Brevet FR2380421A1 — publié le 19780908

La présente invention concerne un moteur à explosion à quatre temps et allumage extérieur dans lequel le mélange aircarburant se forme à l'extérieur d'un cylindre au moins. Elle concerne plus précisément un moteur à explosion de ce type dans lequel les soupapes d'admission et d'échappement sont disposées d'un même côté du cylindre, Un tel moteur est dit moteur à soupapes latérales, ou à culasse en "L". La chambre à turbulence de chaque cylindre est, dans ce moteur, constituée par un volume entourant les tetes des soupapes. Il est conçu pour permettre à la charge de prendre un mouvement n'ayant pratiquement qu'un seul tourbillon, l'axe central fictif du tourbillon étant sensiblement parallèle à l'axe du cylindre. La hauteur de la chambre à turbulence est, par un trait caractéristique, inférieure au diamètre maximal de celleci.Un canal de guidage, débutant sensiblement au-dessus du centre de la face du piston recueille les gaz sortant du volume intérieur du cylindre tandis que le piston s'approche de son point mort haut et les conduits selon une direction sensiblement tangentielle à la chambre de turbulence, ce qui provoque un mouvement tourbillonnaire de la charge comprimée autour d'un axe pratiquement unique tandis que celle-ci se trouve en cours ou à la fin de la course de compression du piston. L'agencement à soupapes latérales, dans un moteur à explosion à quatre temps, est on le sait démodé, surtout parce que la puissance spécifique et la consommation spécifique sont assez médiocres. De plus les gaz d'échappement contiennent une forte proportion de constituants indésirables tels que le monoxyde de carbone et divers constituants hydrocarburés. C'est pourquoi ce type de moteur est tombé dans l'oubli et même a été complètement abandonné dans certains domaines, l'industrie automobile par exemple. Ce type de moteur n'en est pas moins encore fabriqué en raison de son bas prix relatif; ces moteurs servent à entraîner des tondeuses à gazon, de petites génératrices électriques, des pompes, etc. Un des buts principaux de la presente invention est de fournir un moteur du type décrit ci-dessus, c'est-à-dire un moteur à soupapes latérales parfois désigné sous le nom de moteur à culasse en "L", amélioré de façon à posséder de clairs avantages comparativement aux moteurs dépourvus de chambres à turbulence (ou à tourbillons), en particulier parce qu' il possède un rendement thermodynamique élevé avec tous les avantages qui en découlent, et parce que la combustion s'y fait de façon très complète de sorte que ledit moteur n'expulse qu'une proportion relativement faible de constituants toxiques dans les gaz d'échappement. Un autre but de l'invention est d'obtenir les résultats précédents en ne modifiant que légèrement le moteur de type connu de façon à ne pas augmenter les couts de production dans une mesure appréciable. Il-faut seulement, suivant l'invention, remodeler partiellement la culasse - qui est déjà simple. Ces buts ainsi que d'autres buts sont atteints, suivant l'inveneion, si l'on prévoit dans un moteur du type décrit plus haut que la culasse du cylindre (et/ou la face supérieure du piston) comporte une cavité en forme de canal qui devient un canal de guidage pour les gaz lorsque le piston se rapproche de son point mort haut ou l'atteint. Te canal de guidage se termine à peu près tangentiellement dans la chambre de turbulence et son étendue est définie par la culasse et la face supérieure du piston. La profondeur et la section dudit canal peuvent toutes deux croître, depuis l'origine du canal située au-dessus et au voisinage du centre du piston, en se rapprochant de la chambre de turbulence.Le canal de guidage est disposé de façon à créer un écoulement gazeux rotatif dans la chambre de turbulence, écoulement dont l'axe est à peu près parallèle à l'axe longitudinal du cylindre. Cet écoulement rotatif se fait au plus tard quand le piston se déplace vers la fin de sa course de compression et s'en rapproche. La cavité en forme de canal pratiquée dans la culasse du cylindre et/ou dans le piston coopère avec la surface de la tête du piston qui approche et imprime une impulsion dirigee au mélange air-carburant qui se rapproche de la chambre de turbulence et y pénètre. La configuration du canal de guidage est telle que, dans la chambre de turbulence, il apparait pratiquement un écoulement tourbillonnaire unique, l'axe du tourbillon étant sensiblement parallèle à l'axe du cylindre.Cet écoulement tourbillonnaire provoque une combustion rapide et les pertes dues à l'écoulement sont faibles pendant la course de compression et pendant l'expulsion du mélange des gaz brulés. En outre on peut faire fonctionner le moteur avec un mélange carburant-air étonnamment pauvre. De plus la fluctuation des courbes caractéristiques de pression d'un cycle à l'autre est faible en régime permanent. Le moteur selon la présente invention se distingue par une faible consommation de carburant, une puissance spécifique éle vée, et par la faible teneur en constituants toxiques des gaz d'échappement. De plus le moteur n' a pas tendance à cliqueter ou à cogner de sorte qu'il peut, tout en consommant des carburants ordinaires, fonctionner avec des rapports volumériques relativement élevés.La fabrication du moteur est cependant peu coûteuse. En outre les moyens de fabrication en série de moteurs thermiques à quatre temps ne comportant pas de- chambres de turbulence peuvent rapidement être transformés pour produire des moteurs thermiques selon l'invention, à un prix relativement bas puisque, dans le cas le plus simple, il faut simplement changer la pièce de fonderie formant la culasse du cylindre. On sait que les pistons à tête plate ont une surface minimale ae transfert de chaleur. On peut donc avantageusement prevoir que le piston utilisé est un piston à tête plate, la cavité en forme de canal n'étant pratiquée que dans la culasse du cylindre. De plus le présent mode de réalisation ne provoque que des pertes relativement faibles à l'écoulement. Pour améliorer encore, c'est-à-dire pour accélérer le processus de combustion, il peut être avantageux de prévoir que, lorsque le piston est à son point mort haut, au moins quatre-vingts pour cent du volume de la chambre de combustion restante -soient constitués par la chambre à turbulence et le canal de guidage. Dans un mode de réalisation préféré, les parois de la chambre de turbulence présentent une courbure continue de façon à constituer une enceinte en spirale présentant, à la fin de la spirale, une arête de rupture. Il a éte dContré que ce mode de construction améliore encore, en général, les caractéristiques fonctionnelles du moteur, surtout lorsque les mélanges utilisés sont extrèmement pauvres. Il convient en général également, selon l'invention, de veiller à ce que la hauteur de la chambre à turbulence soit substantiellement inférieure à son diamètre maximal. Il est particulièrement avantageux que cette hauteur soit à peu près constante. En général, on peut encore appauvrir les mélanges carburés pouvant être utilisés dans le moteur en veillant à placer la bougie d'allumage au voisinage de l'extrémité de l'enceinte en spirale. En outre la propagation de la combustion se fait mieux si l'allumage de la charge qui se trouve entre les électrodes de la bougie débute au voisinage de la surface supérieure du piston. Une amélioration supplémentaire est réalisable si le refroidissement est concentré au voisinage de la bougie d'allumage tandis que la zone de pincement ou de giclement surmontant le piston est maintenue relativement chaude de sorte que la paroi interne prenne des températures allant de 1200 C au moins à 3500 C au plus lorsque le moteur fonctionne à charge partielle et à pleine charge. I1 est préférable que la hauteur du canal de guidage croisse en allant du côté adjacent à l'arête de rupture au côté opposé. Dans un mode de réalisation préféré le canal de guidage est dirigé vers la zone où se trouve la soupape d'admission, mais l'invention ne se limite pas à ce mode de réalisation. L'invention sera mieux comprise, et ses buts et avantages ressortiront mieux de la description d'un mode de réalisation servant d'exemple, donnée ci-dessous en se référant aux dessins annexés. Dans ces dessins Les Fig. 1 et 1A sont des vues de dessous de la culasse du cylindre d'un moteur thermique à quatre temps de l'invention, dont un seul cylindre est représenté bien qu'il puisse en avoir plusieurs; Les Fig. 2 et 2A sont des vues en coupe de la culasse de la Fig. 1, la coupe se faisant suivant la ligne C - C des Fig. 1 et 1A, et montrant également une partie de la paroi du cylindre et une partie du piston; La Fig. 3 est une vue en coupe d'une culasse de piston faite suivant la ligne A - A de la Fig. lA; et La Fig. 4 est une vue en coupe d'une culasse de piston faite suivant la ligne B - B de la Fig. lA. Dans le mode de réalisation préféré servant d'exemple et représenté sur la Fig. 2 un piston 10 est figuré comme un piston à tête plate, ladite tête plate portant le repère 9. Un bloc-cylindre 11' comporte une soupape d'admission 12. Une partie d'un conduit d'admission 15 qui conduit à un espace surmontant la tete 14 de la soupape d'admission 12 est dirigé à peu près perpendiculairement à l'axe longitudinal de la soupape d'admission 12. Sur la Fig. 2A qui lui est semblable la soupape représentée est la soupape d'échappement 13, dont la tête est repérée par 17, 19 étant l'orifice d'échappement. On voit très nettement sur la Fig. I qu'il existe un creux ou une cavité 26 en forme de canal qui commence au voisinage de l'axe du cylindre et qui, dans le mode de réalisation servant d'exemple, est usinée dans la surface intérieure de la culasse du cylindre, au voisinage de la tête 9 du piston et tournée vers elle, et qu'elle s'étend jusqu'tala chambre de turbulence 21. Comme on le voit sur la Fig. 2 la hauteur de la cavité croît en allant de l'origine 25 à la chambre de turbulence 21. Quand le piston 10 est à son point mort haut, comme sur la Fig. 2, ce creux ou cette cavité 26 en forme de canal forme avec la partie supérieure de la tête 9 du piston atteignant la position 9', un canal de guidage 26 qui, comme on le voit clairement sur la Fig. 1, se termine à peu près tangentiellement à la paroi circonférentielle de la chambre de turbulence 21. On peut considérer que le canal de guidage assure une communication pour les fluides passant du volume intérieur 10' du cylindre à la chambre de combustion qui entoure les soupapes 12 et 13. L'aire de section transversale du canal de guidage 26 croît également de facon continue entre son origine 25 et la chambre de turbulence 21 en raison de ce que sa hauteur croît constamment, tandis que sa largeur ne croît que légèrement. A son extrémite voisine de la chambre de turbulence 21 la cavité en forme de canal 26 se raccorde progressivement à ladite chambre. Sur un de ses côtés le creux ou la cavité en forme de canal, 26, se termine sur la paroi circonférentielle 24 de la chambre de turbulence 21, dans la région 23, en formant une arête décolleuse ou séparatrice dlecoulement'de façon que l'écoulement de fluide pénétrant dans la chambre de turbulence 21 au sortir de ce creux ou de cette cavité en forme de canal pendant la course de compression se décolle de la paroi. L'autre côté de cette cavité en forme de canal 26 se prolonge continûment en 22 par la paroi circonférentielle 24 de la chambre de turbulence 21. Comme on peut le voir sur la Fig. 2, la chambre de combustion se réduit sensiblement quand le piston 10 est à son point mort haut aux volumes constitués -oar le canal de guidage 26 et la chambre ce turbulence 21. I1 est bon, comme le montre la Fig. 2, que la bougie d'allumage 27 soit placée dans la paroi circonférentielle 24 de la chambre de turbulence 21, et dans la région de l'arête décolleuse 23. Le volume minimal du creux ou de la cavité en forme de canal, 26, est inférieur à celui de la chambre de turbulence 21. De préférence on prévoit pour chaque cylindre une chambre de turbulence unique. Sauf pour la région correspondant à la chambre de turbulence et à la cavité 26 en forme de canal, le reste de la surface de la culasse 11 du cylindre est partout si proche du piston 10 lorsque celui-ci est à son point mort haut qu' il se forme sur toute ladite surface restante une zone dite de "compression" ou de pincement (giclement) Il est préférable que cette zone de pincement soit aussi mince que la technique le permet, de 0,3 à 0,75 mm par exemple, selon les dimensions du cylindre. -Les Fig. 3 et 4 sont des coupes du canal de guidage faites respectivement suivant les lignes B - B et A - A; elles montrent comment la profondeur du canal de guidage croit en se rapprochant du côté opposé à l'arête de rupture, c'est-à-dire en se rapprochant du haut de la Fig. 1A. Sur la Fig. 2 le canal de guidage se dirige vers la région de la soupape d'admission, dans la variante de la Fig. 2A il se dirige vers la région de la soupape d'échap -oement De plus dans les Fig. 1A et 2A le dessus du canal de guidage 26 comporte une marche 40 qui commence par une arête de rupture 41 traversant le canal de guidage et située à l'intérieur d'un cylindre géométrique défini par l'alésage 7 dans lequel coulisse le piston 10. La description qui suit expose le mode de fonctionnement du cylindre représenté en coupe lorsqu'il fait partie d'un moteur thermique à quatre temps à allumage extérieur, qui n'est pas représenté de façon plus détaillee et dont le mélange carburant-air est produit par un procédé connu quelconque à l'extérieur de la chambre de combustion du cylindre, par exemple au moyen d'un carburateur ou par injection du carburant dans une tubulure d'admission. Pendant la course d'aspiration du piston, et de façon connue, le mouvement descendant du piston 10 aspire un mélange aircarburant dans la chambre de combustion tandis que la soupape d'admission 12 est ouverte. Au cours du mouvement suivant du piston (compression) ce mélange est comprimé et il se peut qu'à ce moment déjà un écoulement rotatif lent au fluide selon la flèche B (Fig. 1, 1A) s'établisse dans la chambre de turbulence 21 sous l'influence du creux ou de la cavité en forme de canal, 26. L'axe de rotation de cet écoulement est à peu près parallèle à l'axe longitudinal du cylindre 10'. Vers la fin de la course de compression du piston 10, le sommet 9 du piston 10 se rapproche de plus en plus de la cavité 26, en forme de canal, de sorte que l'écoulement qui s'y produit s'y renforce et que le mélange carburant-air s'écoule avec une intensité relative, par le canal de guidage 26 qui se forme, vers la chambre de turbulence 21 où il engendre un vif écoulement rotationnel dans la direction de la flèche B. La bougie d'allumage 27 enflamme, de façon connue, le mélange carburant-air au cours du mouvement de compression du piston, pour une valeur déterminée (et réglable) de l'angle du vilebrequin, et avant que le piston ait atteint son point mort haut. Comme le mélange est concentré dans la chambre de turbulence 21 et le canal de guidage 26, et comme il prévaut dans la chambre de turbulence un écoulement rotationnel vif et ordonné, la combustion se fait rapidement et le taux d'utilisation du carburant est élevé. Une fois que le piston 10 a dépassé son point mort haut, il est poussé vers le bas et, au cours du mouvement ascensionnel suivant du piston 10 et pendant l'ouverture de la soupape d'échappement 13, les gaz brûlés sont expulsés de façon connue. Un moteur réalisé suivant la description précédente peut fonctionner avec des mélanges carburant-air très pauvres, et de préférence avec un excès d'air allant de 20 à 40 %. Sa consommation spécifique de carburant est faible et les gaz d'échappement contiennent relativement peu de constituants toxiques, de sorte que bien qu'il ait une structure simple et une puissance spécifique relativement élevée, il répond aux règlementations de protection de l'environnement. De plus l'indice d'octane du carburant utilisé peut être relativement bas. Ainsi qu'il est prévu de préférence dans le mode de réalisation servant d'exemple, décrit ci-dessus, le creux ou la cavité 26, en forme de canal, ne se trouve que dans la culasse du cylindre. I1 peut cependant dans bien des cas être favorable de former le canal de guidage 26 par la coopération de cavités en regard pratiquées dans la culasse 11 et dans la tête 9 du piston 10. Dans ce cas il pourrait en général être favorable de creuser davantage la cavité de la culasse 11 que la cavité-de la tête 9 du piston 10. Cette variante est également représentée sur la Fig. 2A qui représente par un tireté une cavité 26', pratiquée dans la tête 9 du piston 10. Dans des cas particuliers le canal de guidage 26 peut être formé exclusivement par une dépression ou cavité dans la tête 9 du piston 10 qui est conformée de telle façon que, vers la fin de la course de compression du piston 10, elle canalise tangentiellement du gaz vers la chambre de turbulence 21, de sorte que le gaz s'écoule avec un mouvement rotatif le long de la paroi circonférentielle 24 de la chambre de turbulence 21 ou qu'au moins une composante substantielle de cet écoulement rotatif se trouve le long du pourtour circonférentiel de la chambre de turbulence 21. Cette variante n'est pas représentée. On comprendra que les modes de réalisation servant d'exemple de la présente invention, telles qu'ils ont été décrits et illustrés en détail, et les variantes mentionnées ici l'ont été à titre d'exemple et non de limitation. De nombreuses autres réalisations et variantes sont possibles dans l'esprit et dans le cadre de la présente invention, définie par les revendications jointes. REVENDICATIONS 1. Moteur thermique à quatre temps, à allumage exterieur du type à culasse en "Ll' (dit également à soupapes latérales) comprenant un bloc-cylindres aefinissant au moins un cylindre et comportant une soupape d'admission et une soupape d'échappement pour chaque cylindre; une culasse fixée audit bloc-cylindres; un piston se déplaçant alternativement dans ledit ou chacun desdits cylindres et délimitant une chambre de travail de forme variable;; une chambre de turbulence sensiblement plate dans ladite culasse1 qui prolonge ladite chambre de travail dans ladite culasse, le fond de ladite chambre de turbulence ayant un orifice d'admission de gaz obturable par ladite soupape d'admission et un orifice d'échappement obturable par ladite soupape d'échappement, ladite chambre de turbulence pénétrant dans ladite culasse à une hauteur infFrieure à l'extension latérale de ladite chambre de turbulence, ledit piston et -ladite culasse coopérant pour définir un canal de guidage commençant en face du piston et conduisant à ladite chambre de turbulence dans laquelle il se termine à peu près tangentiellement, la charge de gaz étant ainsi soumise à une accelération qui la fait parcourir ledit canal de guidage pour pÉnétrer à peu près tangentiellement dans ladite chambre de turbulence et y induire un ecoulement formant un tourbillon sensiblement unique dont l'axe de rotation est sensiblement parallèle à l'axe longitudinal du cylindre; ledit piston et ladite culasse coopérant en outre de façon que, au point mort haut, la charge de gaz combustibles est sensiblement confinée dans seulement ladite chambre de turbulence et ledit canal de guidage. 2. Moteur thermique selon la revendication 1, dans lequel ledit canal te guidage comporte deux parois latérales sensiblement parallèles ou légèrement divergentes et dans lequel une seule desdites parois latérales présente une saillie en forme d'arête de rebroussement; ce qui fait que l'écoulement de la charge gazeuse par ledit canal de guidage est perturbé sur une des parois latérales de celui-ci. 3. tuteur thermique selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, ladite chambre de turbulence ayant une paroi circon férentielle, ladite paroi circonférentielle définissant approxi nativement une spirale en projection plane. 4. Moteur thermique selon l'une quelconque des revendications 1, 2 ou 3, dans lequel ledit canal de guidage est formé pour une part dans ladite culasse et pour l'autre dans la tete dudit piston. 5. moteur thermique selon l'une quelconque des revendications 1, 2 ou 3, dans lequel ledit piston est pour l'essentiel un piston à tête plate, ledit canal de guidage n'étant pratiqué que dans ladite culasse. 6. Moteur thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel le volume de combustion restant quand ledit piston est à son point mort haut est constitué sensiblement à 80 % au moins par ladite chambre de turbulence et ledit canal de guidage. 7. moteur thermique selon la revendication 1, ladite chambre de turbulence ayant une hauteur substantlellement inférieure à son diamètre. 8. Moteur thermique selon 1 ! une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel des portions de la surface supérieure dudit piston et des portions de la surface de ladite culasse coopérent au point mort haut pour former au moins une zone de giclement, ladite z3ne de giclement étant au moins partiellement privée de refroidissement de sorte que lors du fonctionnement à charge partielle ou a pleine charge elle prenne des températures de 1200 C au moins et 3500 C au plus. 9. Moteur thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel une bougie d'alluitage est place dans ladite culasse de référence de façon que ses électrodes puissent allumer la charge dans une région voisine de l'extrémité du pourtour en spirale de la chambre de turbulence. 10. Moteur thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, dans lequel une bougie d'allumage est placée dans ladite culasse de façon à allumer la charge au voisinage de la face supérieure du piston quand ledit piston est à son point mort haut. 11. Moteur thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, dans lequel la largeur dudit canal de guidage est inférieure aux deux tiers d diamètre de ladite chambre de turbulence dans laquelle s'établit ledit écoulement à tourbillon unique. 12. Moteur thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, dans lequel des portions de la surface supérieure dudit piston et des portions de la surface de ladite culasse coopèrent au point mort haut pour former au moins une zone de giclement ou écrasement dont l'épaisseur est prise de préférence sur la plage 0,3 - 0,75 mm. 13. Moteur thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, dans lequel la hauteur de la section latérale dudit canal de guidage croît à partir d'un premier côté en se rapprochant du côté opposé, ledit premier côté ayant, vers l'intérieur, une saillie en forme d'arête de rebroussement qui provoque le décollement du courant gazeux. 14. Moteur thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, dans lequel ledit canal de guidage est pour les sentiel dirigé vers celui des bords de la chambre de turbulence où agit la tête de ladite soupape d'admission. 15. Moteur thermique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le toit de la chambre de turbulence est pour l'essentiel plan et pour l'essentiel parallèle à son plancher. 16. Moteur thermique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la largeur de l'embouchure aval du canal de guidage est au moins égale à la moitié du diamètre maximal de la chambre de turbulence. 17. Moteur thermique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le diamètre minimal de la chambre de turbulence, mesure parallèlement à son plancher, n'est que légèrement supérieur au diamètre de la lumière de la plus grande ouverture de passage des gaz du cylindre. 18. Moteur thermique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la hauteur du canal de guidage existant lorsque le piston est au point mort haut est, en partant de son extrémité amont, tout d'abord substantiellement inférieure à la hauteur de la chambre de turbulence et en ce que la hauteur du canal de guidage, à une certaine distance de la chambre de turbulence, augmente constamment quand on va vers l'aval à partir d'une arête de rupture, formée dans sa face supérieure, qui est disposée transversalement à la direction longitudinale du canal de guidage, et en ce que cette arête de rupture transversale se trouve à l'intérieur de la surface cylindrique géomé trique balayée par le piston, et à une certaine distance de ladite surface cylindrique. 19. Machine selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le canal de guidage est traversé par l'axe longitudinal de l'alésage du cylindre. 20. Machine selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la chambre de turbulence se trouve tout au moins pour llessentiel à l'extérieur de la surface cylindrique géométrique balayée par le piston.