Brevet FR2417013A1 — publié le 19790907

Des efforts importants ont porté dans l'art antérieur sur le développement de dispositifs à soupapes rotatives pour moteurs à combustion interne. Ces efforts sont justifiés par le manque d'efficacité des soupapes classiques du type à mouvement alternatif, équipant presque exclusivement de tels moteurs. La soupape du type à mouvement alternatif gêne sensiblement ltécoulement des gaz par le fait que sa tête est toujours disposée sur le trajet des gaz et provoque ainsi une déformation de l'écoulement de ces gaz à son entrée dans un cylindre ou à sa sortie du cylindre, de sorte que cet écoulement est sensiblement étranglé et réduit. En outre, la commande me- canique des soupapes à mouvement alternatif constitue une perte supplémentaire d'énergie en raison des nombreux éléments necessaires à son fonctionnement.Bien que le montage, dans un moteur, de l'arbre à cames en tête permette de supprimer les poussoirs autrement nécessaires, le mécanisme à cames comporte cependant des leviers et des ressorts destinés à maintenir les soupapes en position de fermeture. Ces leviers et ressorts exigent une certaine dépense d'énergie pour leur commande, ce qui réduit davantage le rendement du moteur On connait des mécanismes à soupapes rotatives pour moteurs à combustion interne, soit du type à tubes allongés et associés à plusieurs cylindres, soit du type à disque disposés dans chaque cylindre.Aucun de ces deux types de mécanisme à soupapes rotatives n'a présente ltefficacité ou la rentabilité souhaitée ou ne possède suffisamment d'avantages par rapport aux soupapes à mouvement alternatif L'invention concerne un dispositif à soupapes rotatives comprenant des soupapes indépendantes d'admission et d'échappement associées à chaque cylindre et disposées chacune dans sa propre chambre. Chaque soupape comprend un corps cylindrique ouvert à une extrémité et dont la paroi présente un orifice. Un orifice est également réalisé dans la paroi de chaque chambre et communique avec le cylindre correspondant du moteur.La rotation de la soupape provoque un alignement périodiquede son orifice avec la lumière du cylindre, ce qui permet ltécoulement d'un gaz, soit d'admission soit d'échappement, en synchronisation avec le mouvement du piston. Toutes les soupapes d'admission sont montées sur un arbre commun de commande qui les fait tourner ensemble. De même, toutes les soupapes d'échappement sont montées sur leur propre arbre de commande qui les fait tourner indépendamment des soupapes d'admission, mais d'une manière synchronisée par rapport à cellesci. Des chambres cylindriques séparées pour soupapes sont réalisées dans la tette du moteur et associées à chaque soupape d'admission et d'échappement. En plus de l'orifice indiqué précédemment et communiquant avec le cylindre correspondant du moteur, chaque soupape présente un orifice qui communique avec le circuit d'admission ou le circuit d'échappement. Ces chambres séparées ont pour avantage d'isoler les soupapes et les tronçons voisins des circuits associés d'admission ou d'échappement, ce qui accroît le rendement du moteur. L'utilisation d'arbres séparés pour la commande des soupapes d'admission et d'échappement permet également un réglage sélectif de la synchronisation entre les soupapes d'admission et les soupapes d'échappement. Cette possibilité de réglage permet de faire fonctionner le moteur sur une plage de vitesses sensiblement supérieures à celles autrement possibles. L'invention sera décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemple nullement limitatif et sur lesquels - la figure 1 est une vue en perspective éclatée d'une culasse comportant le dispositif à soupapes rotatives selon l'invention; - la figure 2 est une vue en perspective, à échelle agrandie, d'une soupape du dispositif selon l'invention; - la figure 3 est une coupe axiale suivant la ligne 3-3 de la figure 2; - la figure 4 est une coupe dans un plan vertical, suivant la ligne 4-4 de la figure 1, d'un moteur comportant le dispositif à soupapes rotatives selon l'invention; - la figure 5 est une coupe partielle et à échelle agrandie suivant la ligne 5-5 de la figure 4; et - la figure 6 est une coupe partielle et à échelle agrandie suivant la ligne 6-6 de la figure 5. La figure 1 représente une culasse 10 de moteur à combustion interne comportant deux cylindres. Cette culasse est constituée de deux parties 11 et 12, à savoir une partie inférieure et une partie supérieure, respectivement. Ces deux parties sont destinées à être assemblées par superposition de l'une sur l'autre et à être fixées sur le dessus d'un bloc-cylindres 13 de moteur à combustion interne à l'aide de boulons 14, comme montré sur la figure 4. La forme de réalisation représentée est un moteur à deux cylindres. I1 est cependant évident que le nombre de cylindres peut être augmenté et que le dispositif à soupapes rotatives selon l'invention peut être aisément adapté à un moteur à cylindres disposés en V. Des moitiés correspondantes de chambres 15 et 16 d'admission et d'échappement, respectivement, sont réalisées dans les deux parties de la culasse. Ces chambres se présentent sous la forme de cylindres allongés. Toutes les chambres d'admission sont alignées axialement, de même que les chambres d'échappement. Il convient également de noter que les groupes de chambres 15 et 16 alignées longitudinalement sont espacés latéralement l'un de l'autre et parallèles entre eux, de manière à permettre entre eux la mise en place d'une bougie 17 d'allumage, comme montré sur la figure 4.L'extrémité inférieure de la bougie 17 passe dans un trou 18 réalisé dans la partie supérieure 12 de la culasse et est vissée dans un alvéole 19 réalisé dans la partie inférieure li de manière que les électrodes 17a de la bougie pénètrent dans une chapelle 20 réalisée dans la surface inférieure de la partie inférieure 11 de la culasse. Chacune des chambres 15 et 16 des soupapes d'admission et d'échappement comprend un prolongement coaxial 15a ou 16a. Ces prolongements coaxiaux seront décrits plus en détail ci-après avec l'écoulement des gaz dans les chambres des soupapes. La partie principale de chacune des chambres 15 et 16, comme mentionné précédemment, se présente sous la forme d'un cylindre allongé ayant une longueur et un diamètre prédéterminés, de manière à pouvoir recevoir une soupape associée décrite ci-après. Les prolongements des chambres ont également une forme cylindrique et allongée, mais leur diamètre, à proximité immédiate de la partie principale de la chambre, est légèrement inférieur à celui de la chambre et leur extrémité éloignée est de forme arrondie. La partie inférieure 11 de la culasse présente des orifices-21 faisant communiquer les chambres 15 et 16 avec un cylindre 22 du bloc-cylindres 13. Un piston P à mouvement alternatif est monté de manière à pouvoir coulisser classiquement dans le cylindre 22. Les orifices 21 ont la forme rectangulaire représentée, allongée dans la direction circonférentielle de la surface cylindrique de la chambre, en alignement sur l'alvéole 19 logeant la bougie d'allumage. Les orifices 21 sont donc diamétralement opposés par rapport au cylindre associé afin d'assurer une uniformité optimale de l'écoulement des gaz lors des temps de fonctionnement du moteur. Des orifices 23 et 24 d'admission et d'échappement, respectivement, sont réalisés dans la partie supérieure 12 de la culasse. Ces orifices débouchent dans les prolongements 15a et 16a des chambres à soupapes et ils sont décalés longitudinalement par rapport aux orifices 21. La surface extérieure de la partie supérieure 12 de la culasse comporte des bossages 25 de montage présentant des trous taraudés 26 et entourant les orifices 23 et 24 d'admission et d'échappement, afin de faciliter le branchement des tuyaux d'admission et d'échappement (non représentés)* Une soupape rotative 27 est disposée dans chacune des chambres 15 et 16. Toutes les soupapes d'admission sont fixées sur un arbre commun 28 de commande et toutes les soupapes d'échappement sont fixées sur un second arbre commun 29 de commande. Les deux arbres 28 et 29 tourillonnent dans des paliers 30 et leurs tronçons extrêmes 28a et 29a traversent une paroi extrême 31 de la culasse 10. Les paliers 30 sont disposés dans des sièges associés réalisés dans les parties supérieure 11 et inférieure 12 de la culasse. Les tronçons extrêmes 28a et 29a des arbres portent respectivement des pignons 32 et 33 d'entraînement. Un mécanisme de commande (non représenté) est relié aux pignons 32 et 33. Ce mécanisme peut être avantageusement du type permettant un réglage sélectif du calage des soupapes par rapport au vilebrequin (c'est-à-dire à la position du piston) et un réglage sélectif, dans le temps, entre les soupapes d'admission et d'échappement. Le mécanisme permettant ces réglages est connu et, par conséquent, il n'est pas représenté, car il n'est pas indispensable à la compréhension de l'invention. Comme montré sur les figures 2 et 3, les soupapes rotatives 27 comprennent chacune un tube cylindrique 35 ouvert à une extrémité et réalisé d'une seule pièce avec un moyeu annulaire 36 de montage. Ce moyeu 36 ferme l'extrémité du tube cylindrique 35 et il présente un alésage coaxial 37 permettant le passage de l'un ou l'autre des arbres 28 et 29 sur lequel les soupapes sont fixées. Une fixation convenable des soupapes sur l'arbre associé peut être réalisée à l'aide d'une clavette 38 logée dans un évidement (non représenté) de l'arbre et dans une rainure axiale 39 de l'alésage 37. I1 convient de noter que l'épaisseur du tube cylindrique est telle que sa surface intérieure est contiguë aux prolongements axiaux 15a et 16a des chambres afin d'améliorer l'écoulement des fluides. Un orifice 41, de forme rectangulaire, est réalisé dans la paroi du tube cylindrique 35 de chaque soupape 27. Cet orifice 41 a une longueur prédéterminée et sa largeur et sa longueur correspondent à la largeur et à la longueur des orifices 21 correspondants réalisés dans les chambres des soupapes. Les orifices 41 sont réalisés axialement dans les tubes cylindriques 35, de manière que lorsque les soupapes sont placées dans les chambres associées 15 et 16, les orifices soient alignés sur les lumières pour permettre la pénétration de gaz dans les cylindres ou leur sortie desdits cylindres par l'extrémité ouverte du tube cylindrique et les orifices et lumières alignés. Les longueurs des lumières 21 et des orifices 41 sont déterminées en fonction des caractéristiques particulières qu'il est souhaité pour le fonctionnement du moteur en ce qui concerne les temps d'avance et d'ouverture. Des joints élastiques assurent une étanchéité efficace aux fluides des soupapes rotatives 27 dans leurs chambres respectives 15 ou 16. Ces joints sont réalisés dans des matières pouvant supporter des températures relativement élevées rencontrées lors du fonctionnement des moteurs. Deux de ces joints sont constitués de bagues 42 disposées dans des gorges circonférentielles correspondantes 43 réalisées dans la surface cylindrique extérieure de la soupape 27. Ces deux bagues 42 sont disposées de part et d'autre de l'orifice 41. Une bague supplémentaire 44 d'étanchéité est disposée dans une gorge circonférentielle réalisée dans l'alésage 37 dudit moyeu afin d'assurer l'étanchéité complète de la soupape. Enfin, deux autres joints 45 d'étanchéité, orientés axialement, équipent chaque soupape rotative 27. Ces joints 45 sont disposés dans des rainures correspondantes 46 réalisées dans la paroi de la chambre, aux extrémités opposées de la lumière 21, comme montré sur la figure 1. Les figures 5 et 6 montrent la structure et le fonctionnement de ces joints plus en détail. Les joints 45 font saillie de leurs rainures 46 de manière à porter contre la surface extérieure de la soupape rotative 27. Chaque joint axial 45 présente de préférence une surface latérale 47 qui est sensiblement perpendiculaire à la chambre, et une surface latérale 48 qui est inclinée par rapport à la surface 47. Les surfaces 47 et 48 sont appliquées contre les parois latérales, de forme correspondante, de la rainure associée 46.Un canal 49, réalisé dans la partie 11 de la culasse, débouche dans la chapelle 20 et à la paroi latérale de la rainure correspondant à la surface 47, afin d'établir une communication entre elles. Ce montage fonctionne de la manière suivante. Au cours des temps de fonctionnement du moteur, la pression des gaz apparaissant dans un cylindre pendant la course de travail exerce sur le joint axial 45 une force tendant à le faire sortir de sa rainure et à le faire porter hermétiquement et fermement contre la surface de la soupape. Cette force orientée vers l'extérieur résulte de la pression régnant dans le canal 49 et agissant efficacement sur la surface inclinée de la rainure 46. Un joint 50 d'arbre est également logé dans un évidement correspondant de l'extrémité de chacun des prolongements 15a et 16a des chambres. Ces joints 50 sont placés aux extrémités des chambres opposées à celles à proximité desquelles les soupapes sont placées et ils assurent l'étanchéité des soupapes 27 dans leur chambre 15 ou 16. Le dispositif à soupapes rotatives selon l'invention présente des avantages importants par rapport aux dispositifs à soupapes de l'art antérieur. Ces avantages se traduisent par une élévation du rendement et des performances d'un moteur à combustion interne. Les soupapes rotatives commandent plus efficacement l'admission des gaz dans les cylindres du moteur et leur échappement, car elles permettent de réaliser les lumières 21 sensiblement face à face. Cette disposition, associée au trajet d'écoulement des gaz de la chambre vers le cylindre ou en sens opposé, ce trajet étant relativement sans obstacle, résulte dans un écoulement optimal des gaz évacués du cylindre à la fin de la course de travail et facilite également l'admission ou l'échappement des gaz. Un autre avantage particulièrement important du dispositif selon l'invention est l'isolation relativement efficace réalisée entre les chambres des soupapes. Cette isolation permet de réduire sensiblement l'effet d'interférence résultant d'écoulements alternés qui risqueraient autrement de détruire les formes d'écoulement laminaires souhaitables obtenues avec le dispositif selon l'invention. De plus, la possibilité de régler les positions relatives des soupapes lors de l'admission et de l'échappement permet de faire fonctionner le moteur au. meilleur rendement par rapport aux critères de puissance et de vitesse demandés. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au dispositif décrit et représenté sans sortir du cadre de l'invention. R E V E N D I C A T I O N S 1. Dispositif à soupapes rotatives pour moteur à combustion interne, caractérisé en ce qu'il comporte une culasse associée à un moteur qui comprend au moins un cylindre, cette culasse étant destinée à être montée sur le moteur en position d'utilisation par rapport au cylindre, une chambre de soupape d'admission et une chambre de soupape d'échappement étant réalisées dans la culasse, chaque chambre ayant la forme d'un cylindre allongé, des lumières établissant une communication entre les chambres et le cylindre et un orifice d'admission et un orifice d'échappement établissant des communications entre une chambre de soupape associée et uncollecteur associé d'admission ou d'échappement, une soupape rotative, de forme cylindrique allongée, étant disposée coaxialement dans chaque chambre de manière à pouvoir tourner et à commander l'écoule- ment d'un fluide dans la lumière associée, chaque soupape comprenant un tube cylindrique monté sur un arbre correspondant d'entrainement qui tourillonne dans la culasse, le tube ayant une extrémité ouverte qui communique avec l'orifice correspondant d'admission ou d'échappement, la paroi cylindrique du tube présentant un orifice aligné sur la lumière correspondante pendant un intervalle de temps prédéterminé lors de chaque tour de la soupape, afin de permettre l'écoulement d'un fluide dans cet orifice et dans la lumière, chaque chambre ayant une longueur telle qu'elle est prolongée axialement au-delà de l'ex- trémité ouverte de la soupape associée, ledit orifice d'admission ou d'échappement communiquant avec le prolongement de la chambre correspondante. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les chambres des soupapes sont orientées par rapport aux lumières correspondantes qui sont opposées diamétralement l'une à l'autre par rapport au cylindre du moteur. 3. Dispositif selon la revendication -1, caractérisé en ce que les soupapes rotatives sont disposées de manière que l'axe de rotation de certaines des soupapes soit parallèle, à une certaine distance, à l'axe de rotation d'autres desdites soupapes. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que les chambres des soupapes sont orientées par rapport aux lumières qui sont opposées diamétralement l'une à l'autre par rapport au cylindre du moteur, la culasse comportant un élément de montage d'une bougie d'allumage entre lesdites lumières. 5. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'orifice de la paroi de chaque tube cylindrique s'étend sur une longueur prédéterminée de la circonférence du tube. 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que la lumière d'une chambre s'étend sur la même distance circonférentielle que orifice de la soupape rotative associée à cette chambre. 7. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le tube cylindrique de la soupape est fermé à son autre extrémité et en ce que l'orifice est de forme rectangulaire et allongée et présente une dimension axiale qui correspond à celle de la lumière associée. 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comporte des joints à fluide qui coopèrent entre les surfaces opposées de la soupape et de la chambre de manière à empêcher toute fuite de fluide entre ces deux éléments lorsque l'orifice n'est pas tourné en position de communication avec la lumière associée. 9. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte plusieurs groupes de chambres associés à plusieurs cylindres, chaque chambre étant isolée des autres chambres et communiquant d'une manière indépendante avec un collecteur associé d'admission ou d'échappement.