Brevet FR2319014A1 — publié le 19770218

La présente invention a pour objet un moteur à combustion à deux temps, notamment applicable dans les domaines de la construction automobile et apparentés. A l'heure actuelle, les constructeurs de moteurs à combustion interne ont à satisfaire des exigences nées d'impératifs légaux ou économiques, en particulier sur le plan de la pollution ou de la consommation de carburant. En effet, de ce point de vue, la plupart des moteurs actuellement en service ne s'avèrent guère satisfaisants. Ainsi, les moteurs à quatre temps les plus répandus ont en général une régularité cyclique médiocre, ce qui nécessite la multiplication du nombre des cylindres. Des pertes mécaniques non négligeables sources de surconsommation résultent en outre de la wésence de nombreuses pièces à mouvements alternatifs,piècesqui, par ailleurs sont sources de vibrations et de bruit et nécessitent des réglagesprés sous peine d'incidents. De plus, ces moteurs sont polluants en raison de leur diagramme de distribution qui prévoit des angles d'avance à l'ouverture et de retard à la fermeture des soupapes, leur caractère polluant étant souvent aggravé par des réglages défectueux et un mauvais état des soupapes et de leurs sièges. Par ailleurs, ces moteurs ne permettent pas une grande diversification selon les catégories de véhicules , il sont en effet, aux prix près des différences entre les quantités de matériaux utilisés,aussi coûteux à usiner et assembler quelle que soit leur cylindrée. L'abaissement du taux de pollution et de la consommation de ces moteurs à quatre temps sont techniquement réalisables, mais au détriment du prix de revient, du coût d'entretien ou du rendement thermodynamique de ces moteurs. Ainsi, les moteurs à carburation préalable, y compris ceux munis de dispositifs dits à injection, ne fonctionnent de façon satisfaisante que si le rapport du carburant et de l'air admis et comprimés est compris dans les limites d'une plage étroite et nécessitent donc des réglages très précis des dispositifs de distribution, d'alimentation et d'allumage. Par ailleurs, pour éviter l'émission de produits pol luants, en particulier de produits anti-détonants , tels que le plomb tétraéthyle, on est conduit soit à abaisser le rapport volumétrique de compression et, par la meme, le rendement ther modynamique, soit à produire des carburants suffisamment indé tonants non dopés ce. qui entraine des frais de recherche et d'investissement importants Enfin, les- émissions polluantes, outre le plomb tétraéthyle, comprennent du monoxyde de carbone, des hydrocarbures incomplètement brûlés et des oxydes d'azote, ce qui rend particulièrement complexes les solutions aux problèmes de l'épuration des gaz d'échappement et de l'utilisation optimale du carburant. Aussi, la présente invention se propose de fournir un moteur à combustion interne à deux temps évitant les inconvénients précités des moteurs actuellement en service, plus précisément un moteur à combustion interne à deux temps du type comportant au moins, un piston dont la tête présente une partie saillante formant déflecteur, un cylindre ayant des lumières distinctes pour l'admission et pour l'échappement reliées à des circuits d'alimentation et d'échappement, une culasse délimitant avec le piston et le cylindre une chambre de combustion pourvue d'un organe d'allumage, une soufflante reliée à au moins une lumière d'admission et un organe de commande du débit d'un premier fluide, dit carburant, admis. Un moteur de ce type présente l'avantage d'etre de conception simple tout en restant dans le champ des techniques de fabrication actuellement utilisées donc peu coûteux à mettre au point et à produire. Par ailleurs, ce moteur ne comporte pas de pièces en mouvement alternatif nécessitant des réglages précis ; il est donc indéréglable et économique d'entretien. A ces avantages connus des moteurs à combustion interne à deux temps, la présente invention a pour but d'adjoindre une consommation en carburant et une émission polluante réduites , un bon rendement thermodynamique, la faculté d'utiliser un carburant tel que ceux élaborés par les installations de raffinage existantes et l'aptitude à recevoir des dispositifs convertisseurs de couple simplifiés. Ce but est atteint par un moteur du type cavant mentionné dans lequel, conformément à l'invention, le cylindre comporte au moins une première lumière pour l'admission en carburant située dans une zone, dite première zone, de la paroi du cylindre sensiblement opposée à celle, dite seconde zone, comportant la, ou les, lumière d'un second fluide, dit comburant, situé dans, ou à proximité, de ladite seconde zone de la paroi du cylindre et reliée à la soufflante, laquelle délivre le comburant sous une surpression variable en fonction de la différence entre les couples mécaniques moteur et résistant, et la partie saillante de la téte du piston comporte un évidement délimitant, avec une zone de la culasse pourvue de organe d'allumage, la chambre de combustion, lorsque le piston est au point mort haut. Ainsi apparat un premier avantage du moteur conforme à l'invention, avantage qui réside notamment dans le fait que le balayage étant effectué par des lumières situées d'un côté du cylindre o p p o s é à celui où le carburant est admis, il ne se produit pas de pertes de carburant dans le circuit d1échappe- ment lors de ce balayage, ce qui évite ainsi une surconsommation de carburant et une émission polluante d'hydrocarbures non brûlés. De préférence le balayage est effectué par deux lumières d'admission en comburant, de l'air, situées de part et d'autre de la lumière d'échappement. Par ailleurs, l'alimentation en comburant par soufflante permet d'obtenir un important frein moteur lorsque, à la retenue, on a une admission à plein de comburant tandis que celle de carburant est interrompue. Selon une première particularité du moteur conforme à l'invention, le circuit d'échappement comporte un dispositif obturateur susceptible de faire varier la section utile d'échap pement enfonçtion de la pression des gaz d'échappement, cette section et cette pression variant dans le même sens, ce dispositif obturateur étant, de préférence, asservi à commande du débit de carburant. Ainsi, on limite les pertes d'air qui pourraient se produire lors du balayage et on retient, lors des marches à allure réduite ou moyenne, une partie des gaz brûlés qui est donc recyclée. Selon une autre particularité du moteur conforme à l'invention, la partie saillante de la tête du piston est de forme cylindrique, comporte au moins un perçage débouchant, à une extrémité dans l'évidement de cette partie saillante et, a l'autre extrémité, dans la paroi latérale de cette dernière, et cette partie saillante pénètre, au point mort haut du piston, dans une cavité de la culasse munie de l'organe d'allumage po1lr forïilar une chambre de combustion de préférence sphérique.Ainsi la charge carburée est fractionnée en deux par la partie saillante du piston. avant que ce dernier atteigne le point mort haut, ce qui retarde la détonation , et l'on peut simplement utiliser un dispositif à incandescence comme organe d'allumage, d'où une économie et une simplification notables pour la construction et l'entretien du moteur. Selon encore une autre particularité de l'invention, la soufflante est entraînée au moyen d'un train planétaire monté à la sortie du moteur en amont du convertisseur de couple de manière à délivrer de l'air à une surpression variable en fonction de la différence entre les couples mécaniques moteur et résistant. D'autres particularités et avantages du moteur conforme à la présente invention ressortiront à la lecture de la description d'un mode particulier de sa réalisation, description faite ci-après, à titre indicatif mais non limitatif, en référence aux figures du dessin joint qui illustrent - figure 1 : une vue schématique unifilaire d'un moteur conforme à l'invention et de ses circuits d'alimentation et d'échappement; - figure 2 : une vue schématique détaillée du circuit d'échappement ; - figure 3 : une vue schématique en ccupe de la chambre de combustion du moteur illustré par la figure 1 ; et - la figure 4 : une vue schématique du dispositif d'entraînement de la soufflante. La structure du moteur conforme à 1'inversion sera tout d'abord expliquée de façon générale en référence à la figure 1. Ce moteur comprend au moins un cylindre 10 dont la paroi comporte une lumière d'admission ll de carburant, une lumière d'échappement 12 et deux lumières d'admission 13 de comburant, par exemple de l'air. Un seul cylindre est représenté, mais1 bien entendu, le moteur peut en comporter généralement plusieurs. Par ailleurs, les lumières 11, 12 et 13 peuvent chacune etre constituée par une pluralité de lumières distinctes, voisines et branchées en parallèle. La lumière d'admission de carburant 11 est sensiblement diamétralement opposée à celle d'échappement 12, tandis que les lumières d'admission d'air 13 sont disposées de part et d'autre de celle d'échappement 12, à un niveau légèrement inférieur. Le circuit d'alimentation en carburant comporte un réservoir 20 à partir duquel le carburant, mis en pression limitée par une pompe 21 munie d'un clapet de décharge, parvient à un gicleur 22. Le débit de carburant du gicleur est'contrôlé par une aiguille 23 dont la position est commandée au moyen de l'accélérateur 24 par l'intermédiaire d'une liaison mécanique 25. Le carburant sortant du gicleur 22 pénètre dans le carter-moteur 26 où il se mélange aux vapeurs engendrées lors du fonctionnement du moteur puis traverse un manchon déshuileur 27 et un clapet anti-retour 28 avant d'atteindre la lumière d'admission 11. Le carburant pénetre dans le cylindre sans s'être mélangé à de l'air-, ce qui retarde au maximum les phénomènes d'oxydation générateurs de produits détonants ou favorisant la détonation.Par ailleurs, ce circuit d'alimentation permet un recyclage des gaz du carter. Le circuit d'alimentation en air comporte une soufflante 30 qui, entraînée par un train d'engrenages différentiel 31, délivre aux lumières 13, par des tubulures 30a, de l'air extérieur sous une surpression variable, de l'ordre de que laques 2 centaines de grammes par cm , fonction du couple mécanique pré- sent sur l'arbre de sortie 32 du moteur et du couple mécanique présent sur l'arbre d'entrée 33 d.'un convertisseur de couple. Le circuit d'échappement comporte un dispositif obturateur 40 monté sur le collecteur 41 et comprenant un organe obturateur, ou vanne 42, soumise d'une part, à l'action d'une timonerie 43 mécaniquement reliée à l'accélérateur 24 et d'autre part, à l'action d'un dispositif 44 sensible à la pression des gaz d'échappement. Lorsque l'accélérateur 24 est actionné, la timonerie 43 libère l'ouverture de la vanne 42 qui est alors soumise à l'action du dispositif 44. Par contre, à la décélération, la timonerie 43 tend à fermer la vanne 42.En aval de la vanne 42, le conduit d'échappement présente une partie terminale verticale 41a entourée par une gaine 45 thermiquement isolante pour conserver aux gaz d'échappement une température et une pression résiduelles élevées favorisant leur expulsion dans l'atmosphère et évitant leur stagnation au ras du sol après leur sortie, stagnation particulièrement nocive en milieu urbain. La figure 2 illustre plus en détail la chambre de combustion du moteur conforme à l'invention. Le piston 14 comporte sur sa tête 14a, une partie saillante cylindrique 14b, formant déflecteur, qui présente un évidement hémisphérique 14c formé à partir de sa face supérieure. La culasse 15 présente une cavité formée d'un logement cylindrique 15b, destiné à recevoir la partie saillante 14b du piston, et d'un évidement hémisphérique 15c. Lorsque le piston est au point mort haut (tel que représenté en traits pleins à la figure 2) sa partie saillante 14b est logée dans le logement correspondant 15b de la culasse, et les évidements 14c et 15c constituent une chambre de combustion sphérique. Un organe d'alumage 16 est disposé sur le fond de l'évidement hémisphérique 15c de la culasse 15. Des perçages 14d sont pratiqués dans la partie saillante 14b du piston. Ces perçages débouchent d'une part, sensiblement radialement dans l'évidement hémisphérique 14c et d'autre part, dans la paroi latérale de cette partie saillante 14b, Au-dessus de la tette 14a du piston et à proximité immédiate de cette dernière. Ainsi, lorsque la partie saillante 14b du piston pénètre dans le logement 15b, le piston étant alors à environ 600 de son point mort haut (tel que représenté en traits mixtes à la figure 2), la charge carburée est fractionnée en deux, une fraction étant contenue dans un premier espace délimité par la partie saillante 14b et la culasse 15 et l'autre fraction dans un second espace entre le piston 14 et le cylindre 10.Les per çages 14d permettent le passage des gaz contenus dans ce second espace lorsque le piston se déplace ensuite vers le point mort haut. Le fractionnement en deux de la charge carburée, avant que le piston atteigne le point mort haut recule la naissance du phénomène de détonation , En effet, la pression régnant dans le premier espace, dont le volume tend vers celui d'une sphère, augmente moins vite que celle régnant dans le second espace, dont le volume tend vers zéro. Cette particularité permet de réduire l'organe d'allumage à un dispositif à incandescence dont il ntest donc pas nécessaire d'asservir le fonctionnement mécaniquement. Toutefois,bien entendu, cet organe d'allumage pourrait être un dispositif à allumage commandé. Le retard du phénomène de détonation autorise de prévoir un rapport volumétrique élevé donc un bon rendement thermodynamique, ce qui est un facteur positif sur le plan de la consommation. Sur le plan de la consommation, on doit noter également que le passage des gaz de combustion par les perçages 14d engendre, dans la chambre de combustion, des turbulences favorisant la propagation de la flamme et donc une bonne combustion. Cette dernière est limitée à la chambre de combustion et ne peut se propager par les perçages 14d. La combustion est donc effcotuée dans la chambre de combustion, de façon progressive, dans des conditions très favorables, ce qui, d'une part, limite la consommation et, d'autre part, autorise l'emploi de carburants ayant un taux de richesse assez bas. Le balayage du cylindre est effectué par les lumières 12 et 13. L'échappement et l'admission ont lieu presque simulta nément, avec retard à la fermeture de l'échappement. A l'ouverture de la lumière d'échappement, il se pro duit une dépression dans le cylindre (balayage dit "induit" ou effet Atkinson), ce qui entraîne une perte d'air, perte toute fois limitée du fait de la contre pression à l'évacuation des gaz exercée par le dispositif obturateur 42. On notera que, la lumière d'échappement étant opposée à celle d'admission de carburant, la présence d'un déflecteur sur la tête dd piston et, en particulier, la disposition des lumiè-res d'admission d'air sous pression de part et d'autre de la lumière d'échappement évitent une perte de car burant lors du balayage, seul de l'air pouvant etre'åspiré" dans le conduit d'échappement lors du balayage. On évite ainsi une perte de carburant, facteur de surconsommation et de pollution dans les moteurs à deux temps connus. La figure 3 illustre plus en détail le circuit d'échap pement du moteur conforme à l'invention. Une canalisation 46 est montée en dérivation sur le collecteur 41 en amont de la vanne 42. Cette canalisation 46 débouche à une extrémité d'un cylindre 44a dans lequel est monté un piston 44b dont la tige traverse l'autre extrémité du cylindre et est relié mécaniquement à la vanne 42. L'accélérateur 24 étant. enfoncé, la timonerie 43 libère l'ouverture de la vanne 42 dont la position est alors déterminée.par le p i s t o-n.- 44b. Ce dernier reçoit une pression proportionnelle à celle des gaz dans le collecteur d'échappement 41 et agit sur la vanne 42 de manière à augmenter ou diminuer la section utile de passage du gaz d'échappement lorsque la pression de ces derniers augmente ou -diminue. La timonerie 43 comporte un doigt à son extrémité 43a coopérant avec une butée de la vanne 42 pour limiter le degré de liberté de la vanne 42 et par là même, la valeur maximale de la section utile d'échappement, cette valeur maximale étant d'autant plus grande que le débit de carburant commandé par l'accélérateur est plus élevé. La section utile d'échappement est déterminée, dans la limite de cette valeur maximale, par la pression des gaz d'échappement. La vanne 42 est mobileen rotation dans un logement 41b du collecteur 41 et est reliée à la timonerie 43 et au piston 44b à l'extarieur du collecteur 41. A la décélération, l'accélérateur 24 n'étant pas enfoncé, la timonerie 43 exerce sur la vanne 42 une action positive tendant à la fermer. Comme déjà mentionné,- la résistance au passage des gaz d'échappement exercée par la vanne 42 permet de limiter les pertes d'air lors du balayage, pertes qui, si elles étaient trop importan tes1 se feraient au détriment du remplissage du cylindre lors du cycle suivant. Par ailleurs, au cours de marches à allure réduite ou moyenne, le freinage de gaz d'échappement provoque la retenue d'une partie de ces derniers et donc un recyclage partiel de ces gaz, ce qui permet de réduire le caractère polluant généralement relativement élevé des gaz d'échappement lors de telles allures de marche. La figure 4 illustre le dispositif d'entrainement de la soufflante 30. Le train planétaire 31 est monté entre le moteur 50 et le convertisseur hydraulique de couple 51, lequel est relié à une boîte d'inversion de marche 52 comportant un dispositif de desaccouplage au point mort. Le train planétaire 31 comporte deux pignons coaxiaux 34, 35 montés respectivement sur l'axe 32 de sortie du moteur 50 et sur l'axe 33 d'entrée du convertisseur de couple 51.Des satellites longs 36 en nombre au moins égal à deux, engrenent avec les pignons 34 et 35 et entra4- nent une cage porte-satellites 37 Le pignon 35 transmet le mouvement au convertisseur de couple qui transmet un couple plus ou moins amplifié à la boîte 31, tandis que la cage porte-satellites 37 entraîne la soufflante 30, par exemple par courroie 38, avec multiplication. La cage porte-satellites 37 a un sens de rotation inverse du sens de rotation du moteur et tourne plus ou moins vite, toujours dans le même sens, selon que la différence est plus ou moins grande entre le couple moteur et le couple résistant. La soufflante 30 fonctionne donc à un régime constamment variable selon l'allure de marche du véhicule. Lorsque l'accélérateur 24 est enfoncé, et que le moteur fournit le couple moteur entraînant le véhicule, la vitesse de rotation de la soufflante est fonction de la différence entre le couple moteur fourni par le moteur et le couple résistant dû aux pertes mécaniques, au frottement des roues sur la chaussée, à la pente de cette dernière, etc... Lorsque l'accélérateur 9 n'est pas enfoncé, la vitesse de rotation de la soufflante est fonction de la différence entre le couple moteur entraînant le véhicule et résultant de l'inertie de ce dernier, et le couple résistant, dont un constituant est le couple résistant présent sur l'arbre de sortie du moteur. Comme déjà mentionné, à la décélération, l'alimentation en carburant est interrompue, mais pas l'alimentation en air, ce qui se traduit par un important frein-moteur. Par ailleurs, la suralimentation du moteur par la soufflante permet, même à bas régime, l'obtention de couples importants, ce qui autorise l'utilisation de convertisseurs de couple simplifiés, par exemple un convertisseur de couple de type hydraulique, connu en soie Bien entendu, l'utilisation de convertisseurs de couple mécaniques, par engrenages, n'est pas exclue. Dans le moteur conforme à l'invention, il est possible et avantageux de combiner l'emploi de carburants pétroliers usuels non dopés et un rapport volumétrique élevé, facteur d'un bon rendement thermodynamique, rapport que n autoriserait pas, dans les moteurs connus, l'emploi de carburants exempts d'additifs anti-détonants. Ceci est permis, comme déjà mentionné, du fait que le phénomène de détonation est retardé au maximum par I'admission directe dans le cylindre de carburant non mélangé à flair et par la conformation de la tête de piston permettant un fractionnement de la charge carburée, et ceci est favorisé par un circuit de refroidissement particulier.Aussi, avantageusement, le refroidissement du moteur conforme à l'invention est effectué non par thermo-siphon avec circulation de bas en haut par les chemises des cylindres, mais par pompe puisant le fluide de refroidissement au bas du radiateur pour l'envoyer, par la culasse, dans les chemises d'eau 53 des cylindres (figure 2) au bas desquelles ce fluide ressort pour être acheminé, par une conduite ascendante, au haut du radiateur. Le fluide froid exerçant d'abord un refroidissement de la chambre de combustion, la limite de détonation est encore reculée. Avantageusement, la structure du moteur conforme à l'invention permet de simplifier divers dispositifs annexes. Ainsi, la lubrification peut être réalisée par pompe puisant dans le carter du vilebrequin agencé en réservoir d'huile comme dans un moteur à quatre temps, ce qui permet de monter les parties tournantes et oscillantes du moteur sur coussinets, plus économiques que les roulements utilisés généralement à cet effet dans les moteurs connus à deux temps. Par ailleurs, aucun dispositif spécial n'est nécessaire pour la mise en marche à froid du moteur, l'admission à plein du carburant étant alors effectuée par enfoncement de l1accélérateur. Le moteur conforme à l'invention allie donc, aux avantages connus des moteurs à deux temps -simplicité de cons truction, admission et échappement par lumières donc moteur indé réglable, encombrement réduit, légèreté et fiabilité-, une con sommation et un taux de pollution réduits, unbon rendement ther modynamique, la possibilité d'utiliser des carburants non dopés, et des caractéristiques de couple et de puissance autorisant notam ment l'emploi de systèmes de transmission automatiques. REVENDICATIONS. 1. Moteur à combustion interne à deux temps comportant au moins un piston dont la tête présente une partie saillante formant deflecteur, un cylindre ayant des lumières pour l'admission et pour l'échappement reliées à des circuits d'alimentation et d'échappement1 une culasse délimitant avec le piston et le cylindre une chambre de combustion pourvue d'un organe d'allumage, une soufflante reliée à au moins une lumière d'admission, et un organe de commande du débit d'un premier fluide ou carburant, admis, caractérisé en ce que le cylindre comporte au moins une première lumière -our l'admission en carburant, située dans une zone, dite première zone, de la paroi du cylindre sensiblement opposée à celle, dite seconde zone, comportant la ou les lumière(s) d'échappement, et au moins une seconde lumière distincte de la première pour l'admission d'un second fluide ou comburant, située dans, ou à proximité, de ladite seconde zone de la paroi du cylindre et reliée à ladite soufflante, laquelle délivre le comburant sous une surpression variable en fonction de la différence entre les couples mécanique moteur et résistant, et.en ce que ladite partie saillante de la tête du piston comporte un évidement délimitant, avec une zone de la culasse pourvue de l'organe d'allumage, la chambre de combustion, lorsque le piston est au point mort haut. 2. Moteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le cylindre comporte au moins deux lumières d'admission de comburant situées de part et d'autre de la lumière d'échappement, 3. Moteur selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que ladite partie saillante formée sur la tête du piston a une forme cylindrique, peut pénétrer dans une cavité de la culasse pourvue de l'organe d'allumage, et comporte au moins un perçage débouchant à une extrémité dans l'évidement de cette partie saillante et à l'autre extrémité dans la paroi latérale de cette partie saillante, au-dessus de la tête du piston proprement dite 4.Moteur selon la revendication 3, caractérisé en ce que ladite cavité de la culasse comporte une partie cylindrique pour le logement de la partie saillante du pistonget définit avec l'évidement de cette dernière une chambre de combustion sensiblement sphérique lorsque le piston est au point mort haut. 5. Moteur selon l'une quelconque des revendications 3 et 4, caractérisé en ce que ledit organe d'allumage est un dispositif à incandescence. 6. Moteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le circuit d'échappement comporte un dispositif obturateur susceptible de faire varier la section utile d'échappement en fonction de la pression des gaz d'échappement, ladite section et ladite pression variant dans le même sens 7. Moteur selon la revendication 6, caractérisé en ce que ledit dispositif obturateur comporte un organe obturateur relié, d'une part, à des moyens sensibles à la pression des gaz d'échappement et, d'autre part, à l'organe de commande du débit de carburant, l'ouverture dudit organe obturateur étant libérée par ledit organet-5s commande du débit de carburant et d é t e r m i n ée par lesdits m o y e n s sensibles à la pression du gaz d'échappement. 8. Moteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le circuit d'alimentation en carburant comporte un dispositif d'alimentation à débit variable, tel qu'un gicleur, commandé par ledit organe de commande du débit de carburant et relié à ladite première lumière par l'intermédiaire du carter du moteur. 9. Moteur selon l'une quelconque des revendications C précédentes, caractérisé en ce que ladite soufflante,montée sur le circuit d'alimentation en comburant,est entraînée par un train d'engrenages différentiel et délivre le comburant sous une surpression variable en fonction de la différence entre les couples mécaniques présents en sortie du moteur et sur la transmission. 10. Moteur selon la revendication 9, caractérisé en ce que la soufflante est entraînée par l'intermédiaire d'un train planétaire monté à la sortie du moteur en amont dtn convertisseur de couple et comportant deux pignons coaxiaux montés respectivement sur l'arbre de sortie du moteur et sur l'arbre d'entrée du convertisseur de couple, au moins deux satellites reliant mécaniquement les pignons et portés par une cage reliée mécaniquement à ladite soufflante.