Brevet FR2547624A1 — publié le 19841221

A h VAPEUR REALN S^- PAR NSFORMA'RION D'UN MOTEUR A COMBUSTION INTERNE. LV invention concerne un moteur à vapeur à deux temps réalisé par transformation d'un moteur à combustion interne, notamment un moteur Diesel. L'invention concerne plus particulièrement une modification des moyens d'admission du moteur. L'évolution du prix des différentes sources d'énergie rend de nouveau avantageux l'usage de la vapeur, notamment dans les bateaux de pêche. Cependant, ces bateaux ont été congus depuis déjà de nombreuses années pour des moteurs à combustion interne, d'encombrement donné. Un moteur à vapeur traditionnel, relativement encombrant car muni d'importants volants d'inertie, peut difficilement être logé dans l'espace exigu prévu pour accueillir un moteur Diesel. En outre, sa vitesse de rotation plus lente exigerait une hélice plus importante que celle d'origine. Le plus souvent, le logement de l'hélice prévu dans la coque du bateau ne permet pas d'y adapter une hélice plus-grande. Une des premières tentatives pour transformer un moteur à combustion interne en moteur à vapeur est décrite dans le brevet américain n 4.102.130 au nom de Stricklin.Cependant, l'ensei- gnement de ce document antérieur ne peut donner lieu à une réalisation satisfaisante, principalement parce qu'il préconise de conserver les soupapes d'admission et d'échappement d'origine. Dans ces conditions, la vapeur sous pression qui est appliquée en permanence dans le collecteur d' admission tend à maintenir les soupapes d'admission ouvertes en permanence, en comprimant leurs ressorts de rappel respectifs, lesquels sont en toutes circonstances incapables de compenser cette force. Plus récemment, une demande de brevet européen n 80 401306 au nom de l'un des demandeurs, a proposé entre autres un agencement de soupapes susceptible de résoudre cet inconvénient majeur. L'invention propose, entre autres, une nouvelle structure de système d'admission permettant de résoudre le même problème. Plus précisément, l'invention concerne donc principalement un moteur à vapeur à deux temps réalisé par transformation d'un moteur à combus- tion interne à quatre temps et comprenant un bâti d'un tel moteur à combustion interne muni de ses pistons mobiles à l'intérieur de cylindres respectifs, de systèmes d'admission et de systèmes d'échappement, ainsi qu'un or- gane de réglage de débit formant accélérateur, connecté à des entrées d'admission dudit bâti en amont desdits systèmes d'admission et destiné à recevoir de la vapeur sous pression, caractérisé en ce que chaque système d'admission comprend deux éléments coaxiaux coulissant axialement l'un dans l'autre, respectivement un élément externe fixe formant une cavité dans laquelle est défini un siège partageant ladite cavité en deux chambres respectivement en communication avec ledit accélérateur et avec un cylindre correspondant, et un élément interne en forme de soupape classique dont la tige est guidée en coulissement dans un alésage axial de l'élément externe, ledit élément interne étant sollicité par un ressort de rappel en direction dudit siège, et en ce que la chambre précitée en communication avec ledit accélérateur est agencée par rapport audit élément interne pour que la pression de vapeur qu'elle reçoit confirme l'appui de celuici contre le siège précité. Les systèmes d'échappement précités peuvent être tout simplement les soupapes d'échappement d'origine; on peut aussi les remplacer par des systèmes analogues aux systèmes d'admission selon la description qui précède. Selon une autre particularité importante de l'invention, le moteur à quatre temps devient un moteur à deux temps en doublant les cames de 1' arbre à cames. L'invention concerne donc aussi certaines caractéristiques de ce nouvel arbre à cames. Enfin, l'invention a aussi pour objet d'autres perfectionnements, comme par exemple un nouveau type d'organe de réglage du débit de vapeur, constituant l'accélérateur, un système de lubrification et un collecteur d'admission à double paroi définissant un circuit de circulation de vapeur pour le préchauffage et/ou le fonctionnement par temps froid. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages de celle-ci apparaîtront mieux à la lumière de la description qui va suivre d'un mode de réalisation d'un moteur à vapeur conforme à l'invention, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en référence aux dessins annexés, dans lesquels : - la figure 1 est une vue en coupe partielle du moteur à combustion interne transformé, illustant particulièrement l'un des systèmes d'admis sion selon l'invention; - la figure 2 est une coupe transversale de l'élément externe du même sytème d'admission, dans sa partie élargie; - la figure 3 illustre la configuration de l'arbre à cames d'origine; - la figure 4 illustre la première étape de la modification de cet arbre à cames; et - la figure 5 illustre l'état final de l'arbre à cames modifié. Le moteur représenté à la figure 1 est, de préférence, un moteur Diesel transformé. Du moteur d'origine, on conserve le bâti, la culasse, le vilebrequin, les bielles, les engrenages de distribution. On réutilisera la pompe à injection et les injecteurs. Si le moteur est à essence, on lui ajoutera ces deux derniers éléments. On utilise le bati il du moteur Diesel en liaison avec une chaudière et un condenseur (non représenm tés) de la manière décrite dans la demande de brevet européen déjà mentionnée. Les pistons 12 et le vilebrequin (non représenté) sont conserves tels quels.Les soupapes d'admission sont modifiées de la façon indiquée plus loin et le bâti est équipé dn nouveau collecteur d'admission 13 sur lequel est fixé un organe de réglage de débit, formant accélérateur 14 Selon l'invention, la vapeur sous pression provenant de la chaudière passe par l'accélérateur qui permet de faire varier son débit jusqu' à le couper totalement, pour arrêter le moteur La vapeur entre ensuite dans le collecteur d'admission, d'où elle est directement distribuée dans les cylindres par les dispositifs d'admission 16. t'arbre à cames est conçu de telle sorte que les dispositifs d'admission s'ouvrent à chaque point mort haut de leur piston correspondant et que les soupapes d'échappement s'ouvrent à chaque point mort bas respectif De l'ouverture des dispositifs d'admission à chaque point mort haut et de l'ouverture des dispositifs d'échappement à chaque point mort bas, il découle que le moteur originellement à quatre temps est devenu un moteur à deux temps.Par exemple, dans un moteur à six cylindres, le premier et le sixième pistons reçoivent ensemble la pression de la vapeur pendant la totalité de leur course descen datez Le dispositif d'admission se trouve complètement ouvert à mi-course du piston, ce qui fait que le moment où le débit de vapeur est à son maximum coïncide avec le moment où le vilebrequin se trouve dans la position la plus favorable pour en bénéficier. te moteur transformé acquiert ainsi plus de puissance, puisque deux pitons travaillent ensemble et que le vilebrequin se trouve dans une position plus favorable pour recevoir l'effort maximum fourni par la vapeur à chaque cycle. Selon une caractéristique importante de l'invention, chaque soupape d'admission 16 comprend deux éléments coaxiaux coulissant axialement l'un dans l'autre, respectivement un élement externe 18' fixé au bati et un élément interne 20 en forme de soupape classique dont la tige 22 est guidee en coulissement dans un alésage 24 axial de l'élément externe. L'élément externe 18 a une forme en cioche pour définir une cavité 25 fermée à sa partie inférieure la plus large par un couvercle 26 muni d'un filetage. Un siège circulaire 28 est défini dans la cavité 25 et partage celle-ci en deux chambres 30, 32, respectivement en communication avec l'accélérateur 14 et le cylindre 34 correspondant.L'élément interne 20 est sollicité par un ressort de rappel 35, classique, en direction du siège 28 La chambre 30 reliée à l'accélérateur, c'est-à-dire à l'arrivée de vapeur, se trouve définie en amont de la tête de soupape de l'élément interne 20 (en considérant le sens d'écoulement de la vapeur) Elle est donc agencée par rapport audit élément interne pour que la pression de vapeur qu'elle reçoit confirme l'appui dudit élément interne contre le siège 28. Plus précisément9 l'élément externe 18 comporte une ouverture 38 latérale et radiale, ouvrant dans le collecteur d'admission et débouchant dans la chambre 30, tandis qu'un conduit 40 parallèle à l'axe de déplacement de l'élement interne 20 établit la communication entre la chambre 32 et le cylindre 34.Comme le montre la figure 2, le conduit 40 est défini dans un espace de double paroi de l'élément 18. Cet espace de double paroi s entend sur les 5/6 environ de la surface latérale de la partie élargie et il est muni de plusieurs petits épaulements 41 servant de renfort. L'été ment interne 20 peut être une soupape d'admission d'origine modifiée. Sa tige est alors raccourcie et son diamètre correspond au diamètre interne de la portion tubulaire qui lui sert de guide. Avec une telle structure, on voit que le ressort 35 n'a pas besoin d'être renforcé car la vapeur provenant de l'accélérateur, bien loin de forcer l'ouverture, renforce l'application de l'élément interne contre le siège 28, sauf lorsqu'il est actionné à l'ouverture par l'arbre à cames. Dès que cette ouverture est amorcée, la pression s'équilibre de chaque cAoté de la tête de soupape et celle-ci peut continuer à s'abaisseur dans la cavité 25. Pour lubrifier les systèmes d'admission ainsi que les guides des soupapes d'échappement, les tettes de piston, les segments, les cylindres, etc... on prévoit des injecteurs 44 placés dans le collecteur d'admission 13. Chaque injecteur est placé en regard d'un orifice 45 donnant accès à un système d'admission-16. Tous les injecteurs sont reliés à une pompe (non représentée) d'un circuit de liquide lubrifiant. Avantageusement, dans le cas de la transformation d'un moteur Diesel, les injecteurs et la pompe sont ceux du moteur d'origine. L'accélérateur 14 comporte une chambre annulaire cylindrique d'admission de vapeur 48 définie dans un boîtier cylindrique comprenant une carcasse 50 fixée au collecteur d'admission et communiquant avec lui par une tubulure inférieure 52,ainsi qu'un cylindre 54 en appui sur une saillie interne de la carcasse 50. La partie supérieure de la carcasse 50 est filetée intérieurement en 50a pour recevoir un couvercle hermétique 56 com portant un alésage axial 58. La face inférieure de ce couvercle comporte une gorge 67 engagée sur le cylindre 54 avec interposition d'un joint.Cett gorge maintient le cylindré lors du vissage du couvercle. Un conduit d'entrée 60, latéral, est destiné à être relié à une source de vapeur non représentée.Il débouche dans la chambre annulaire 48, qui donne accès à une première série de fenetres latérales 62 réparties régulièrement sur la cirez conférence du cylindre 54 et établissant la communication avec l'espace in terne du boîtier. Par ailleurs, un cylindre 64 faisant partie d'une sorte de piston à jupe, coulisse axialement dans le cylindre 54. Il comporte une tige axiale 66 coulissant dans l'alésage 58 et constituant l'organe de manoeuvre de l'accélérateur. Ce cylindre 64 comporte au moins une ouverture communiquant extérieurement avec le collecteur d'admission 13. Plus précisément, il comporte une seconde série de fenêtres latérales 68, régulièrement réparties circonférentiellement.Les fenêtres 62 sont susceptibles d' être progressivement obturés par In paroi du cylindre 64, tandis que les fenêtres 68 sont susceptibles d'être progressivement obturées par la paroi de la chambre annulaire 48, c'est-à-dire plus précisément par la paroi interne de la virole 54. Cet accélérateur est très sensible et-de manoeuvre facile du fait que la vapeur y pénètre et en ressort en étant régulièrement réparties circonférentiellement. Le collecteur d'admission 13 est fixé sur le côté de la culasse d'origine et comporte des orifices donnant accès aux dispositifs d'admission 16. Il est fait en tôle suffisamment épaisse pour supporter la pression de la vapeur.Il comporte des trous permettant de recevoir les injecteurs 44. En outre, une partie de ce collecteur est à double paroi définissant un circuit de circulation de la vapeur. Un système de vanne est prévu pour faire circuler de la vapeur en provenance de la chaudière pendant le préchauffage ou de la vapeur d'échappement pendant les périodes de fonctionnement par temps froid. On va maintenant expliciter les modifications apportées à l'arbre à cames, en se reportant aux figures 3 à 5. Cet arbre à came est en effet profondément modifié, il ne conserve que la relation d'un tour pour deux tours du vilebrequin. La figure 3 illustre les positions relatives d'une came d'admission 70 et d'une came d'échappement 72 de l'arbre à cames d'origine. Classiquement ces deux cames sont décalées d'environ 1100. La première étape de la modification consiste à prévoir deux protubérances (70a, 70b ou 72a, 72b) dans chaque came, décalées de 1800 entre elles et à décaler aussi les sonnets des protubérances des cames d'échappement de 909 par rapport aux sommets des protubérances des cames d'admission. C'est la configuration illustrée à la figure 4 Avec cette modification, le moteur est déjà transformé en moteur à deux temps. Or, du fait que les cames échappement et d'admission ne sont plus décalées que de 90 , leurs sommets sont plus rapprochés.Quand le piston est au point mort à l'équilibre (voir ligne de référence 75), les touches d'admission et d'échappement se trouveraient légèrement actionnées en même temps, ce qui provoquerait une perte de puissance, si les cames conservaient les mêmes proportions qu'à la figure 4 Pour remédier à cet inconvénient, toutes les protubérances sont rabaissées sur leurs sommets de 0,5 à 2 mm, ou plus selon le moteur. La figure 5 montre les cames définitives, respectivement d'admission 80 et d'échappement 82. Bien entendu, ces deux cames sont coaxiales, elles n'ont été représentées l'une à côté de l'autre que pour mieux montrer les rabaissements de profil; le profil des protubérances de la figure 4 étant représenté en trait interrompu. Dans tous les cas où on utilise une soupape, que ce soit dans le dispositif d'admission ou d'échappement, que ce soit une soupape d'origine ou non, le rabaissement est effectué seulement sur les protubérances de la came correspondante. Dans le moteur d'origine, les soupapes d'admission et d'échappement sont conçues pour donner un très grand passage de gaz, mais pendant un temps très court, tandis que dans la présente invention, la durée d'en terne de la vapeur qui est la force motrice est beaucoup plus longue. C'est pourquoi la petite diminution de la course des soupapes due au léger ra- baissement des cames, n'a pas d'influence sur le rendement du moteur trans- formé en mottur à vapeur. A la sortie du collecteur d'échappement, une chicane est aménagée dans un élargissement du tuyau d'échappement pour permettre la récupération de l'huile de lubrification qui3 après filtrage, retourne dans un réservoir dans lequel puise la pompe. Contrairement au moteur à explosion qui, lorsqu'il présente une certaine usure, consomme de l'huile de carter, le moteur transformé à la vapeur a l'avantage d'une durée de vie plus grande due notamment au nouveau système de lubrification décrit ci-dessus. Il permet en outre de récupérer l'huile injectée pour la lubrification mais aussi celle provenant d'une éventuelle remontée d'huile du carter. REVENDICATIONS 1, Moteur à vapeur à deux temps réalisé par transformation d'un moteur à combustion interne à quatre temps et comprenant un ba-ti (11) d'un tel moteur à combustion interne, muni de ses pistons (12) mobiles à l'intérieur de cylindres (34) respectifs, de systèmes d'admission (16). et de systèmes d'échappement, ainsi qu'un organe de réglage. de débit formant accélérateur (14) connecté à des entrées d'admission dudit bâti en amont desdits systèmes d'admission et destiné à recevoir de la vapeur sous pression, caractérisé en ce que chaque système d'admission (16) comprend deux éléments coaxiaux coulissant axialement l'un dans l'autres, respectivement un élément externe (18) fixe formant une cavité (25) dans laquelle est défini un siège (28) partageant ladite cavité en deux cham- bres (30, 32) respectivement en communication avec ledit accélérateur et avec un cylindre (34) correspondant, et un élément interne (20) en forme de soupape classique, dont la tige (22) est guidée en coulissement dans un alésage axial de l'élément externe, ledit élément interne étant sollicité par un ressort de rappel (35) en direction dudit siège et en ce que la chambre (30) précitée en communication avec ledit accélérateur est agencée par rapport audit élément interne pour que la pression de vapeur qu'elle reçoit confirme l'appui de celui-ci contre le siège -(28) précite. 2. Moteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit premier élément comporte une ouverture latérale (38)-débouchant dans ladite chambre (30) en communication avec ledit accélérateur et un conduit (40) parallèle à l'axe de déplacement dudit élément interne et établissant la communication entre l'autre chambre (32) et ledit cylindre (34) correspondant 3. Moteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit élément externe(18) comporte un espace de double paroi définissant ledit conduit (40). 4. Moteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les systèmes d'échappement précités sont les soupapes d7échappe- ment d'origine. 5. Moteur selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les systèmes d'échappement précités sont analogues aux systèmes d'admission. 6. Moteur selon l'une des revenedications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte des injecteurs (44) placés dans un collecteur d'admission(13) et en regard,chacun,d'un orifice (45) donnant accès à un système d'admission (16) précité et en ce que ces injecteurs sont reliés à une pompe diun circuit de liquide lubrifiant. 7. Moteur selon la revendication 6, provenant de la transformation d'un moteur Diesel, caractérisé en ce que les injecteurs et la pompe sont ceux du moteur Diesel d'origine. 8 Moteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par un arbre à cames dans lequel chaque came est munie de deux protubérances (70a, 70b - 72a, 72b) décalées de 1800 et dans lequel les sommets des protubérances commandant les systèmes d'échappement sont décalés de 900 par rapport aux sommets des protubérances commandant les systèmes d'admission et en ce que toutes les protubérances sont rabaissées par rapport à celles de l'arbre à cames d'origine (fig. 5). 9. Moteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit accélérateur (14) comporte un boîtier cylindrique dans lequel est définie une chambre-annulaire (48) d'admission de vapeur munie d'une première série de fenêtres latérales (62) établissant la communication avec l'espace interne dudit boîtier et un cylindre coulissant axialement dans ledit espace interne, comportant au moins une ouverture (68) communiquant extérieurement avec le collecteur d'admission, les fenêtres (62) de la chambre annulaire étant susceptibles entre progressivement obturées par la paroi dudit cylindre coulissant (64) 10. Moteur selon la revendication 9, caractérisé en ce que ledit cylindre coulissant (64) comporte une seconde série de fenêtres latérales (68) communiquant extérieurement avec le collecteur d'admission et susceptibles d'être progressivement obturées par la paroi de ladite chambre anannulaire 11. Moteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par un collecteur d'admission (13) à double paroi définissant un circuit de circulation de vapeur, pour le préchauffage et/ou le fonctionnement par temps froid.