre de chaque conduite d'échappement s'effectue par au moins une soupape d'échappement coopérant avec un siège réalisé par l'orifice de raccordement entre la chambre et la conduite considérée. The invention relates to those of these engines, the connection of which to the chamber of each exhaust pipe is effected by at least one exhaust valve cooperating with a seat produced by the connection orifice between the chamber and the pipe. considered.

Ces soupapes d'échappement sont alors commandées par une came d'échappement calée sur un arbre lié en rotation avec le vilebrequin. These exhaust valves are then controlled by an exhaust cam wedged on a shaft linked in rotation with the crankshaft.

La chaleur de la combustion puis des gaz brûlés qui s'échappent, échauffe fortement successivement les parois de la chambre puis les soupapes d'échappement, ce qui les rend vulnérables. The heat of combustion, then of the exhausted burnt gases, strongly heats the walls of the chamber then the exhaust valves, which makes them vulnerable.

Par ailleurs, les combustibles utilisés qui sont de moins en moins raffinés, contiennent des corps incombustibles tels le vanadium, etc ..., leur combustion laisse de plus en plus de résidus dont l'agressivité augmente la température. In addition, the fuels used which are less and less refined, contain non-combustible bodies such as vanadium, etc., their combustion leaves more and more residues whose aggressiveness increases the temperature.

Pour toutes ces raisons, le refroidissement efficace des soupapes d'échappement est apparu nécessaire pour augmenter la longévité du moteur. For all these reasons, efficient cooling of the exhaust valves has been found necessary to increase the longevity of the engine.

Pour assurer le refroidissement des soupapes d' échap- pement, il est connu d'établir à l'intérieur des sièges de ces soupapes et parfois à l'intérieur des soupapes elles-mêmes des circuits de fluide de refroidissement tel de l'eau ou de l'huile. To ensure the cooling of the exhaust valves, it is known to establish inside the seats of these valves and sometimes inside the valves themselves coolant circuits such as water or oil.

Toutefois, compte tenu de la rapidité de fonctionnement des moteurs, les calories déposées sur les parois des soupapes par les gaz brûlés qui sont à très hauté température n'ont pas le temps de s'évacuer vers les circuits de réfrigération et, c'est pourquoi, malgré leur complexité et leur prix de revient élevé, l'efficacité de ceux-ci est très limitée. However, taking into account the speed of operation of the engines, the calories deposited on the walls of the valves by the burnt gases which are at very high temperature do not have time to be evacuated towards the refrigeration circuits and, it is why, despite their complexity and their high cost price, their effectiveness is very limited.

Dans les moteurs à deux temps à échappement contrôlé par au moins une soupape, il est connu d'assurer un balayage dit équicourant selon lequel, avant compression, les gaz apportés chassent les gaz brûlés par leur seule pression d'admission et, se faisant, balayent la chambre et la soupape pour les refroidir. In two-stroke engines with exhaust controlled by at least one valve, it is known to provide so-called equicurrent scanning according to which, before compression, the gases supplied drive out the burnt gases by their only intake pressure and, in doing so, sweep the chamber and the valve to cool them.

Pour l'application de ce procédé aux moteurs à quatre temps, il est connu par un profil approprié de la came d'é chappement de maintenir la soupape d'échappement ouverte pendant le début de la phase d'admission, de manière que, à la faveur de la différence entre la pression d'admission et la pression dans la conduite d'échappement, soient également assurés un balayage total des gaz brûlés de la chambre de combustion et une réfrigération des parois de la chambre et des soupapes d'échappement. For the application of this process to four-stroke engines, it is known by an appropriate profile of the exhaust cam to keep the exhaust valve open during the start of the intake phase, so that, at thanks to the difference between the intake pressure and the pressure in the exhaust pipe, a total sweeping of the burnt gases from the combustion chamber and a cooling of the walls of the chamber and of the exhaust valves are also ensured.

Toutefois, que les moteurs soient à deux ou quatre temps, cet effet de balayage est limité par la faiblesse de la différence de pression mise en jeu. However, whether the engines are two or four stroke, this sweeping effect is limited by the smallness of the pressure difference involved.

De plus, les conduites d'admission et d'échappement sont le siège de pulsations correspondant à la propagation d'ondes de surpression eu de dépression de grandes amplitudes. In addition, the intake and exhaust pipes are the seat of pulses corresponding to the propagation of overpressure waves in the event of large amplitude depression.

La différence de pression entre la conduite d'échappement et la conduite d'admission varie ce qui, par moment, réduit et même annule sinon inverse la dite différence ce qui rend aléatoire le balayage. The pressure difference between the exhaust pipe and the intake pipe varies which, at times, reduces and even cancels if not reverses said difference which makes sweeping random.

Ce balayage est même toujours impossible lorsque le moteur fonctionne à faible charge car alors la pression d'admission n'est jamais superieure à la pression d'échappement. This scanning is even always impossible when the engine is running at low load because then the intake pressure is never higher than the exhaust pressure.

Un résultat que l'invention vise à obtenir est un procédé de refroidissement des soupapes d'échappement qui est simple, peu onéreux et très efficace, quelles que soient les variations de la pression dans la conduite d'échappement et de la charge du moteur. A result which the invention aims to obtain is a method of cooling the exhaust valves which is simple, inexpensive and very effective, whatever the variations in the pressure in the exhaust pipe and the load of the engine.

A cet effet, elle a pour objet un procédé du type cité plus haut notamment caractérisé en ce qu'on détermine les cames des soupapes d'échappement de manière qu'on maintienne la soupape d'échappement légèrement ouverte pendant le début de la phase de compression ce par quoi c'est avec la pression due à ce début de compression que l'on propulse alors sur les parois de la soupape d'échappement et- de son siège, une partie des gaz frais qui ont été apportées au cours de la phase d'admission. To this end, it relates to a method of the type mentioned above, in particular characterized in that the cams of the exhaust valves are determined so that the exhaust valve is kept slightly open during the start of the compression which is what it is with the pressure due to this start of compression that is then propelled on the walls of the exhaust valve and- of its seat, part of the fresh gases which have been brought in during the admission phase.

Elle a également pour objet les moyens en vue de la mise en oeuvre de ce procédé et le moteur pourvu de ces moyens. It also relates to the means for implementing this method and the engine provided with these means.

L'invention sera bien comprise à l'aide de la descripzion ci-après faite, à titre d'exemple non limitatif, en regard du dessin ci-annexé relatif à un moteur à quatre temps et qui représente schématiquement
- figure 1: le moteur à quatre temps vu en coupe par un cylindre,
- figure 2: les courbes des mouvements des soupapes d'admission et d'échappement au cours des quatre phases de fonctionnement de ce moteur à quatre temps.The invention will be clearly understood with the aid of the description below, given by way of nonlimiting example, with reference to the attached drawing relating to a four-stroke engine and which represents schematically
- Figure 1: the four-stroke engine seen in section through a cylinder,
- Figure 2: the curves of the movements of the intake and exhaust valves during the four operating phases of this four-stroke engine.

En se reportant au dessin, on voit que le piston 1 est logé dans un cylindre 2 dans lequel, en relation avec un vilebrequin (non représenté) par l'intermédiaire d'une bielle 4, il est animé d'un mouvement alternatif de translation entre deux points extrêmes dits point mort haut 5 et point mort bas 6 et délimite une chambre 7 d'un certain volume. Referring to the drawing, it can be seen that the piston 1 is housed in a cylinder 2 in which, in relation to a crankshaft (not shown) by means of a connecting rod 4, it is driven by an alternative movement of translation between two extreme points called top dead center 5 and bottom dead center 6 and delimits a chamber 7 of a certain volume.

Conformément au cycle à quatre temps, dans chaque cylindre 2 le piston 1 est tout d'abord chassé du point mort haut 5 au point mort bas 6, ce qui correspond à une phase 8 dite de détente consécutive à la combustion puis est ramené au point mort haut 5 pour chasser les gaz brûlés de la chambre de combustion 7 ce qui correspond à une phase 9 dite d'échappement. In accordance with the four-stroke cycle, in each cylinder 2 the piston 1 is first of all driven from top dead center 5 to bottom dead center 6, which corresponds to a phase 8 known as expansion following combustion, then is brought back to point dead high 5 to expel the burnt gases from the combustion chamber 7 which corresponds to a so-called exhaust phase 9.

Ensuite, il est à nouveau rappelé jusqu'au point mort bas 6 pour que la chambre 7 reçoive des gaz frais ce qui correspond à une phase 10 dite d'admission et enfin il est renvoyé au point mort haut 5 pour comprimer ces gaz frais ce qui correspond à une phase 11 dite de compression prédisposant l'ensemble pour une nouvelle détente 8' et ainsi de suite. Then, it is again recalled to bottom dead center 6 so that the chamber 7 receives fresh gases which corresponds to a so-called intake phase 10 and finally it is returned to top dead center 5 to compress these fresh gases this which corresponds to a so-called compression phase 11 predisposing the assembly for a new expansion 8 'and so on.

Pour assurer l'échappement et l'admission, à chaque chambre de combustion 7 sont raccordées une conduite d'échappement 12 et une conduite d'admission 13 dont le raccordement à la chambre 7 s'effectue sous le contrôle d'organes de distribution tels des soupapes d'échappement 14 et d'admission 15 qui sont appariées et coopérant chacune avec un siège 16 ou 17 que réalise l'orifice entre la chambre 7 et la conduite considérée 12 ou 13.  To ensure exhaust and intake, each combustion chamber 7 is connected to an exhaust pipe 12 and an intake pipe 13 whose connection to the chamber 7 is carried out under the control of distribution members such exhaust 14 and inlet 15 valves which are paired and each cooperating with a seat 16 or 17 formed by the orifice between the chamber 7 and the pipe considered 12 or 13.

Les soupapes d'échappement 14 sont commandées par une came 18 calée sur un arbre 19 lié en rotation avec le vilebrequin. The exhaust valves 14 are controlled by a cam 18 wedged on a shaft 19 linked in rotation with the crankshaft.

Sur les chemins 20 de chacune de ces cames 18 prend appui l'une des tiges 21 commandant chacune un des culbuteurs d'échappement 22 ou d'admission 23 qui, en contrariant l'action d'un ressort de rappel 24 ou 25, commande l'ouverture de la soupape d'échappement 14 correspondante. On the paths 20 of each of these cams 18 is supported one of the rods 21 each controlling one of the exhaust rockers 22 or intake 23 which, by counteracting the action of a return spring 24 or 25, controls the opening of the corresponding exhaust valve 14.

De manière connue, les cames 18 d'échappement peuvent être déterminées de manière que pendant le début 26 de la phase d'admission 10 la soupape d'échappement 14 soit maintenue ouverte. In known manner, the exhaust cams 18 can be determined so that during the start 26 of the intake phase 10 the exhaust valve 14 is kept open.

Par ce moyen communément dénommé croisement de soupapes, on crée un balayage des gaz brûlés de la chambre de combustion 7 et une certaine réfrigération des parois 2 de la chambre 7 et de la soupape d'échappement 14 à chaque fois que la pression dans la conduite d'échappement 12 est inférieure à celle qui est créée dans la conduite d'admission 13, par une machine 27 turbo-soufflante. By this means commonly known as valve crossing, a scavenging of the burnt gases from the combustion chamber 7 and a certain cooling of the walls 2 of the chamber 7 and of the exhaust valve 14 are created each time the pressure in the pipe exhaust 12 is less than that which is created in the intake pipe 13, by a turbo-blower machine 27.

Ce balayage en début dé la phase iO d'admission étant aléatoire, selon la caractéristique essentielle du procédé, objet de l'invention, on détermine les cames 18, des soupapes d'échappement 14 de manière qu'on maintienne la soupape d'échappement 14 légèrement ouverte pendant le début 27 de la phase de compression l1 ce par quoi c'est avec la pression due à ce début de compression que l'on propulse alors sur les parois de la soupape d'échappement 14 et de son siège 16 une partie des gaz frais qui ont été apportés au cours de la phase d'admission, auxquelles parois on fait ainsi subir non plus un simple balayage aléatoire mais un réel soufflage très efficace. This sweeping at the start of the intake phase iO being random, according to the essential characteristic of the method, object of the invention, the cams 18, of the exhaust valves 14 are determined so that the exhaust valve is maintained 14 slightly open during the start 27 of the compression phase l1 whereby it is with the pressure due to this start of compression that we then propel on the walls of the exhaust valve 14 and its seat 16 a part of the fresh gases which have been brought in during the intake phase, to which the walls are thus no longer subjected to a simple random sweep but to a real very effective blowing.

En effet, au début de la phase de compression, les gaz atteignent rapidement une pression nettement supérieure à celle qui, en toute hypothèse, règne dans la conduite d'échappement 12. In fact, at the start of the compression phase, the gases quickly reach a pressure markedly higher than that which, in any event, prevails in the exhaust pipe 12.

La partie des gaz admis qui est ainsi prélevée en début de compression alors même qu'ils sont encore à basse température, permet donc d'enlever les calories de surface.  The part of the admitted gases which is thus taken at the start of compression even when they are still at low temperature, therefore makes it possible to remove the surface calories.

Bien que, par souci de simplicité, l'invention ait été décrite dans son application à un moteur à quatre temps, elle se rapporte également-aux moteurs à deux temps qui sont munis de soupapes d'échappement que l'on maintient ouverte au début de la phase de compression, et ce, que l'admission des gaz frais soit, dans ces moteurs, obtenu à l'aide de lumièrés dégagées par le piston ou de soupapes d'admission. Although for the sake of simplicity, the invention has been described in its application to a four-stroke engine, it also relates to two-stroke engines which are provided with exhaust valves which are kept open at the start. of the compression phase, regardless of whether the intake of fresh gases is obtained in these engines by means of lights released by the piston or by intake valves.

Que le moteur fonction selon un cycle à deux ou quatre temps, l'homme de métier saura bien entendu doser l'importance de l'ouverture de la soupape d'échappement 14 et la durée de cette ouverture pour obtenir un soufflage efficace sans perdre pour autant une trop grande quantité de gaz frais. Whether the engine operates on a two- or four-stroke cycle, the skilled person will of course be able to balance the importance of the opening of the exhaust valve 14 and the duration of this opening to obtain an efficient blowing without losing for too much too much fresh gas.

Ainsi que cela ressort de l'exposé du procédé, les moyens en vue de la mise en oeuvre de ce procédé comprennent essentiellement des cames 18 d'échappement dont le chemin est déterminé pour commander une légère ouverture des soupapes d'échappement en début de phase de compression.  As is apparent from the description of the process, the means for implementing this process essentially comprise exhaust cams 18 whose path is determined to control a slight opening of the exhaust valves at the start of the phase compression.

Claims (3)

REVENDICATIONS 1. Procédé de refroidissement des soupapes d'échappement des moteurs alternatifs à combustion interne, et ce, que ces moteurs fonctionnent selon un cycle à deux ou quatre temps puisque dans les deux cas chacun de leurs cylindres (2) loge un piston (1) qui délimite une chambre (7) dans laquelle le piston correspondant est animé d'un mouvement alternatif de translation entre deux points extrêmes (5 et 6) dits point mort haut (5) et point mort bas (6), dont, pendant une phase (8) dite de détente et qui est consécutive à la combustion, une translation qui projette le piston du point mort haut (5) ers le point mort bas (6) et une translation qui, pendant la phase dite de compression, prédisposant l'ensemble pour une nouvelle phase (8') de détente, renvoie le piston au point mort haut, lesquelles phases de détente et de compression se déroulent entre deux autres phases, l'une d'évacuation des gaz brûlés de la chambre puis l'autre d'admission des gaz frais dans la chambre (7) par des conduites appropriées (12, 13) raccordées à la chambre sous le contrôle d'organes de distribution (14, 15) dont pour l'échappement au moins une soupape (14) controlant l'orifice de raccordement à la chambre (7) de la conduite (12) d'échappement et qui est commandée par une came d'échappement (18), 1. Method for cooling the exhaust valves of reciprocating internal combustion engines, and that these engines operate on a two or four stroke cycle since in both cases each of their cylinders (2) houses a piston (1) which delimits a chamber (7) in which the corresponding piston is driven by an alternating translational movement between two extreme points (5 and 6) called top dead center (5) and bottom dead center (6), of which, during a phase (8) called expansion and which is consecutive to combustion, a translation which projects the piston from top dead center (5) to bottom dead center (6) and a translation which, during the so-called compression phase, predisposes the together for a new expansion phase (8 '), returns the piston to top dead center, which expansion and compression phases take place between two other phases, one for evacuating the burnt gases from the chamber and the other fresh gas intake in the chamber (7) by pipes s appropriate (12, 13) connected to the chamber under the control of distribution members (14, 15) including for the exhaust at least one valve (14) controlling the orifice for connection to the chamber (7) of the exhaust pipe (12) which is controlled by an exhaust cam (18), lequel procédé est CARACTERISE en ce qu'on détermine les cames (18) de chacune des soupapes d'échappement (14) de manière qu'on maintienne la soupape d'échappement (14) légèrement ouverte pendant le début (27) de la phase de compression (11) ce par quoi c'est avec la pression due à ce début de compression que l'on propulse alors sur les parois de la soupape d'échappement (14) et de son siège (16) une partie des gaz frais qui ont été apportés au cours de la phase d'admission (10). which process is CHARACTERIZED in that the cams (18) of each of the exhaust valves (14) are determined so that the exhaust valve (14) is kept slightly open during the start (27) of the phase compression (11) what it is with the pressure due to this start of compression that we then propel on the walls of the exhaust valve (14) and its seat (16) a part of the fresh gases which were brought in during the admission phase (10). 2. Moyens en vue de la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1 caractérisés en ce qu'ils comprennent des cames d'échappement (18) déterminées de manière que c'est pendant le début (27) de la phase (11) de compression qu'elies soulèvent légèrement leur soupape d'échappement (14) pour laisser passer une partie des gaz frais apportés pendant la phase d'admission (10). 2. Means for implementing the method according to claim 1 characterized in that they include exhaust cams (18) determined so that it is during the start (27) of the phase (11) compression that they slightly raise their exhaust valve (14) to let pass a part of the fresh gases supplied during the intake phase (10). 3. Moteur caractérisé en ce qu'il comprend des cames d'échappement (18) selon la revendication 2.  3. Engine characterized in that it comprises exhaust cams (18) according to claim 2.