Brevet FR2500063A1 — publié le 19820820

La présente invention concerne un moteur thermique à faible consommation alimenté à l'aide d'air et de tout carburant usuel: essence, gazole, alcool, etc... et destiné notamment à la propulsion d'un véhicule. On sait que, parmi les causes du mauvais rendement énergétique des groupes motopropulsifs actuels, on peut citer a) le fait que les véhicules utilisent leur moteur dans des conditions de vitesse et de puissance très variables alors que les réglages concernant la carburation, l'admission et l'échappement ne sont optimisés que pour une vitesse et une puissance; b) le fait que ces véhicules utilisent leur moteur dans la plupart des cas à une vitesse beaucoup plus élevée que celle qui serait nécessaire à l'obtention de la puissance désirée, afin de mouvoir disposer subitement d'un fort excès de puissance sans modifier le régime du moteur (reprise du véhicule). La présente invention se situe dans le cadre d'un véhicule dont toutes les fonctions mécaniques sont gérées par un calculateur convenablement programmé. De telles dispositions sont déjà connues et leurs solu- tions pratiques relèvent simplement d'une bonne connais- sance de la mise au point de logiciels. Parmi les fonctions que l'on peut gérer par calculateur se trouvent notamment la carburation et les Dositions d'ouverture et fermeture des soupapes d'admission et d'échappement. La cause a) de mauvais --2-- rendement du groupe motoprop'lsif est ainsi considé- rablement diminuée. Cependant7 il es nécessaire de dis- poser d'une cormoande individuelle de mouvement de chaque soupapes, répondant aux ordres du calculateur. Ce genre de commande peut être de différents types connus. On peut citer les systèmes de poussage électromagnétique (comprenant un solénoide sous diverses formes) ou les sys- tèmes hydro-électromagnétiques. Ces derniers systèmes, beaucoup moins encombrants, se schématisent par une force motrice hydraulique commandée par un tiroir électro- magnétique. La fiabilité de ces systèmes peut être très bonne et leur consommation d'énergie au maximum égale à celle d'un arbre à cames classique qui est bien entendu supprimé sur de tels moteurs à commande par calculateur. Dans ces conditions, l'invention concerne plus précisément le point b) ci-dessus. Si l'on considère en effet sur la figure 1 un exemple de courbes de consommations spécifiques en fonction de la vitesse de rotation N du moteur et de la puissance P demandée, on constate de façon nette qu'on a intérêt pour une même puissance, à faire tourner le moteur le moins vite possible. Le point de fonctionnement du moteur devrait, selon la puissance désirée, se trouver toujours sur la courbe de consommation minimale (K) et qui est, comme on le voit, très près de celle de la puissance maximale que peut fournir le moteur à chacun de ses régimes. En pratique, sur une automobile actuelle, les rapports de transmission sont tels que la courbe (L) sur laquelle se trouvent les points de fonctionnement du moteur est beaucoup plus basse. Le moteur tourne donc plus vite qu'il ne suffirait mais, en contrepartie, il possède une forte réserve de puissance à chaque régime (sauf à proximité de la zone d'utilisation à puissance maximale, évidemment). -3- L'objet de la présente invention est donc de permettre, tout en ayant un point de fonctionnement du moteur très proche de la courbe (K) de consommation spécifique minimale du moteur, d'avoir néanmoins une importante réserve de puissance disponible instantanément. A cette fin, selon l'invention, l'ensemble d'un moteur thermique pourvu de soupapes d'admnission et d'échappe- ment et d'un système de commande dudit moteur comportant un calculateur qui règle l'ouverture et la fermeture des- dites soupapes et qui impose audit moteur un fonctionne- ment proche de celui correspondant à la consommation spécifique minimale er carburant, est remarquable en ce que ledit moteur est pour l'essentiel du type à cycle à quatre temps, en ce que ledit système comporte des moyens susceptibles de détecter les surcharges du moteur et des moyens susceptibles de faire fonctionner exception- nellement le moteur selon un cycle à deux temps, ces derniers moyens étant actionnés par lesdits moyens de détection lorsque la surcharge détectée dépasse un seuil prédéterminée pour qu'alors le moteur passe en fonction- nement à deux temps, le fonctionnement à quatre temps étant rétabli dès que la surcharge a disparu. De tels moyens de détection de surcharge peuvent être de tout type connu, par exemple, dans les dispositifs de changement automatique de vitesses. Ainsi, le cycle nominal du moteur est à quatre temps, ce qui conduit à un bon rendement et une faible pollu- tion (notamment par huile). Lors des accélérations ou des montées de cotes, le cycle passe à deux temps et on peut ajouter éventuellement une suralimentation par la mise en marche d'un compresseur, de préférence électrique. Ainsi, pour un môme régime, la puissance peut être multipliée par deux à trois selon le taux de suralimentation. Cette utilisation en cycle à deux temps n'est que transitoire. Elle donne le temps à l'ensemble du groupe motopropulsif d'augmenter suffisament la vitesse du moteur, donc sa puissance. Le chambre de combustion du moteur est en tous points semblable à celle d'un moteur à quatre temps ordinaire. Les soupapes deadmission et échappement sont commandées individuellement par le calculateur au moyen d'un système hydro-électromagnétique, par exemple. La partie basse du moteur peut en-revanche atre semblable à celle d'un moteur à deux temps classique, sauf en-ce qui concerne l'ouverture ("lumière") et le canal d'échap- pement qui sont supprimés. Sur la branche inférieure de la tubulure d'admission on dispose un compresseur de suralimentation classique commandé par un moteur électrique. Le compres- seur peut dans une variante de l'invention être placé de manière à fonctionner indifféremment pour la surali- mentation du moteur fonctionnant à deux temps ou à quatre temps. Dans ce cas, la tubulure d'admission basse (vers le carter) sera obturée par une électrovanne lorsque le moteur fonctionnera en quatre temps. Sur la partie supérieure des canaux de transfert (2 ca- naux disposés de manière à créer la turbulence maximale dans la chambre de combustion), on dispose une électro- vanne située à la limite du cylindre. Le fonctionnement est le suivant en régime à quatre temps, l'admission et l'échappement se font par les soupapes de la chambre de combustion comme habituellement. L'ordre d'ouverture de celles-ci en régime à quatre temps est fourni par le calculateur. -5- Les électrovannes des canaux de transfert sont fermées et le compresseur est arrêté (ou bien l'électrovanne du canal d'admission vers le carter est fermée si le compresseur est commun à l'admission haute et basse, ou s'il n'y a pas de compresseur). En régime à deux temps, l'admission a lieu dans le carter inférieur par mise en marche du compresseur et (éventuel- lement) ouverture de l'électrovanne du canal d'admission inférieur. La soupape d'admission du cylindre reste constamment fermée. Les électrovannes des canaux de trans- fert sont constamment ouvertes et, enfin, la soupape d'échappement reçoit du calculateur l'ordre du fonction- nement selon un cycle à deux temps (une ouverture par tour avec avance par rapport à l'arrivée du piston au point mort bas). S'il n'y a pas de compresseur, le calculateur donne i 'ordre d'ouverture du canal d'admission inférieur. La lubrification de ce type de moteur pose un problème particulier (le refroidissement du piston n'est pas à considérer car il s'échauffe peu, possédant de préfé- rence une tête isolante). Pour lutter contre la pollution par l'huile, il n'est pas fait appel à la lubrification par mélange d'huile à l'essence. En effet, le moteur fonctionne le plus souvent en quatre temps. Il est toutefois nécessaire de ne pas avoir de volume d'huile apparent dans le bas du carter, ce qui serait incompatible avec le fonctionnement à deux temps. La lubrification est donc assurée par circulation d'huile dans le vilebrequin, la bielle et le piston. L'huile, en quantité juste suffisante, est distribuée au fond de la gorge du segment inférieur du piston, celui-ci possédant un segment racleur supérieur. -6- La récupération d'huile s'effectue dans le bas du carter grâce à un dispositif de récuppratior de type connu "à carter sec". L'orifice d!évacuation d'huile est choisi suffisamment petit pour ne pas perturber le fonction- nement en deux temps. Grâce à ce dispositif, le moteur ne consomme de l'huile (en quantité limitée cependant au maximum) que pendant son fonctionnement en deux temps. Dans une variante de l'invention, le moteur n'utilise plus son carter pour favoriser le remplissage du cylindre en fonctionnement en deux temps. Dans ce cas, la canalisation basse d'admission débouche directement dans le cylindre au point mort bas au niveau duquel débouchent, dans un moteur à deux temps ordinaire, les canaux de transfert (supprimés dans ce cas); c'est le compresseur qui effectue alors à lui seul tout le travail de remplissage du cylindre, le carter du moteur n'ayant plus de rôle à jouer dans le remplissage. La lubrification par projection d'huile classique peut être utilisée comme dans un moteur à quatre temps ordinaire. On comprendra bien comment l'invention peut être réalisée en suivant la description ci-après en regard des dessins annexés. La figure 2 représente une réalisation selon laquelle le fonctionnement en deux temps met en oeuvre un transfert des gaz par le carter. La figure 3 représente une réalisation selon laquelle -7- le fonctionnement en deux temps s'effectue sans trans- fert de gaz. La figure 4 représente une réalisation selon laquelle une suralimentation variable est effectuée aussi bien pendant le fonctionnement à deux temps que pendant le fonctionnement à quatre temps. Sur ces figures des références identiques désignent des éléments semblables. Le mode de réalisation du moteur selon l'invention, illustré par la figure 2 comporte un cylindre 1 soli- daire d'un carter 2. Un piston 3 coulisse alternativement dans le cylindre 1 entre la position basse (point mort bas) représentée et la position haute (point mort haut) indiquée en pointillés. Le piston 3 est relié par une bielle 4 à un vilebrequin classique 5 tournant autour de l'axe 6. La hauteur du piston 3 est au moins égale à sa course, afin, comme on le verra par la suite, d'obturer l'orifice en position basse et de le découvrir en position haute. Un ou plusieurs canaux de transfert 7 relient le carter 2 à une ou plusieurs ouvertures ou "lumières" 7a situées sur la paroi du cylindre 1 immédiatement au-dessus du piston 2 lorsque celui-ci est au point mort bas. Une vanne 8, commandée par un électro-aimant9, obture le canal de transfert 7 lorsque le moteur selon l'invention fonctionne suivant un cycle à quatre temps. Elle est commandée par un calculateur (non représenté) auquel elle est reliée par une connexion 9a. -8- Le haut du cylindre 1, ou culasse, comporte une tubulure d'admission 10 reliée à un dispositif carburateur 11,dans le cas o le moteur selon l'invention n'utilise pas l'in- jection directe du carburant, ce carburant 11 étant ali- menté en air par une pipe 12. L'orifice par lequel la tubulure 10 débouche dans la culas- se est contrôlé par une soupape d'admission 13, commandée de préférence par un dispositif électromagnétohydraulique 14 lui-même commandé par ledit calculateur et relié à celui-ci par une connexion 14a. La culasse comprend également une tubulure d'échappement 17 dont l'orifice dans ladite culasse est contrôlé par une soupape d'échappement 15 commandée de préférence par un dispositif électromagnétohydraulique 16, lui-même commandé par ledit calculateur et relié à celui-ci par unme connexidon 16a. Lorsque le moteur fonctionne avec un allumage commandé, celui-ci est effectué à l'aide d'une bougie d'allumage 18, activée par l'intermédiaire dudit calculateur. Lorsque ledit moteur fonctionne avec auto-allumage, la bougie d'allumage 18 est remplacée par une bougie de ré- chauffage et éventuellement un injecteur par exemple un injecteur de gazole (fonctionnement en "diesel"). Dans ce cas, le dispositif carburateur 11 est supprimé. Entre le carburateur 11 et le siège de la soupape 13, la tubulure 10 comporte un canal de dérivation 19 qui la relie -au cylindre 1 à l'aide d'une "lumière" 20 placée dans la paroi de celui-ci, immédiatement en dessous du piston 3 lorsqu'il est au point mort haut (mais obturée par ledit piston au point mort bas),et par l'intermédiaire soit d'un compresseur, soit d'une électrovanne, représentés en 21. Le compresseur 21 se comporte à l'arrêt comme une électrovanne et obture le canal 19 dans ce cas. Il est activé de préfé- rence par un moteur électrique commandé par ledit calcula- teur auquel il est relié par une connexion 21a. Il peut éga- lement être actionné par l'arbre du moteur à l'aide d'un embrayage électromagnétique.Selon son régime, le compresseur -9- 21 fournit à sa sortie une pression absolue de 1 à 4 bars et n'est activé que lorsque le moteur fonctionne en cycle à deux temps. De même, lorsqu'il est remplacé par une simple électrovanne, celle-ci n'est activée à l'ouverture que pour un fonctionnement à deux temps. Le bas du carter 2 est relié par un orifice 22 à un dispo- sitif 23 de récupération d'huile connu du type "à carter sec" qui évacue l'huile du carter vers un réservoir par l'intermédiaire d'un conduit 24. Le carburateur 11 est commandé par un dispositif électroméca- nique qui reçoit ses ordres du calculateur (liaison lla). L'ordre d'accélération donné par le conducteur ne se traduit donc pas par une augmentation proportionnelle du débit du gaz. Le réglage de ce débit tient compte du régime du moteur, de la puissance qui lui est demandée, du cycle de fonctionne- ment (deux ou quatre temps), de la vitesse du compresseur de suralimentation et de la tendance à l'apparition du phé- nomène de cliquetis.Ces divers éléments (ainsi que d'autres si nécessaire) sont pris en charge sans difficulté par le logiciel du calculateur. L'ordre du conducteur est trans- mis au calculateur à l'aide d'une pédale 27 activant un transmetteur de position 28. Il est possible de transmettre au calculateur la valeur de la charge appliquée au moteur à l'aide d'un couple- mètre 29 relié à l'arbre du moteur 6 par une liaison 30, et audit calculateur par une liaison 29a. En régime de charge normale, le calculateur commande le fonctionnement du moteur selon un cycle à quatre temps en suivant la courbe (K) de consommation minimale. Dans ce cas, l'alimentation en carburant se fait par la tubulure 10 et la soupape 13, et l'échappement des gaz à travers la soupape 15 et la tubulure 17; de plus, la tubulure 19 est obturée par le compresseur 21 et il en est de même des canaux de transfert 7 par les vannes 8. Lorsqu'un ordre d'accélération, donc de surcharge pour la vitesse actuelle du moteur, est donné par le conducteur, -10- le calculateur impose irmiédiatementç le fonctionnement en cycle à deux temps ainsi qu'une suralimentation par- tielle. Le taux de suralimentation lié à la vitesse du compresseur sera déterminé Dar le calculateur, qui pren- dra en compte, d'une part la nécessité pour répondre au désir du conducteur de fournir une puissance instantanée suffisante, d'autre part la nécessité de limiter le remplissage du moteur à une valeur ne risquant pas de provoquer le phénomène néfaste de cliquetis. Un détecteur iO (connu) de cliquetis sera donc utilisé et ses indications serviront au calculateur pour déterminer le taux maximal de suralimentation instantanée ainsi que l'avance à l'al- lumage approprié. Dès que le processus de surpuissance momentanée (change- ment de cycle quatre temps-deux temps et suralimentation éventuelle) cesse d'être indispensable, soit parce que l'augmentation du régime du moteur obtenue pendant le fonctionneraent permet de se satisfaire de la nouvelle puissance au point de consommation minimal en cycle à quatre temps, soit parce qu'on veut revenir à la puissance initiale, le calculateur fournit les indications pour le retour du cycle quatre temps non suralimenté. Pour donner ces ordres le calculateur tient compte, en particulier, de l'indication fournie par le conducteur sur la pédale d'accélérateur et aussi notamment d'une valeur mesurée du couple moteur. Les figures 3 et 4 montrent des variantes de réalisa- tion dans lesquelles le cycle à deux temps est obtenu sans précompression dans le carter 2 et sans transfert du mélange carburé ou de l'air.Les canaux de transfert 7, l'électrovanne 9 et le dispositif 23 sont également sup-. primés.La lubrification est assurée classiquement par projection d'huile. Dans le système de la figure 3, le compresseur 21 est obligatoirement utilisé et activé comme précédemment, mais le canal 19 relie la sortie dudit compresseur au -11- cylindre 1 par l'intermédiaire d'un orifice 20 situé dans sa paroi immédiatement au-dessus du piston 3 lorsque celui-ci est au point mort bas. En fonctionnement à deux temps, la pression d'admission de gaz dans le cylindre est uniquement fournie par le compresseur 21. Les autres éléments du système de la figure 2 restent semblables et sont indiqués par les mêmes références. Il est possible d'ajouter dans le canal 19 une électro- vanne telle que 8,9,9a au voisinage de l'orifice 20 dans le cylindre 1, celle-ci obturant le canal 19 pendant les phases de fonctionnement dudit moteur selon un cycle à quatre temps. Sur la figure 4, on a représenté un mode de réalisation de l'invention selon lequel une suralimentation variable est effectuée aussi bien selon le cycle à deux temps que selon le cycle à quatre temps. L'alimentation en cycle à deux temps peut se faire avec ou sans transfert par le carter 2. Elle est représentée ici sans transfert. Par rapport à la réalisation selon la figure 1, le canal 19 rejoint directement la tubulure d'admission 10, le compresseur 21 étant placé entre le raccord de 10 et 19 et le dispositif carburateur 11, si celui-ci est utilisé. Une électrovanne 26 obture le canal 19 près du cylindre 1 à l'aide d'une vanne 25 pendant les phases de fonctionnement selon un cycle à quatre temps. Cette électrovanne 26 est commandée par le calculateur et reliée à celui-ci par une connexion 26a. Les autres éléments restent semblables à ceux des réali- sations précédemment décrites. Selon cette réalisation, la loi de régime du compresseur 21 n'est pas une fonction directe du régime du moteur. Le compresseur 21 est entraîné, soit par urn moteur électrique à vitesse variable déterminée par exemple par ledit calculateur,soit par l'arbre moteur par l'inter- médiaire d'un variateur de vitesse commandé soit par -12- ledit calculateur, soit par un dispositif mécanique ou électromécanique prenant en compte la position de l'accélérateur et la charge du moteur. Par exemple, lorsque le moteur selon l'invention fonctionne selon un cycle à quatre temps, qu'il est à la limite de sa puissance maximale avec une alimentation sensiblement normale, et qu'un petit supplément de puissance lui est demandé, il est pos- sible de suralimenter le moteur, ce qui peut être -10 préférable que de passer à un fonctionnement en cycle à deux temps. Cette variation d'alimentation à régime sensiblement constant assure également une solution de continuité lors des passages de fonctionnement quatre temps deux temps qui peuvent être séparés par une phase à quatre temps suralimentée. Une suralimentation est également utile pendant une phase de fonctionnement à deux temps, lorsque la charge augmente et que le moteur fournit sa puissance maximale avec une alimentation normale. Cette variation d'alimentation permet de linéariser la courbe de puissance du moteur sur plage réduite de régimes, ce qui permet d'optimiser sa consommation de carburant. Ainsi, dans une plage réduite de régimes et éventuelle- ment à régime constant, le moteur selon l'invention peut fournir une plage de couples importante. Lorsque le transfert des gaz par le carter n'est pas utilisé pour le fonctionnement en deux temps, il est intéressant que le compresseur tourne par exemple 1,5 à 2 fois plus vite pendant une telle phase de fonc- tionnement par rapport à une phase de fonctionnement à quatre temps, celui-ci devant dans ce cas fournir -13- à lui seul la pression de remplissage du cylindre. -14- R E V E N D I C A T I O N S 1.- Ensemble d'un moteur thermique pourvu de soupapes d'admission (13) et d'échappement (15) et d'un système de commande dudit moteur comportant un calculateur qui règle l'ouverture et la fermeture desdites soupapes et qui impose audit moteur un fonctionnement proche de celui correspondant à la consommation spécifique mini- male en carburant,caractérisé en ce que ledit moteur (1,2,3,4,5,6) est pour l'essentiel du type à cycle à quatre temps, en ce que ledit système comporte des 1O moyens (28,29) susceptibles de détecter les surcharges du moteur et des moyens (7,9a,14a,16a, 20,21a,26a) susceptibles de faire fonctionner exceptionnellement le moteur selon un cycle à deux temps, ces derniers moyens étant actionnés par lesdits moyens de détection lorsque la surcharge détectée dépasse un seuil prédé- terminé pour qu'alors le moteur passe en fonctionnement à deux temps, le fonctionnement à quatre temps étant utilisé dès que la surcharge a disparu. 2.- Ensemble selon la revendication 1, dans lequel le moteur comporte une tubulure d'admission aboutissant à la ou aux soupapes d'admission, caractérisé en ce qu'il comporte une dérivation reliant ladite tubulure à une lumière disposée sur la paroi du cylindre du moteur et en ce que ladite dérivation est obturable de façon commandée par ledit calculateur. 3.-Ensemble selon la revendication 2, caractérisé en ce que le moteur comprend un ou plusieurs canaux de transfert connectant son carter étanche à un ou plusieurs orifices dispose sur la paroi du cylindre immédiatement au-dessus dudit piston lorsque celui-ci est un point mort bas, mais obturé par celui-ci au point mort haut, en ce que lesdits canaux de transfert sont obturables de façon commandée par ledit calculateur et en ce que ladite lumière se trouve obturée par le piston lorsque celui-ci est au point mort bas, mais dégagée lorsque le piston est au point mort haut. 4.Ensemble selon la revendication 2, caractérisé en ce que ladite lumière se trouve obturée par le piston lorsque celui-ci est au point mort haut, mais dégagée lorsque le piston est au point mort bas. 5.- Ensemble selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que ladite dérivation est obturable par un compresseur. 6.- Ensemble selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que ladite dérivation est obturable par une électrovanne et en ce qu'un compres- seur est disposé sur la tubulure d'admission. 7.- Ensemble selon l'une quelconque des revendications ou 6, caractérisé en ce que la vitesse de rotation du compresseur est indépendante de la vitesse de rotation du moteur.