Brevet FR2568310A1 — publié le 19860131

La présente invention se rapporte à un disposi- tif de refroidissement de moteur, plus précisément, à un dispositif de refroidissement pour moteurs à un ou plu- sieurs piston(s) alternatif(s). Il existe déjà un grand nombre de types de mo- teurs à un ou plusieurs piston(s) alternatif(s) déjà con- nus du type possédant un cylindre qui présente une extré- mité intérieure et une extérieure. Un piston est monté à l'intérieur du cylindre et se déplace en translation en- tre une position de point mort haut et une position de point mort bas. Dans la position de point mort haut, l'extrémité supérieure ou extérieure du piston est étroi- tement adjacente à l'extrémité extérieure du cylindre, pour former ainsi une chambre de combustion relativement petite entre le sommet du piston et le sommet du cylin- dre. Inversement, dans sa position de point mort bas, la face supérieure du piston est-espacée du sommet du cylin- dre. Ainsi qu'il est bien connu dans la technique, lorsque le piston se trouve dans sa position de point mort haut, ce piston comprime un mélange carburant/air dans la chambre de combustion et ce mélange est ensuite enflammé par des moyens d'allumage classiques quelcon- ques. La détente des gaz résultant de cette inflammation refoule le piston vers sa position de point mort bas. Dans un moteur à deux temps, le mélange carburant/air est enflammé chaque fois que le piston se trouve dans sa position de point mort haut ou à proximité de cette posi- tion, tandis que, dans un moteur à quatre temps, le mé- lange carburant/air est enflammé à une sur deux des pha- ses ou le piston se trouve dans sa position de point mort haut ou à proximité de cette position. Dans ces moteurs connus antérieurement, l'in- flammation du mélange carburant/air contenu dans la cham- bre de combustion crée une forte charge thermique qui est transmise, non seulement au cylindre mais également au piston. Pour éviter les détériorations thermiques du cylindre et/ou du piston qui, autrement, endommageraient le moteur, il est nécessaire de dissiper ou d'évacuer cette chaleur du piston et du cylindre. Il existe deux types différents de dispositifs connus antérieurement pour refroidir le cylindre et le piston du moteur, plus précisément, un dispositif refroi- di par l'air et un dispositif refroidi par liquide. Dans le dispositif refroidi par l'air, une pluralité d'ailet- tes conductrices de la chaleur sont fixées au cylindre et font saillie sur ce cylindre vers l'extérieur. Ces ai- lettes forment un puits de chaleur qui transmet la cha- leur du cylindre et du piston aux ailettes et, finale- ment, au flux d'air qui circule entre les ailettes. Bien que ces moteurs refroidis par l'air connus antérieurement soient appropriés pour un grand nombre d'applications, le flux d'air qui lèche les ailettes de refroidissement est insuffisant dans de nombreux cas pour assurer la dissipation de chaleur désirée. En ou- tre, ces ailettes de refroidissement connues antérieure- ment sont lourdes et d'une construction encombrante, ce qui les rend mal appropriées pour les applications dans lesquelles le poids est critique, telles que les moteurs d'avions, o le poids du dispositif de refroidissement est d'une importance critique. En outre, pour les moteurs multicylindriques re- froidis par air, ce dispositif ne constitue pas un dispo- sitif de transmission de chaleur efficace, comparative- ment à un échangeur de chaleur à ailettes bien conçu et, habituellement, ce dispositif exige des débits d'air de refroidissement beaucoup plus grands qu'un radiateur pré- vu pour un moteur équivalent refroidi par liquide, ce qui représente un accroissement de la traînée dans les applications aux avions. Alors qu'il est habituellement difficile d'obtenir une répartition uniforme du flux d'air de refroidissement sur un moteur multicylindrique refroidi par l'air, le moteur à refroidissement par li- quide élimine le problème de répartition du flux d'air, en améliorant ainsi l'uniformité du refroidissement en- tre les cylindres et ce mode de refroidissement contri- bue en outre à donner une solution à faible traînée. En outre, dans un cylindre refroidi par l'air, les profils typiques de température du métal ne sont pas uniformes, en raison de la variation du champ de circula- tion d'air de refroidissement autour du cylindre. Le résultat est que les températures du métal de la chambre de combustion peuvent varier considérable- ment et que les profils de température qu'on observe dans la région du fût du cylindre sont irréguliers, ce qui entraîne une ovalisation du cylindre pendant le fonc- tionnement du moteur et exige de plus grands jeux de fonctionnement entre piston et cylindre. Dans les moteurs refroidis par liquide déjà con- nus, une enveloppe ou une double paroi de réfrigérant en- veloppe l'extrémité extérieure du cylindre et se prolon- ge le long des côtés du cylindre, jusqu'à un point situé au-dessous de l'extrémité intérieure du piston lorsque le piston se trouve dans sa position de point mort haut. fin réfrigérant, tel que de l'eau, du glycol ou équiva- lent, est refoulé à travers la double paroi de refroidis- sement de telle manière que les quantités de chaleur dé- gagées par le cylindre et par le piston soient transmi- ses au réfrigérant et soient dissipées en un autre en- droit par un échangeur de chaleur ou d'autres moyens de dissipation de la chaleur. Bien qu'ils soient d'un fonc- tionnement efficaceL ces dispositifs de refroidissement connus antérieurement sont d'une construction relative- ment lourde, parce que la double paroi de refroidisse- ment se prolonge vers le bas le long des côtés du cylin- dre et jusqu'au-dessous de l'extrémité intérieure du pis- ton lorsque ce dernier se trouve dans sa position de pcint mort haut et, 7requemment, sur toute la longueur du cylindre. Sur les moteurs multicylindriques refroidis par liquide, la double paroi d'eau enveloppe normalement toute une rangée de cylindres. De cette façon, ces dispo- sitifs de refroidissement connus antérieurement sont in- désirables pour les applications dans lesquelles le poids est critique, comme dans les moteurs d'avions. La présente invention a pour objet un disposi- tif de refroidissement pour un moteur à un ou plusieurs piston(s) alternatif(s) qui élimine les inconvénients qui ont été mentionnés plus haut à propos des disposi- tifs connus antérieurement. En bref, le dispositif de refroidissement selon la présente invention comprend une enveloppe ou une dou- ble paroi de réfrigérant qui enveloppe l'extrémité exté- rieure du cylindre dans la région de la chambre de com- bustion et se prolonge vers le bas le long d'une partie de la longueur du cylindre. Toutefois, à la différence des dispositifs connus antérieurement, la double paroi de réfrigérant se termine en un point situé en retrait par rapport à l'extrémité intérieure du piston lorsque ce piston se trouve dans sa position de point mort haut, ce qui laisse la partie inférieure du cylindre libre de la double paroi de réfrigérant, et a pour résultat un dispositif de refroidissement léger mais efficace. Un passage de réfrigérant présentant une entrée et une sortie est formé dans l'enveloppe et à travers cette enveloppe. Une pompe envoie le réfrigérant sous pression à l'orifice d'entrée, le fait circuler dans les passages, o de la chaleur est transmise de la chambre de combus- tion et de la région de l'orifice d'échappement au réfri- gérant, et le fait sortir par l'orifice de sortie, o le réfrigérant est dirigé vers un échangeur de chaleur dans lequel la charge thermique est dissipée par des moyens classiques. Selon une caractéristique de l'invention, la partie inférieure du cylindre qui n'est pas entourée par la double paroi de réfrigérant est refroidie par le jet pulvérisé projeté par une buse d'huile contre le dôme du piston. Une buse d'huile est montée dans le carter de vi- lebrequin du moteur de manière qu'un jet d'huile soit di- rigé contre la surface interne du dôme du piston. Ce jet d'huile constitue le mécanisme de refroidissement princi- pal de la partie inférieure du cylindre et il complète le refroidissement du piston. La chaleur dégagée par la paroi du cylindre et par le piston est transmise à l'hui- le et, finalement, à un échangeur de chaleur dans lequel la charge thermique est dissipée par des moyens classi- ques. La présente invention est donc avantageuse en ce sens que l'enveloppe ou la double paroi de réfrigé- rant ne s'étend le long du cylindre que sur une distance relativement courte, en réduisant ainsi à un minimum le poids de la double paroi. En pratique, ce principe de double paroi de re- froidissement, en combinaison avec le refroidissement par l'huile du cylindre et du piston s'est révélé consti- tuer un procédé efficace de maîtrise de l'évacuation de la chaleur du moteur. Le principe s'est révélé être plus léger qu'un cylindre équivalent refroidi par l'air, avec une plus grande uniformité de refroidissement aussi bien dans la chambre de combustion que dans le cylindre. L'uniformité des profils de température sur la circonfé- rence et sur la longueur de la partie inférieure du fût du cylindre est notablement améliorée, comparativement à ce qu'on observe dans un cylindre équivalent mais refroi- di par l'air. En outre, l'invention permet de se conten- ter de jeux plus faibles entre piston et cylindre et elle améliore la durée de vie des éléments grâce à l'amé- lioration de l'uniformité du refroidissement, comparati- vement à un cylindre équivalent mais refroidi par l'air. - 2568310 Pour mieux faire comprendre l'invention, on don- nera ci-après une description détaillée en regard des dessins annexés, sur lesquels les éléments qu'on retrouve sur les différentes figures sont désignés par les mêmes numéros de référence. Sur ces dessins; la figure 1 est une vue en coupe longitudinale qui illustre une forme préférée de réalisation de la pré- sente invention, et sur laquelle le piston se trouve dans sa position de point mort haut; la figure 2 est une vue partielle analogue à la figure 1 et qui illustre le piston dans sa position de point mort bas; la figure 3 est une vue en coupe prise sensible- ment selon la ligne 3-3 de la figure 1; et la figure 4 est une vue schématique illustrant le bilan thermique de la forme préférée de réalisation de l'invention. On se reportera tout d'abord à la figure 1 sur laquelle on a représenté une partie d'un moteur à combus- tion interne à un ou plusieurs piston(s) alternatif(s) comprenant un carter de vilebrequin 12. Au moins un cylindre 14 est fixé au carter de vilebrequin 12 et s'étend vers l'extérieur sur ce carter. Ainsi qu'on l'a représenté le plus clairement sur les figures 1 et 3, le cylindre 14 est de forme générale tubulaire cylindrique, de sorte qu'il présente un alésage cylindrique 16 et une extrémité intérieure 53 fixée au carter de vile- brequin 12. Comme on peut le voir en se reportant mainte- nant aux figures 1 et 2, un piston 18 est monté à l'inté- rieur du cylindre 14, et ses segments 19 s'appuient à joint étanche contre la paroi de l'alésage 16 du cylindre. Le piston 18 peut se déplacer entre une position de point mort haut représentée sur la figure 1, dans laquel- le il est positionné à proximité de l'extrémité extérieu- re 20 du cylindre et une position de point mort bas re- présentée sur la figure 2, et dans laquelle il est espa- cé de l'extrémité extérieure 20 du cylindre 14. Comme on le voit en se reportant maintenant plus particulièrement à la figure 1, une culasse 22 est fixée au cylindre 14 par des moyens classiques quelcon- ques, par exemple par un assemblage vissé 24. La culasse s'étend en travers de l'extrémité extérieure ouverte 20 du cylindre 14 et recouvre cette extrémité, en formant une chambre de combustion 26 entre elle-même et le som- met ou l'extrémité la plus extérieure du piston 18, lors- que ce piston 18 se trouve dans sa position de point mort haut (figure 1). Des soupapes classiques 30 sont agencées dans la culasse 22 pourl'admission du mélange carburant/air dans la chambre de combustion 26 ainsi que pour l'échappement des gaz de combustion de la chambre de combustion 26. Le moteur tel qu'il a été décrit jusqu'à pré- sent est de construction classique. Toutefois1 à la dif- f rence des moteurs connus antérieurement, la culasse 22 comprend une partie 32 qui se prolonge vers le bas le long de la surface externe du cylindre 14. L'extrémité intérieure 34 de cette culasse 32 se termine en retrait par rapport à l'extremtité intérieure 36 du piston 18 lorsque le piston 18 se trouve dans sa position de point mort haut (figure 1). Comme on peut le voir en se reportant mainte- nant aux figures 1 et 2, un passage 40 présentant une en- trée 42 (figure 1) et une sortie 44 est formé à travers la culasse 22 et la partie 32 de la culasse qui se pro- longe vers le bas. Une pompe 46 est reliée à l'entrée 42 pour la circulation du fluide par des moyens classiques qui sont tels que, lorsque la pompe 46 est en action, un r-frigrant liquide pénètre dans l'entrée 42, circule dans le passage 40 et sort par la sortie 44 pour aboutir à un disposi.tif 42 de dissipation de la chaleur tel qu'un radiateur. En onctionnement la chaleur provenant 256831-0 de la culasse 22, de l'extrémité extérieure du cylindre 14 et du piston 18 est donc transmise par conduction thermique au réfrigérant qui circule dans le passage 40. En outre, le passage 40 encercle la soupape contenue dans la culasse 22, et assure un refroidissement adéquat de la chambre de combustion 26. Le principal avantage du dispositif de refroi- dissement de moteur selon la présente invention consiste en ce que la partie 34 de la culasse dans laquelle est formé le passage de réfrigérant 40 se termine en retrait par rapport à l'extrémité intérieure 36 du piston 18 lorsque le piston 18 se trouve dans sa position de point mort haut. On a constaté qu'il était inutile de prolon- ger le passage de réfrigérant 40 sur toute la longueur du cylindre 14,et même sur toute la longueur du piston 18 situé dans sa position de point mort haut, et qu'on obtenait cependant un refroidissement adéquat du cylin- dre 14 du moteur et du piston 18. La présente invention permet donc de réaliser un dispositif de refroidissement par liquide pour un moteur à combustion interne qui est efficace en fonctionnement et cependant d'une construc- tion légère. La présente invention est particulièrement bien appropriée pour les applications dans lesquelles le poids est critique, telles que les moteurs d'avions. En se reportant maintenant à la figure 1, on voit que, dans une forme préférée de réalisation de l'in- vention, une buse de pulvérisation d'huile 50 est fixée au carter de vilebrequin 12 au-dessous du cylindre 14. La buse de pulvérisation 50 est reliée à un circuit de lubrification à huile 51 et elle est orientée de manière que son jet frappe l'extrémité intérieure 36 du piston 18. Lorsque l'huile sortant de la buse 50 frappe l'extré- mité intérieure du piston 18, la chaleur dégagée par le piston 18 est transmise à l'huile. De même, la chaleur dégagée par la partie inférieure 53 du cylindre 14 est transmise à l'huile par conduction, par l'intermédiaire du piston 18. L'huile chauffée est recueillie dans la partie inférieure du carter de vilebrequin, d'o elle est ensuite dirigée vers un échangeur de chaleur pour y être refroidie. La buse d'huile 50 assure donc un refroi- dissement adéquat de la partie intérieure 53 du cylin- dre, qui n'est pas entourée par la double paroi de réfri- gérant 32, et elle complète le refroidissement du piston 18. La figure 4 est une représentation schématique du bilan thermique du moteur. Le bloc 100 symbolise la chaleur dégagée par la chambre de combustion 26 ainsi que celle résultant du frottement; ces quantités de cha- leur sont transmises au fût ou cylindre dans une phase 102 et, ensuite, au réfrigérant dans une phase 104. In- versement, seule une partie de la chaleur dégagée par le segment de piston 19 ou résultant du frottement du pis- ton dans la phase 106 est transmise au réfrigérant par l'intermédiaire de la phase 102, tandis que le reste de cette chaleur est transmis, dans une phase 108, à la partie du cylindre située au-dessous de l'extrémité 34 de la culasse 32. Sur la figure 4, on voit également que la cha- leur dégagée par la partie non refroidie du cylindre est transmise à la jupe du piston, dans la phase 109. Cette chaleur, ainsi que la chaleur émise au-dessous du dôme du piston, sont évacuées dans les phases 110 et 112, par l'huile projetée par la buse d'huile 50. Il ressort de ce qui précède que la présente in- vention a pour objet un dispositif de refroidissement par liquide pour moteurs à combustion interne à un ou plusieurs piston(s) alternatif(s) qui est efficace et d'une construction légère et qui est donc ainsi particu- lièrement bien approprié pour les applications dans les- quelles le poids est critique. Il va de soi que de nombreuses modifications pourront être apportées à l'invention par l'homme de l'art sans pour cela sortir de son cadre. 2568 3 1 0 il R E V E N D I C A T I O N S 1 - Dispositif de refroidissement pour moteurs à un ou plusieurs piston(s) alternatif(s) du type compre- nant une double paroi de réfrigérant séparée pour chaque cylindre (14), au moins un cylindre ayant une extrémité intérieure (53) fixée à un carter de vilebrequin (12), un piston (18) possédant une extrémité intérieure (36) et une extrémité extérieure, ledit piston étant mobile en coulissement alternatif à l'intérieur dudit cylindre, entre une position haute, dans laquelle l'extrémité exté- rieure du piston (18) est adjacente à une extrémité exté- rieure dudit cylindre, et une position basse, dans la- quelle ledit piston est espacé de l'extrémité supérieure du cylindre, ledit dispositif de refroidissement étant caractérisé en ce qu'il comprend: une double paroi de réfrigérant (32) qui enve-r loppe l'extrémité ext.rieure dudit cylindre (14) et se prolonge vers l'extrémité intérieure (53) dudit cylin- dre, ladite double paroi de réfrigérant étant dimension- née de telle manière que son extrémité intérieure (34) soit espacée axialement vers l'extérieur de ladite extré- mité intérieure (36) dudit piston (18) lorsque ce piston se trouve dans sa position haute, un passage de fluide (40) formé dans ladite dou- ble paroi de réfrigérant (32), ledit passage présentant une entrée (42) et une sortie (44), des moyens (46) servant à refouler un réfrigé- rant liquide dans ladite entrée (42) de telle manière que ce réfrigérant circule dans ledit passage (40) et en sorte par ladite sortie (44). 2 - Dispositif de refroidissement selon la re- vendication 1, caractérisé en ce que ledit moteur com- prend des soupapes (30) prévues à l'extrémité extérieure dudit cylindre 14) et en ce que ledit passage (40) en- cercle également lesdites soupapes. 3 - Dispositif de refroidissement selon la re- vendication 1, caractérisé en ce que ledit moteur com- prend un circuit de lubrification,avecdes moyens (50) qui pulvérisent une partie du lubrifiant du circuit de lubri- fication contre l'extrémité intérieure (36) dudit piston (18). 4 - Dispositif de refroidissement selon la re- vendication 3, caractérisé en ce que lesdits moyens de pulvérisation (50) comprennent une buse de pulvérisation (50) montée dans le carter de vilebrequin (10) dans une position adjacente à l'extrémité intérieure (53) dudit cylindre.