Brevet FR2538031A2 — publié le 19840622

FR 2538031 A2 19840622 FR 8221490 A 19821216 La présente invention concerne les "moteurs deux temps à pistons complemen- taires". Elle est une seconde addition à la demande de brevet enregistrés sous le N0 82 OI679, apurés une première addition enregistree sous le NO 82 1750?. La puissance expansive de la combustion des gaz, dans une unité de moteur deux temps à pistons complémentaires, commence à agir, conjointement sur les deux pistons, lorsque la compression est à son maximum. Si "l'angle de décalage des manetons" (A.D.M.) est conséquent, le piston PI. côté échappement, a dépassé le P.M.H.En début de course descendante, il aborde les positions favorables pour transmettre un couple de moyenne valeur relative à son vilebrequin VI. En revanche, le piston antagoniste P2 est dans la zone correspondante de sa course ascendante et exerce un couple, appels à décroître extrèmement vite, certes, mais de sens opposé au premier. 9 l'instant caractéristique suivant, P2 est an P.M.H., P2 n'exerce plus de couple opposé, P2 est la butée qui permet à PI, proche de, ou situé à sa position d'efficacité optimale, d'imprimer aux vilebrequins VI Y2 le couple moteur maximal en rapport avec la charge gazeuse propulsive. A l'instant Ca- racteristique suivant, PI et P2, conjointement en course descendante, transmettent tous deux des couples s'additionnant dans le sens d'utilisation. Cette sommaire analyse met en relief l'action contrariante qu'un A.D.M. consé- quent entraîne à proportion pour F2 sur une course, action toujours brève en regard du temps moteur, mais qui n'en constitue pas moins une cause non négligeable de contraintes sur l'accouplement des vilebrequins et une légère perte de puissance. La disposition selon l'invention supprime eette consequence parasitaire du décalage. Soit une unité motrice dont les deux cylindres sont disposés cote- b-côte, axes parallèles, ou axes déterminant un angle trés aigu. Deux culasses sé- parées les coiffent (ou l'équivalent en une pièce). Chaque piston dispose, dans sa zone de PMH, d'une chambre indépendante, où il trouve sa pleine compression individuelle et subit la eombustion propulsive provoquée selon son diagramme optimal particulier. Ce n'est que lorsque les deux pistons ont parcouru une partie de leur course descendante qu'un couloir entre les "refuges" en fait une chambre unique qui mêle les gaz brûlants encore sous forte pression.Le temps moteur continue jusqu'd ce que PI, atteignant sa zone de PMB, démasque la "lumière" d'échap peinent. L'organisation de ces moteurs, hormis les passages sommitaux des calottes de pistons en "refuges particuliers", est conforme à celle commune aux différen- tes versions des moteurs deux temps à pistons complémentaires. Selon une première variante, deux cylindres de même diamètre, aux axes peral- lèles, sont disposés côte-à-côte; pistons "super-carrés", les vilebrequins en sont proportionnellement réduits, qui trouvent place, leurs axes parallèles, dans un plan parallèle à celui contenant les bases des cylindres. Deux engrenages aux dimensions moyennes peuvent suffire pour l'accouplement de ces vilebrequins rap proches. Le carter-pompe du piston PI est alimenté en air seul, qui assure la fonction de "balayage". Le carter-pompe de 1 autre piston, P2, est alimente en mélange gazeux air/combustible. Chaque cylindre est coiffé d'une culasse, qui contient la voûte du refuge sommital devenant particulier à chaque piston lorsque le couloir est obstrué.Cette variante de moteur à pistons complémentaires emploie une disposition traditionnelle des cylindres, dont la fonderie et l'usinage ne présentent dono pas de problème particulier. Sa forme générale, de même, lui permet de s'insérer dans les structures d'utilisation aux proportions habituelles. Selon une seconde variante, la macle structure des organes mécaniques est utilisée, mais avec alimentation en mélange air/combustible pour les deux carterspompas. Pour sauvegarder en grande partie l'avantage d'une consommation raisonnable ,les particularités à respecter ont été décrites dans la demande de certificat d'addition n 82 17507. Selon une troisième version, la même structure-des organes mécaniques est utilisée avec une alimentation simplifiée et proche de la formule "deux temps" tradi tonnelle. Les deux carters-pompes, alimentés tous deux en mélange gazeux air/combustible, sont groupés pour un seul flux d'admission.dans la chambre expansée. Le piston P2 est leur vanne commune, qui détermine l'irruption du mélange gazeux air combustible par l'ouverture, en zone de PMB, des orifices- qu'il régit Ce flux unique assure donc "balayage" et "remplissage" comme dans un "deur temps" classique; le décalage des pistons, caractérisé par l'A.D.M., doit etre inférieur à la valeur pour laquelle l'échappement est fermé lorsque l'admission s'ouvre.Retrouvant le cycle classique, on retrouve le risque de déperdition d'une partie des gaz frais, qui, chassant les ultimes gaz bru lés, ont tendance à les suivre par l'échappement ouvert. Toutefois, ici, le chemin est long pour ces gaz, admis dans un cylindre, et pour qui l'issue est dans le second; y arrivant, ils ont perdu la pression qui les animait De plus, bien que faible, existe un décalage, qui fait que cette issue déjà se ferme; l'admission se poursuit, échappement fermé, par l'effet de cet ADM. C'est par là que le système se différencie du "deux temps" normal. Pour connecter les deux carters-pompes, on peut faire déboucher les canaux de transfert du premier dans ceux du second;ou bien donner aux canaux de transfert du prenier issue dans la zone de PMB de P2. Nais les vilebrequins étant proches, un canai direct entre les carters est la solution la plus simple. Il cen- vient que ce canal soit à sens unique : l'angle de décalage des manetons ayant pour conséquence une avance de PI sur 52, le premier piston amorçant sa remontée avant la fin ae l'admission diminuerait prématurément la pression des gaz frais; le "remplissage" en serait affecté. Le canal comporte donc un clapet qui n'auto- rise le passage que dans le sens carter n 1 vers carter n 2. Si les carters-pompes étaient connectés par les canaux de transfert, les canaux du n 1 seraient également orientds ainsi. Les diverses dispositions des cylindres déterminent de nombreuses variantes possibles pour les moteurs deux temps à pistons cnmpîémentaires et "refuges som mitaux cycliques". Les deux conditions indispensables sont : cylindres proches, et, prenant l'une des génératrices les plus rapprochées et le plan qui lui est perpendiculaire au pied, la génératrice correspondante de l'autre cylindre doit outre contenue au moins en partie du même c8td de ce plan Ainsi un couloir court est possible entre les parties médianes des cylindres Ceux-ci peuvent etre en V aigu, ouvert vers les vilebrequins (si, par exemple, ils sont encombrants) ou vers les culasses (meilleur refroidissement).Les courses des pistons peuvent être différentes; les diamètres aussi (certaines proportions de chambre expansée peuvent rendre le balayage plus efficace). Un autre point commun particulièrement intéressant de certaines variantes concerne les vilebrequins. La disposition des cylindres "voisins" suggère un a*- couplement "bout-à-bout" pour les vilebrequins; c'est-à-dire un seul vilebrequin aux manetons décalés d'un A.D.M. Les moteurs 2T à"pistons complémentaires et refuges sommitaux cycliques", embiellages conventionnels sur un unique vilebrequin, présentent tous les avantages du moteur 2T à "pistons complémentaires" ; puissance potentielle accrue et consommation très diminuée face au "2' conventionnel"; simplicité, légèreté, puissance, prix de revient trés inférieur, face au "4T."; et n'ont pas les principaux défauts de ce moteur 2T "à pistons complémentaires : couple antagoniste fugace tronquant le temps moteur, nécessité d'une transmission entre vilebrequins distincts.Ces moteurs à vilebrequin unique, simples, légers, compacts, peuvent naturellement relever de l'un, quelconque, des systèmes d'alimentation évoqués pour les trois premières variantes' : "balayage par air seul" "double alimentation", "flux unique balayage/admission"; les différentes formes du premier système étant décrites dans la demande de brevet n 82 01679; le second dans la demande de certificat deaddition n0 82 I7507; le troisième dans la présente demande où il caractérise la troisième variante dans l'ordre de la description.Avec leur vilebrequin dont les manetons ont leurs axes parallèles, ces moteurs ont. les axes de leurs cylindres contenus dans des plans perpendiculaires à l'axe du vilebrequin; les axes des cylindres ne sont donc pas concourants; ils peuvent avoir des directions selon un angle aigu, mais seront le plus souvent choisis parallèles. De même, par souci d'homogénéité, et pour ne pas compliquer lwusinage, les cylindres auront généralement même diamètre, les pistons courses identiques. La recherche de caractéristiques particulières peut cependant conduià l'adoption de cotes non homogènes. Les différents types d'unités motrices précédemment décrits sont con çus en fonction de l'utilisation de l'un des carburants actuels : essence, gaz divers, qui impliquent l'allumage par bougies, l'alimentation par carburateurs, ou mélangeurs, voire par injecteurs; mais aussi gasole, et les moteurs à refuges sommitaux cycliques sont alors dessinés selon les normes traditionnelles du procédé "diesel" : pièces mécaniques très robustes et soignées, taux de compression trés élevé, alimentation par pompe à injection et injecteurs débitant dans le, ou les, carters-pompes, ou dans les canaux de transfert; et le déclenchement de la combustion des gaz s'obtenant par auto-allumage dans les refuges, lors des PMH des pistons.Cela se traduit par deux impulsions moteur successives par course, impulsions séparées d'une rotation des vilebrequins, ou du vilebrequin, de la valeur angulaire d'un A.D.K. Cette caractéristique est commune à tous les moteurs "à refuges sommitaux cycliques". Il en est de même de la longueur de la portion de course en refuge sommital; sans que ces parties, pour les deux cylindres, soient nécessairement égales (le couloir peut avoir une direction générale oblique par rapport aux axes des cylindres), la somme de ces parcours en refuge doit être au moins égale à la différence "d'altitude" des pistons lorsque l'un est au PMH, Si cette condition n'est pas remplie, le couloir commence à s'ouvrir au début du temps moteur, alors que P2 monte encore, et "le" couple antagoniste se manifeste très brièe- ment par P2.Mais ces refuges peuvent aussi hêtre longs, et les pistons rester in dépendants' jusqu'à un maximum atteignant meme la longueur de course active, c' est-à-dire -jusqu'au début d'ouverture de l'échappement par PI; dans ce cas, au même instant, la calette de P2 viens affleurer la limite supérieure du couloir par où vont passer les gaz brûlés surgissant du "refuge expansé" de P2. S'il y a retard, le début d'ouverture de ce couloir par ce piston P2 doit cependant sui- vre de très prés le début d'ouverture de l'échappement commun.Car le couloir sert presque simultanément pour le balayage qu'effectue le flux issu du carterpompe n I; et aussi, ultérieurement, pour l'admission dans le refuge de PI, du mélange gazeux air/combustible délivré par le carter-pompe n 2. Il importe donc que le temps de libération des issues de ce couloir soit suffisant pour permettre à ces échanges gazeux d'8tre complets. Dans l'hypothèse d'un choix de refuges longs, on peut privilégier l'échange gaz frais du carter-pompe n02 vers le refuge nul encore expansé en allongeant le diagramme d'ouverture du couloir côté refuge n 1; cette différenciation s'impose en particulier si l'alimentation est du mode ou elle repose uniquement sur l'apport du carter-pompe n02 (balayage par air seul). Toujours dans l'hypothèse d'un choix de refuges longs, on peut privilégier le flux "gaz frais du carter-pomp? n 1" vers le refuge n 2 expansé en allongeant'lé diagramme d'ouverture du couloir côté refuge n029 cette différenciation semble surtout utile si l'alimentation en mélange air/combustible s'applique aux deux -carters-pompes; les gaz frais du n 1 sont dirigés par l'orientation des canaux de transfert préférentiellement vers le refuge n02, pour éloigner ces gaz de l'échappement.Enfin, le choix de langueurs de refuges minimales grandes hauteurs de couloir aux deux issues) semble devoir etre plus bénéfique au système "admission uniaue", qui additionne dans un meme flux les gaz frais des deux cartere-pompes, et employé avec A.D.M. Enfin, l'alimentation des carters-pompes peut relever de l'une ou l'autre des formules actuellement utilisées : tubulure d'alimentation dont la lumière est découverte par le piston lorsqu'il est au PMH; ou bien alimentation latérale du carter à travers l'ouverture d'une longueur d'arc d'un disque de distributeur rotatif. La figure 1 du dessin annexé est le schéma d'une unité motrice à pistons com- piémentaires selon l'une des configurations faisant l'objet du brevet n 82 01679. L'instant représenté est celui du début de combustion des gaz comprimés, instant où se manifeste (force Fa) le couple antagoniste fugace que P2 par B2 transmet à V2. Ce couple, déjà faible, s'annule trés vite quand P2 atteint son PMH. L'ADM est figuré. la figure 2 est le schéma d'un moteur 2T,pistons complém. à "refuges sommitaux cycliques" Rl et R2, réunis par ur couloir CL. Les vilebrequins VI V2' sont accouplés par engrenages. Le système d'alimentation est celui pour lequel le carterpompe CFl ne pulse que de l'air : balayage par le transfert d'air TRA. Le débit de l'alimentation air est commandé par le papillon pA, actionné conjointement avec la commande des gaz du carburateur CB. Le carter-pompe CP2, alimenté par CR, donne pression à l'admission qui s'opère par le transfert TR lorsque Pl a fermé l'échappement EC. La figure 3 est l'illustration de la double alimentation avec la meme disposition des organes mécaniques. Les transferts TFl du earter-pompe CPl ont leurs directions et leurs lumières ADl étudiées pour que les gaz qui les empruntent Jaillissent préférentiellement vers R2. La figure 4A, toujours avec la meme disposition des organes mécaniques, il lus- trele système d'alimentation "balayage/admission par simple flux". L'issue de ce flux, la lumière AD, est représentée ouverte. Dans un deux temps classique, l'é chappement EC serait ouvert. Dans un 2T à pist. complém. avec un A.D.M.#&alpha; ,l'é- chappement serait fermé (figure 43). Ici, avec un A.D.M. La figure 5A représente un moteur 2T pist. complém. et refuges sommitaux cy- cliques dont le vilebrequin Vl.2 est unique, et les embiellages (pistons Fl P2, bielles 31 B2) conventionnels, aux positions respectives prés qu'occupent les na- netons. Ce type de moteur rérnit le maximum d'avantages. Il est ici en version diesel, avec balayage par air seul (carter-pompe CP1). La pompe à injection ppI, calée sur le vilebrequin, débite dans l'injecteur Ij placé dans la tubulure d'alimentation du carter-pompe CP2. Une culasse Cls coiffe les deux cylindres. Le schàma 53 est une "tue de droite" du vilebrequin avec ses équipements alternatifs Pi P2 B1 32. Les différentes proportions du couloir CL données comme exemples dans la description sont respectées sur les figures 2, 3, 4, 5 et 6 selon les emplcis défi- nis. La figure 6 est la coupe schématique d'une unitd moteur 2T à P.C. et sommitaux cycliques dans la version "un seul vilebrequin", et avec une alimenta- tion "essence". Le système employé est le "balayage/admission flux unique", et les carters-pompes sont alimentés en série par un seul carburateur CB, dont le débit est régi par le disque Ds d'un distributeur rotatif. Deux canaux à clapets C@@ as- surent une large communication du carter-pompe nol vers le n02. Ce système "flux unique balayage/admission", et la figure 4, serviront à examen détaillé du fonctionnement d'un moteur à refuges som. cycliques. Pour l'instant de la figure,l'admission AD est ouverte, et le mélange gazeux air/com- bustible, précédemment contenu dans les deux carters-pompes CP1 et CP2, a jailli par cet orifice et occupe la chambre commune expansée, faite de la réunion des re- fuges R1 et R2 par le couloir CL ouvert. Ces gaz frais ont bousculé les derniers gaz à haute température qui partent par l'échappement EC encore ouvert en partie. Le piston Pl a commencé sa course ascendante, mais il ne fait pas pour autant chuter la pression du jaillissement par AD, car- le clapet Clp est fermé Il mon- tant encore ferme l'échappement. L'élan des gaz admis est stoppé devant ce seuil; il y a trés peu de pertes.Légèrement décalé, P2 amorce aussi a cet: instant sa montée, fermant en partie l'admission; les derniers gaz frais passent, sans per- te possible. a l'instant caractéristique suivant, P1 et P2 debutent la compression dans la chambre encore commune, le couloir CL étant partiellement ouvert P1, puis P2, continuant leurs montées, ferment le couloir, et leurs calottes pénètrent dans les refuges sommitaux où la compression des gaz atteint son maximum Simultanément s'opère l'alimentation des carters-pompes respectivement par ALI 1 et ALI 2, la montée des pistons ayant d'abord créé la dépression, puis ouvert l'orifice des carters; ceux-ci s'emplissent donc du mélange gazeux air/combustible fourni par le carburateur- CF. Coté chambre, et pour la valeur de l'avance à @allumage, les étin- celles aux bougies ont légèrement précédé les PMH; les combustions se sont amor- cées, et, séparées par l'écart de temps résultant du décalage, deux explosions chassent les pistons des refuges pour la course moteur. En même temps qu'ils transmettent l'énergie aux vilebrequins, Pl et F2, ayant obstrué ALIl et ALI 2, commen- cent à comprimer les gaz frais enclos dans les carters.Coté "hauts de cylindres" le couloir CL s'ouvre; le petit volume de gaz qui y était demeuré s'enflamme, ajoutant sa pression à celle égalisée dans la communauté de- chambre retrouvée. L'instant caractéristique suivant, est le début d'ouverture de l'échappement, atteint par le sommet de Pl les gez brûlés commencent à jaillir vers l'extérieur Avec un retard correspondant sensiblement à l'effet du décalage, le piston F2 s' efface ensuite devant la partie supérieure de la lumière AD (ou : LES lumières AD, CP2 comptant généralement plusieurs canaux de transfert pour accroître le débit gazeux et mieux diriger les gaz, dont les jets se donnent dans la chambre un appui réciproque). La plus grande partie des gaz brulés s'est évacuée pendant ce temps, et les gaz frais admis occupent le volume et expulsent les derniers gaz à haute température (balayage) par l'échappement encore partiellement ouvert. Et le cycle recommence. Les refuges sommitaux cycliques constituent l'amélioration éliminant le couple antagoniste fugace, ais bien que moins grave qu'il y parait dans la mesure où il s'assimile à une sorte de réaction récupérée dans la dyaami- que du mouvement, n'en constitue pas moins un élément de doute. 'ses versions à vilebrequins bout-à-bout, ou à vilebrequin unique, sont l'amélioration éliminant une transmission susceptible de se détendre, de s1user, et constituant un élément onéreux affectant le rendement d'une perte certes peu con sidérable, mais jusque là inévitable. La disposition côte-à-côte des cylindres constitue une normalisation, à cylindrées égales, par rapport aux formes générales traditionnelles. Le moteur deux temps à pistons complémentairès atteint ainsi à la simplicité et l'efficience évidente au terme de son évolution. A puissance égale, il est désormais moins encombrant, de cylindrée inférieure, tout aussi rustique indéréglable et robuste que le moteur 2T actuel; et plus sobre, de beaucoup. Face au "quatre temps", il affiche la suprématie de sa puissance potentielle libéré des étranglements et détours auxquels les canaux du 2T classique sont obligés de se soumettre, le moteur 2T à pistons compiém et ref. som. cycliques peut prétendre, à cylindrée égale, être théoriquement deux fois plus puissant, avec une consommation raisonnable et voisinc,selon le rapport du travail mécanique fourni; tout en conservant le faible prix d'achat et les économies d'entretien que leur simplicité constitutive valent aux moteurs deux temps Le moteur deux temps à pistons complémentaires dans ses versions les plus évoluées peut donc concurrencer avec avantage les moteurs thermiques actuels dans les petites et moyennes cylindrées propulsion de vénicules, de petits bateaux, animation des groupes industriels légers. REVENDICATIONS 1. Loteur thermique fonctionnant selon le cycle "deux temps' dont l'unité de base est composée de deux-eylindres communiquants, dans lesquels coulissent deux pistons Fl P2 solidaires de deux vilebrequins Vl V22 ces vilebrequins étant liés en rotation dans un rapport 1 ou -1; les pistons étant montés en opposition, et délimitant dans les hauts de cylindres le volume variable d'une chambre; ces pistons étant décalés, et ce, d'une valeur choisie et immuable exprimée en unités d'angle rapporté aux positions relatives des manetons (A,D..) sur les cercles qu' ils décrivent; les deux ensembles "piston/bieîle/vilebrequin" déterminant avec leurs carters deux "carters-pompes" dont le décalage de fonctionnement est exploité pour minimiser ou supprimer les pertes de mélange frais air/combustible, qui sont inévitables au moment de l'admission pour le moteur "deux temps" conventionnel; le carter-pompe qui est régi par P1, piston dont l'autre rôle auxiliaire est d'être la vanne programmant l'échappement, pouvant être alimenté, selon le système employé, soit en air seul; soit en mélange gazeux air/combustible; le carter-pompe ayant pour piston P2 étant alimenté en mélange gazeux air/combustible; le combustible employé étant l'un, quelconque, de ceux disponibles à cet usage; - caractérisé par l'organisation particulière de la chambre, qui se scinde en plasieurs volumes clos lorsque les pistons occupent des positions comprises entre les pointe morts hauts et des points proches déterminés; les chambres indépendantes en têtes de cylindres, ainsi obtenues, étant délimitées par les surfaces internes-de culasses conventionnelles, un "couloir'1, ou des couloirs, réunissant deux parties correspondantes moyennes des courses dans les deux cylindres étroitement voisins; et les pistons, vannes conjointes des orifices de 'couloirs", scindant les volumes ou les réunifiant selon un diagramme firme 2. Moteur selon la lière re@emdication, caractérisé par un système de "balayage/ admission" en un seul flux, système proche de icelui du "deux temps" traditionnel; les deux carters-pompes relatifs aux deux ensembles alternatifs étant réunis par un canal, ou des canaux, à clapet(s), n'autorisant la circulation des gaz que dans le sens : "carter-pompe du piston n l" vers "carter-pompe du piston n02"; le piston Fl, côté chambre, tétant vanne que d'échappement; le piston P2, toujours coté chambre, n'étant vanne que d'admission, mais de double provenance; et l'A.D.M. étant inférieur à la valeur caractéristique&alpha;, pour laquelle échappement et admission sont séparés dans le temps. 3. Moteur selon la revendication n021 caractérisé en ce que le tcarter-pompe n 1" débite directement dans la zone d'admission régie par le piston P2 dans le deuxième cylindre; les canaux de transfert du carter-pompe n 1, orientés par clapets, débouchant dans les canaux de transfert du carter-pompe n02. 4. moteur selon la troisième revendication, caractérisé en ce que les canaux de transfert du carter-pompe ntl, orientés par clapets, débouchent directement par des orifices particuliers dans le deuxième cylindre, en zone d'admission ré- gie par le piston P2. 5. Moteur selon l'une des revendications 1, 2, 3, ou 4, caractérisé par l'ac@@ couvrement "bout-à-bout" des deux vilebrequins 6. Moteur selon la revendication n 5, caractérisé en ce que les deux vilebrequins forment une seule pièce; ce vilebrequin unique se différenciant de celui d'un bi-cylindre "deux temps" conventionnel par la valeur de l'A.D.M. 7. moteur selon l'une, quelconque, des revendications 1, 2, 3 ou 4, caractdri- sé par l'utilisation de deux seuls engrenages identiques pour l'accouplement de ses deux vilebrequins aux axes parallèles.