Brevet FR2428145A1 — publié le 19800104

L'invention concerne les moteurs à combustion interne à pistons à mouvement alternatif et, en particulier, des moteurs de ce type munis de dispositifs de suralimentation internes. Les efforts portant sur la conception des moteurs tendent toujours à en accroître la puissance pour une cylindrée, une dimension et un poids donnés. Dans de nombreuses applications, le rendement constitue également un critère important. I1 est connu de l'homme de l'art qu'un moteur classique à deux temps produit une puissance sensiblement supérieure, par unité de cylindrée et à un régime donné, que tout moteur de série à quatre temps et à aspiration naturelle, mais qutun tel moteur à deux temps a un rendement sensiblement inférieur à celui du moteur à quatre temps. Les moteurs suralimentés à quatre temps représentent un compromis permettant d'obtenir davantage de puissance par unité de poids que les moteurs classiques à quatre temps et consommant moins de carburant que les moteurs à deux temps.Cependant, les dispositifs de suralimentation sont généralement couteux et ne trouvent une utilisation intéressante que sur les véhicules de course. L'invention concerne donc un dispositif relativement simple et efficace de suralimentation, destiné à un moteur à quatre temps. Le moteur à combustion interne selon l'invention comporte un piston épaulé dont une première partie travaille. de manière classique en formant la paroi mobile de la chambre de combustion. Une partie épaulée, ou de diamètre plus grand que la première partie, travaille dans un alésage du cylindre si tué à proximité de celui contenant la première partie du piston et aligné axialement sur lui. La partie épaulée du piston présente des orifices munis de clapets qui ne permettent l'écoulement du mélange de carburant et d'air que dans le sens du carterssmoteur vers la zone de compression du moteur comprenant la partie épaulée du piston et l'alésage dans lequel cette partie travaille. Le montage permet d'obtenir deux courses d'admission et deux courses de compression du compresseur par cycle de combustion à quatre temps.Le mélange qui pénètre dans le compresseur lors de la course de descente du piston est retenu par les clapets, puis comprimé lors de la course de montée et introduit dans un collecteur de dérivation et d'accumulation relié à la soupape d'admission du cylindre principal. Ainsi, le compresseur selon l'invention permet le transfert efficace de deux charges par cycle de combustion dans le collecteur de dérivation et il assume la fonction de dispositif de suralimentation permettant d'obtenir un moteur à quatre temps simple et à hautes performances, développant une grande puissance pour une cylindrée ou un poids donné. L'invention sera décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemples nullement limitatifs et sur lesquels - les figures 1 à 4 sont des élévations, avec coupe partielle, montrant les courses d'admission, de compression, de travail et d'échappement d'une forme préférée de réalisation du moteur selon l'invention - la figure 5 est une coupe transversale du moteur représenté sur les figures 1 à 4, montrant une forme préférée de réalisation du bloc moteur - la figure 6 est un diagramme des temps montrant le fonctionnement du moteur représenté sur les figures 1 à 4 ; - la figure 7 est une élévation, avec coupe partielle, d'un détail d'une forme préférée de réalisation d'un groupe à cylindre et piston destiné à un moteur à plusieurs cylindres réalisé selon l'invention ;; - la figure 8 est une élévation, avec coupe partielle du groupe à cylindre et piston montré sur la figure 7 ; - la figure 9 est une vue en perspective du piston représenté sur les figures 7 et 8 ; et - la figure 10 est une coupe partielle d'un détail d'une forme préférée de segment d'étanchéité pour le compresseur selon l'invention. Les figures 1 à 4 représentent une forme préférée de réalisation du moteur selon l'invention comportant un seul cylindre dans lequel se déplace un piston 10 qui comporte une partie épaulée élargie 12 à son extrémité inférieure. Le piston est monté de manière à entraîner un vilebrequin 14 par l'intermédiaire d'une bielle 16 et d'un axe 17, tous ces éléments étant classiques. La partie supérieure du piston 10 exécute un mouvement alternatif dans le cylindre 18 d'une chambre de combustion et elle présente des gorges logeant des segments supérieur et inférieur 19 et 19a d'étanchéité. La partie annulaire épaulée 12 du piston est portée par la partie supérieure de ce piston, et, de préférence, réalisée d'une seule pièce avec elle, et elle travaille dans une zone élargie du cylindre, délimitée par des parois 20. La partie épaulée du piston présente des canaux 22 permettant le passage d'un melange de carburant et d'air du carter 23 du moteur dans la chambre de compression délimitée par les parois 20 du cylindre, la partie épaulée, cylin -drique et annulaire 22 du piston 10 et un épaulement annulaire 25 situé à l'extrémité inférieure de la paroi 18 du cylindre. Des canaux 26 traversent la partie épaulée 22 du piston et sont munis de clapets 27 de retenue. Le piston comporte au moins un clapet 27 de retenue et un canal 26, une forme préférée de réalisation comportant plusieurs de ces canaux et clapets répartis à peu près régulièrement autour de l'épaulement 22, selon la dimension et les caractéristiques de fonctionnement du moteur. Les canaux établissent une communication entre la chambre de compression et un collecteur comprenant généralement une chambre collectrice annulaire 28 qui entoure l'épaulement 25 et qui communique librement avec un collecteur/accumulateur 29. Une première extrémité du collecteur 29 est mise en communication intermittente avec la chambre de combustion du moteur par une soupape 30 d'admission. Cette soupape 30 peut prendre toute forme souhaitée. Dans de nombreuses applications, il est préférable qu'elle soit du type rotatif, comme montré, afin que les avantages de cette forme de réalisation soient utilisés. Des soupapes circulaires et d'autres types de soupapes peuvent également être utilisées suivant l'application et les préférences de l'utilisateur. L' échappement du moteur est également commandé par la soupape rotative 30 que la figure 4 montre dans la positipn qu'elle occupe pendant une partie du temps d'échappement, comme décrit plus en détail ci-après. L'air de combustion, normalement mélangé au carburant, arrive par un carburateur ou autre élément (non représenté) par un canal 32. Des clapets 34 de retenue peuvent être utilisés, le cas échéant et de préférence, pour empêcher tout retour vers le carburateur. En variante, des injecteurs de carburant (non représentés) peuvent être utilisés pour injecter le carburant dans la chambre de combustion d'une manière bien connue, par exemple pour un moteur du type "Diesel". Une forme préférée de réalisation de la partie du bloczmoteur délimitant la chambre collectrice 28 est représentée plus en détail sur la figure 5. Le cylindre de la chambre de combustion fait partie du bloc-moteur et il est supporté par la paroi extérieure 36 à l'aide de l'épaulement 25. Une cavité annulaire 38, ouverte à son sommet, est ainsi formée. Plusieurs canaux 26 sont réalisés dans l'épaulement 25 et leur clapet 27 de retenue se présente sous la forme d'un disque annulaire placé dans le fond de la cavité 28. Une forme particulièrement avantageuse de réalisation du clapet 27 de retenue comprend un disque supérieur 27a en caoutchouc ou autre et un disque inférieur 27b réalisé en tôle flexible et mince d'alliage au béryllium. Le bord intérieur du disque 27 est bridé contre l'épaulement 25 par un manchon 40 et, plus particulièrement, par l'extrémité cylindrique 41 de diamètre réduit de ce manchon qui est emboîteesur le cylindre 18 de manière à pouvoir glisser. La Sartie cy]id meUle41 comporte à son extrémité supérieu- re un épaulement radial 42 dont le bore est relié à un cylindre 43 de diamètre agrandi. Le cylindre 43 est emboîté à glissement dans la paroi extérieure 36 et il porte hermétiquement contre le joint 46 de culasse qui lui-même est serré contre la culasse 48 du moteur. Le manchon 40 étant obturé à chaque extrémité, il divise la cavité 38 en deux zones séparées, à savoir la chambre collectrice 28 et la cavité annulaire 50 qui est reliée à une source d'eau de refroidissement à circulation forcée. La figure 6 est un diagramme montrant le fonctionnement du moteur au cours d'un cycle complet de combustion. Pour décrire le fonctionnement du compresseur, le fonctionnement du moteur du point mort haut au point mort haut est représenté sur 1800 au lieu des 3600 habituels. Ainsi, un cycle complet de combustion comprend une course d'admission se produisant généralement au cours du premier quadrant (I) du diagramme des temps, une course de compression (quadrant II), une course de travail (quadrant III) et une course d'échappement (quadrant IV). La forme préférée de réalisation selon l'invention, associée au diagramme des temps de la figure 6, est un moteur à hautes performanres présentant un certain chevauchement des soupapes. En particulier, la soupape d'admission s 'ouvre 420 avant que le point mort haut soit atteint et se ferme 700 après que le point mort bas soit atteint, alors que la soupape d'échappement s'ouvre 640 avant le point mort bas de la course de travail et se ferme 36 après le point mort haut de la course d'échappement. Le fonctionnement du compresseur du moteur selon l'invention est également montré sur la figure 5. Les clapets de retenue du compresseur ne sont commandés que par les pressions des gaz auxquels ils sont soumis, l'inertie et les mouvements du piston. Ainsi, ces clapets s'ouvrent et se ferment sensiblement au passage du piston au point mort haut et au point mort bas. Il apparaît à présent que le compresseur du moteur introduit deux charges de mélange combustible dans la chambre de combustion pour chaque cycle de combustion. Le mélange de carburant et de gaz contenu dnns le carter 23 provient généralement d'un carburateur (non représenté) par le canal 32 et il franchit les clapets 34 de retenue à peu près à la pression atmosphérique (pression absolue de 1 bar) bien que, comme mentionné précédemment, le carburant puisse être fourni séparément à la chambre de combustion. Si l'on suppose l'arrivée au carter d'un mélange de carburant et d'air à la pression atmosphérique, le compresseur est initialement rempli d'un mélange combustible ayant une pression absolue de 1 bar. Deux "charges" du compresseur sont introduites dans la chambre de combustion lors de chaque course d'admission du moteur. Ainsi, la pression théorique de charge, sans chevauchement des soupapeswest donnée par la relation VE PE = 2 x V x 1 bar c où PE est la pression régnant dans la chambre de combustion du moteur, VE est le volume de la chambre de combustion du moteur et V est le volume du c compresseur.Il apparaît qu'une suralimentation se produit dans tout moteur dont la géométrie est telle que le volume du compresseur est supérieur à la moitié du volume de la chambre de combustion. En général, une limite inférieure pratique pour un moteur correspond à un compresseur ayant un volume égal à environ les trois-quarts du volume de la chambre de combustion. Dans la forme préférée de réalisation représentée, les volumes de la chambre de combustion et du compresseur sont égaux, ce qui rend la pression théorique de charge (sans chevauchement des soupapes) à peu près égale à 2 bars en valeur absolue. En pratique, les soupapes étant réglées comme montré sur la figure 6, une pression de charge sensiblement inférieure à celle indiquée peut être prévue, mais, même avec le chevauchement relativement important des soupapes (purge indiquée en "B" sur la figure 6), choisi pour cette forme de réalisation, on obtient une suralimentation relativement importante. Les figures 7 à 9 representent schématiquement une forme pré férée de réalisation à plusieurs cylindres du moteur selon l'invention. Pour réduire la dimension et le poids d'un tel moteur, il est avantageux d'utiliser un espace minimal entre les cylindres de combustion adjacents. A cet effet, comme montré sur la figure 9, le piston 12a du compresseur est allongé de manière à présenter une dimension axiale (mesurée dans l'axe des cylindres) égale à son diamètre, et il est orienté transversalement au moteur. Ainsi, comme montré sur la figure 7, les pistons voisins peuvent être adjacents axialement sans qu'il soit nécessaire de ménager un espace supplémentaire pour la partie épaulée de ces pistons.Comme montré sur la figure 8, une chambre collectrice 28a est de préférence réalisée au-dessusde chaque partie épaulée. Tous les dispositifs collecteurs convenant à la géométrie générale du moiteur peuvent être utilisi6pour établir une communication entre la chambre collectrice 28a et la chambre de combustion.. Dans certaines applications, il est préférable de réaliser un dégagement dans le corps cylindrique de la partie principale du piston, juste au-dessus de la partie épaulée 17a, afin de permettre l'utilisation d'un collecteur 28a. La figure 10 représente une forme préférée de joint convenant au piston 12 ou 12a du compresseur. Une gorge circonférentielle 50 du piston 12 comporte une zone épaulée 51 ayant une profondeur radiale réduite. Un joint torique 52, réalisé en tout caoutchouc ou toute matière convenable analogue au caoutchouc, est logé dans la gorge 50 et pousse élastiquement un segment 53 d'étanchéité comprenant un ruban continu de polytétrafluoréthylène ou autre, ayant une section droite rectangulaire. Le cycle de fonctionnement du moteur selon l'invention sera à présent décrit en regard des figures 1 à 4. Sur la figure 1, le piston est à sa position la plus basse, immédiatement avant le début d'une course de compression. Au cours des 1800 précédents de rotation du vilebrequin, le piston est descendu du point mort haut et le clapet 24 de retenue s'est ouvert pour permettre à l'air ou au mélange de carburant et d'air de passer du carter dans le compresseur. En même temps, la partie d'entrée de la soupape rotative 30 s'est ouverte et la charge précédemment contenue dans le collecteur 29 a été aspirée dans le cylindre 18.Comme montré sur la figure 2, le vilebrequin a tourné sur 900 par rapport à la position montrée sur la figure 1, les clapets 24 et la soupape 30 se sont fermés et la partie épaulée 12 du piston 10 est arrivée à sa première des deux courses de compression effectuées pendant le cycle de combustion du moteur afin de faire passer un mélange comprimé d'air et de carburant dans le collecteur 29 par le clapet 27 à présent ouvert. Sur la figure 3, la charge contenue dans la partie principale du cylindre a été mise à feu et le piston a commencé sa course descendante de travail en ouvrant le clapet 24 de retenue pour permettre l'admission d'une charge nouvelle d'air ou de mélange d'air et de carburant dans le compresseur. La figure 4 montre le piston à son point mort haut, à la fin de la course d'échappement du cycle, qui correspond également à la fin de la seconde course de compression. Ainsi, il apparaît que la partie épaulée du piston exécute deux courses de compression par cycle de combustion du moteur. On ne pense pas qu'il existe un rapport critique entre les volumes du compresseur et de la chambre de combustion du moteur. Les volumes relatifs peuvent varier selon ce qui est demandé par obtenir le degré souhaité de suralimentation. Il est préférable que le rapport des volumes des chambres soit égal à un et que par conséquent, le rapport de coKpression soit égal à deux. Le volume du collecteur affecte le fonctionnement principalement par le fait qu'il détermine la durée nécessaire pour atteindre la même pression de travail en régime stable. En d'autres termes, si le volume du collecteur est relativement fable, on atteint la même pression de travail en moins de courses que dans le cas où le volume du collecteur est, par exemple sensiblement supérieur au volume du cylindre de compression. Cependant, le résultat final est le même pour tout moteur donné, car la même pression est toujours atteinte quelle que soit la dimension du collecteur ou la vitesse du moteur. Il est avantageux que le volume du collecteur soit du même ordre de grandeur que celui de la chambre du compresseur et de la chambre de combustion. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au moteur décrit et représenté sans sortir du cadre de l'invention. Par exemple, comme indiqué brièvement plus haut, le dispositif de suralimentation selon l'invention peut être utilisé avec des moteurs à essence à injection ou des moteurs du type "Diesel". Bien qu'un dispositif à soupape rotative ait été décrit et représenté, il est évident qu'il peut être remplacé par tout autre type connu de soupape. De même, le réglage du moteur, l'amplitude de la suralimentation et de nombreuses autres caractéristiques du moteur peuvent être modifiés sans sortir du cadre de l'invention. R E V E N D I C A T IO N S 1. - Moteur à combustion interne à quatre temps comprenant une chambre de enbustion délimitée par un cylindre et un piston qui est monté de manière à pouvoir exécuter un mouvement alternatif dans le cylindre, et un carter, ce piston executant des courses d'échappement, d'admission, de compression et de travail lors de chaque cycle du moteur, ce dernier étant caractérisé en ce qu'il comporte un piston de compresseur porte par le piston du moteur et logé hermétiquement dans un cylindre de compresseur avec lequel il délimite une chambre de compression, un dispositif destiné à introduire une charge d'air dans la chambre de compression lors de chaque course du piston dans un premier sens, un dispositif destiné à recevoir l'air du compresseur lors de chaque course du piston dans l'autre sens, ce dernier dispositif faisant passer deux desdites charges dans la chambre de combustion sensiblement pendant chaque temps d'admission du moteur, le compresseur ayant un volume supérieur à la moitié du volume de la chambre de combustion, de manière qu il assume la fonction d'un dispositif de suralimentation introduisant de l'air dans la chambre de cambus- tion sous une pression supérieure à celle à laquelle l'air arrive à ce compresseur. 2. - Moteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la chambre de compression et la chambre de combustion ont à peu près le même volume. 3. - Moteur selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que son piston a une section droite circulaire alors que le piston du compresseur est allongé, sa petite dimension étant sensiblement égale au diamètre du piston du moteur. 4. - Moteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le dispositif destiné à introduire une charge d'air dans la chambre de compression comprend un clapet de retenue monté dans le piston du compresseur et faisant communiquer le carter avec la chambre de compression pour ne permettre un écoulement que dans le sens du carter vers la chambre de compression.