Brevet FR2459366A1 — publié le 19810109

L'invention est relative aux machines à pistons libres comportant des cylindres moteurs munis de lumières d'admission et d'échappement et dans lesquels se déplacent des pistons moteurs, munis de segments coopérant avec les lumières et soli- S daires de pistons compresseurs dont les déplacements compriment de l'air. L'invention trouve une application particulièrement importante, bien que non exclusive, dans les machines à pistons libres constituant des autog(nérateurs fournissant des gaz à pression et température élevées à une turbine. L'un des facteurs qui limitent les performances d'une telle machine et sa durée de fonctionnement entre opérations d'entretien est la tenue en température des composants délimitant les chambres de combustion dans les cylindres. En particulier, le segment de tête des pistons moteurs subit des contraintes thermiques très élevées. A l'instant o ce segment de tête commence à découvrir les lumières d'échappement, un jet de gaz brûlant s'échappe, balaie le segment de tête, le porte à haute température et carbonise l'huile de lubrification. On retrouve un problème similaire dans les moteurs Diesel à deux temps, mais moins aigu et surtout se traduisant par une surchauffe de l'arête des lumières d'échappement plutôt que du segment de tête. Il est donc plus facile à résoudre dans un moteur Diesel, par exemple par circulation d'un fluide de refroi- dissement autour des chemises dans lesquelles sont pratiquées les lumières d'échappement. L'invention vise à fournir une machine à pistons libres dars laquelle l'échauffement du segment de tête des pistons moteurs est ramené à un niveau acceptable et ceci de façon simple. Pour cela, l'invention profite du fait que, dans une machine à pistons libres, on dispose d'air à température modérée et sous une pression supérieure à celle qui règne dans le collecteur d'échappement. Suivant l'invention, le cylindre moteur est muni d'un conduit d'amenée d'air provenant des cylindres compresseurs et placé de façon à fournir un jet d'air dirigé le long du piston moteur et vers la tête de celui-ci à l'instant o le piston commence à découvrir les lumières d'échappement. Ce jet d'air à température modérée remplit plusieurs fonctions: il refroidit les segments, et en particulier le segment de tête,et il apporte de l'huile aux segments. De plus, il est apparu qu'en dépit du fait que la pression de l'air est bien inférieure à celle qui règne dans le cylindre moteur à l'instant o s'ouvrent les lumières, le jet d'air dévie le jet de gaz brûlant provenant du cylindre moteur et l'éloigne des segments. Le conduit comprendra, pour chaque piston moteur coopérant avec des lumières d'échappement, au moi.ns un canal d'amenée par lumière. Tous (les canaux pourront être alimentés par une même chambre annulaire, reliée au réservoir d'air de balayage de la machine. On voit que la solution proposée ici n'est pas trans- posable au cas de moteurs Diesel o on ne dispose-pas d'une source d'air sous pression modérée, et de plus légèrement chargé en lubrifiant, la précompression dans le carter d'un moteur Diesel étant toujours insuffisante pour arriver au même résultat que dans l'invention. Un autre organe qui subit des contraintes thermiques importantes est constitué par la paroi du cylindre, en parti- culier en tête, là o elle est toujours découverte par le piston moteur. En règle générale, cette paroi sera constituée par une chemise emboîtée dans une pièce annulaire portant l'injecteur. Suivant un autre aspect de l'invention, le cylindre est muni d'un circuit de refroidissement comprenant un canal circulaire prévu entre l'anneau central et la chemise, faisant communiquer des canaux longitudinaux d'amenée de liquide réfrigérant et des canaux de retour alternés avec les canaux d'amenée dans le sens circonférentiel. En règle générale, chaque cylindre moteur est délimité par deux pistons dont les mouvements de rapprochement et d'écar- tement sont synchronisés. Dans ce cas, la paroi du cylindre comportera en général un anneau central dans lequel s'emboîtent deux chemises dont l'une est munie des lumières d'échappement et, l'autre, des lumières d'admission. Dans ce cas, le circuit de refroidissement de la paroi du cylindre comportera générale- ment des rainures longitudinales d'amenée de liquide de refroidissement le long de la chemise percée des lumières d'échappement, le canal circulaire pratiqué dans cette chemise, les rainures de retour, des trous d'évacuation depuis les rainures de retour vers un espace ménagé autour de l'anneau 24S9366 central, puis un système de canal et rainures associé symétrique- ment à la chemise munie des lumières d'admission. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit d'une machine qui en constitue un mode particulier de réalisation donné à titre d'exemple non limitatif. La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels - la figure 1 est un schéma de principe d'une fraction de machine à pistons libres, en coupe suivant un plan passant par l'axe du cylindre moteur - la figure 2 est un schéma à.grande échelle montrant les moyens de refroidissement des segments de tête et des chemises suivant le mode particulier d'exécution de l'invention. La machine montrée à titre d'exemple en figure 1 comporte un cylindre moteur 11 dans lequel sont placés deux pistons moteurs 12 à mouvements opposés faisant chacun partie d'un piston libre qui comporte, en plus du piston 12, un piston compresseur 13 se déplaçant dans un cylindre de compression 14. Les deux pistons libres sont reliés entre eux par un dispositif de synchronisation (non représenté) qui peut être de constitution connue. Dans la paroi du cylindre moteur sont ménagées une série de lumières d'admission d'air d'alimentation et de balayage du cylindre moteur 11 et une série de lumières 16 d'échappement 2' du cylindre moteur. Les lumières de chaque série sont régulière- ment réparties angulairement autour de l'axe de la paroi. Dans le plan médian transversal du cylindre moteur 11 est disposé au moins un injecteur de combustible 17 permettant d'introduire du combustible dans le cylindre moteur lorsque les pistons -12 sont au voisinage de leur point mort interne. Le piston compresseur 13 de chacun des pistons libres divise le cylindre 14 dans lequel il travaille en deux comparti- ments 18 et 19. Le compartiment interne 18 constitue un cylindre compresseur muni de soupapes d'admission et de refoulement. Le compartiment 19 peut constituer accumulateur pneumatique d'énergie de retour ou constituer également cylindre compresseur, auquel cas il doit également être muni de soupapes. Plusieurs unités comportant chacune deux pistons libres 13 peuvent être associées dans une configuration tandem ou, mieux encore, multi-tandem. On pourra par exemple se reporter aux brevets US 3 669 571 et FR 78 19340 appartenant au titu- laire de la présente demande pour trouver des exemples de réalisation de telles machines multi-tandem. Sur la figure 2, o ne, sont représentés qu'une fraction du cylindre moteur 11 et le piston moteur 12 qui coopère avec les lumières d'échappement 16, on voit que le piston 12 comporte un segment de tête 20 suivi de trois segments supplémentaires 21 qui seront appelés "segments arrière". La paroi du cylindra 11 dans lequel se déplacent les pistons moteurs 12 comprend un anneau central 22 dans lequel sont emboîtées deux chemises 23, solidarisées de l'anneau central par des structures comprenant des goujons 26. La chemise 23 dans laquelle sont ménagées les lumières d'échappement 16 est fixée à une culotte d'échappement 24 par des boulons non repré- sentés. Des joints toriques 25 assurent l'étanchéité de la liaison. Un bâti 27 en plusieurs pièces assemblées assure la cohésion de l'ensemble. Comme on l'a indiqué plus haut, le piston 12 découvre progressivement les lumières d'échappement 16 lors de son mouve- ment de recul à partir du point mort interne. Lorsqu'il atteint la position dans laquelle il est montré en figure 2, un-jet de gaz à haute température et pression élevée (gaz à une température comprise entre 700 et 800DC sous 14 bars dans un cas typique) tend à s'échapper suivant la direction indiquée par la flèche f. Suivant l'invention, l'effet de ce jet de gaz chaud est contrecarré en introduisant de l'air à plus basse température par un conduit. Dans le mode de réalisation illustré, ce conduit comporte, pour chacune des lumières 16, un canal 28 ménagé dans une portion renflée de la chemise 23, débouchant dans la partie arrière de la lumière 16 (c'est-à-dire à l'opposé de l'arête 29 qui est la première découverte par le piston) et avantageuse- ment dirigé vers cette arête. Tous les canaux 28 sont alimentés par une même chambre annulaire de distribution 30 délimitée par la culotte 24 et une bride 31, qui reçoit de l'air provenant du réservoir de balayage (luimême alimenté par les cylindres compresseurs 18) par l'intermédiaire d'une tubulure 32. Les canaux 28 auront une inclinaison relativement faible sur l'axe des cylindres, par exemple comprise entre 10 et 20 . Des valeurs représentatives, lorsque les gaz d'échappe- ment sont à une pression de 14 bars au cours de la phase ini- 24S9368 tiale de l'échappement, sont les suivantes: la pression et la température dans le collecteur d'échappement alimenté par les culottes sont respectivement de l'ordre de 6 bars et 5000C. L'air de balayage chargé d'huile est à une pression d'environ 6,5 bars et à une température d'environ 2100C. On constate que, bien que la pression de l'air ne soit que faiblement supérieure à celle de la pression dans le collecteur d'échappement et soit nettement inférieure à celle des gaz brûlants au cours de la phase initiale de l'échappement, l'air n'endévie pas moins les gaz chauds, qui passent de l'orientation indiquée par la flèche f à une orientation qui peut être représentée par la flèche f1. Cette déviation participe encore à la protection du segment de tête 20. Le cylindre montré en figure 2 comporte également un circuit de refroidissement des chemises évitant la surchauffe de celles-ci, notamment dans la partie proche de l'anneau central. Ce circuit comporte, à partir de l'extérieur vers le centre, un passage annulaire 33 alimenté en eau de refroidisse- ment par un embout 34 et ménagé entre la partie arrière de la chemise 23 et une virole 35 qui en est solidarisée, à l'arrière de la partie renflée de la chemise. Le passage 33 communique, par des trous 36 percés parallèlement à l'axe dans la partie renflée de la chemise, avec un second espace annulaire 37 ménagé entre la chemise et un anneau 38 qui en est solidarisé- De cet espace annulaire, l'eau de refroidissement s'écoule, en balayant au passage les tirants 26, vers des canaux 39, constitués par des rainures découpées dans la paroi externe de la chemise 23. Ces canaux sont reliés par un canal circulaire de circulation 40 découpé à proximité immédiate de la partie terminale de la chemise. Des canaux de retour 41, plus courts que les canaux 39 et disposés entre eux, permettent à l'eau de refroidissement de revenir vers des trous 42 d'évacuation vers un espace 43 ménagé entre l'anneau central 22 et le bâti 27. L'eau de réfrigération s'écoule, à partir de l'espace 43 vers un raccord d'évacuation, suivant un trajet symétrique de celui qu'elle a suivi le long de la chemise 23. Le trajet de l'eau de réfrigération, qui peut d'ailleurs être remplacée par un autre liquide, est celui indi- qué par des flèches en tirets sur la figure 2. 6 2459366 REVENDICATIONS 1. Machine à pistons libres comportant au moins un cylindre moteur muni de lumières d'admission et d'échappement et dans lequel se déplacent des pistons moteurs. munis de segments coopérant avec les lumières et solidaires de pistons compresseurs dont les déplacements compriment de l'air, caractérisée en ce que le cylindre moteur est muni d'un conduit d'amenée d'air provenant des cylindres compresseurs et placé de façon à fournir un jet d'Air dirigé au moins le long du piston moteur coopérant avec les lumières d'échappement et vers la tête de celui-ci à l'instant o le piston commence à découvrir les lumières d'échappement. 2. Machine suivant la revendication 1, caractérisée en ce que le conduit comprend, pour chaque piston moteur coopé- rant avec des lumières d'échappement, au moins un canal d'amenée par lumière. 3. Machine suivant la revendication 2, caractérisée en ce que tous les canaux sont alimentés par une même chambre annulaire reliée au réservoir d'air de balayage dela machine. 4. Machine suivant la revendication 2 ou 3, carac- térisée en ce que les canaux sont orientés vers l'arête des lumières d'échappement qui est la première découverte par le piston. 5. Machine suivant la revendication 2, 3 ou 4, caractérisée en ce que les canaux ont une inclinaison sur l'axe des pistons comprise entre 10 et 200. 6. Machine suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le cylindre moteur est muni d'un circuit de refroidissement comprenant un canal circulaire faisant communiquer der canaux longitudinaux d'amenée de liquide réfrigérant au long des chemises et des canaux de retour de liquide réfrigérant, alternés avec les canaux d'amenée dans le s.ens circonférentiel. 7. Machine suivant la revendication 6, dans laquelle chaque cylindre moteur est délimité par deux pistons dont les mouvements de rapprochement et d'écartement sont synchronisés et dont la paroi comporte un anneau central dans lequel s'emboîtent deux chemises dont l'une est munie des lumières d'échappement et, l'autre, des lumières d'admission, caractérisée en ce que le circuit de refroidissement comporte des rainures 7 2459366 longitudinales d'amenée de liquide de ref'roidissement le long de la chemise percée des lumières d'échappement, le canal circu- laire pratiqué dans cette chemise, les rainures de retour, les trous d'évacuation depuis les -rainures de retour vers un espace ménagé autour de l'anneau central, puis un système de canal et rainures associé à la chemise munie des lumières d'admission, symétrique du système de l'autre chemise.