Brevet FR2548278A1 — publié le 19850104

MOTEUR A PISTONS A MOUVEMENT ALTERNATiF POUR FONCTIONNEMENT A L'HYDROGENE L'invention se réfère à un moteur à pistons à mouvement alternatif comportant une alimentation en air et une alimentation en hydrogène comme carburant, ainsi qu'une soupape d'admission pour un mélange air-hydrogène dans chaque cylindre du moteur, soupape dont un culbuteur commande l'ouverture et la fermeture. Dans les moteurs de ce type se présentent des problèmes du fait qu'un mélange hydrogène-air présente une vitesse de combustion environ dix fois plus élevée qu'un mélange conventionnel hydrocarbureair. Pour ce motif, dans le cas d'une formation extérieure du mélange dans la phase d'aspiration, donc en particulier lorsque la soupape d'admission est ouverte dans le cas des moteurs à quatre temps, il peut se produire, par suite d'un allumage précoce non contrôlé au contact de la charge résiduelle chaude, un retour de combustion dans la conduite d'admission. Pour éviter ces inconvénients, on a déjà employé des soupapes à commande électronique ainsi que des répartiteurs de gaz tournants, entrainés par l'arbre à cames par l'intermédiaire d'une courroie dentée. Il est également connu d'employer des soupapes d'admission supplémentaires sur la culasse, qui, selon les circonstances, ont encore été modifiées en conséquence. Du fait des sections importantes à ouvrir ou à fermer, il apparait dans le cas de ces soupapes, du point de vue des temps nécessaires d'ouverture et de fermeture, des problèmes notables dans le domaine des millisecondes. En particulier dans le cas de l'utilisation de soupapes à déclenchement électronique par les gaz en double étage, il n'est pas possible d'utiliser des pressions d'admission supérieures à environ 5 bars.Dans le cas des répartiteurs de gaz tournants, il se pose pour des pressions assez élevées des problèmes d'étanchéité. C'est l'objet de l'invention d'apporter un moyen, de construction simple et d'utilisation sûre, d'interdire des allumages prématurés dans les moteurs fonctionnant à l'hydrogène. Dans un moteur à pistons à mouvement alternatif du type décrit au début, on atteint, selon l'invention, cet objet par le moyen que l'alimentation en hydrogène s'effectue en amont de la soupape d'admission dans l'alimentation en air de chaque cylindre; et qu'elle est munie d'une soupape de fermeture que le culbuteur du cylindre ouvre avec un certain retard dans le temps par rapport à la soupape d'admission. De ce fait, à l'ouverture dP la soupape d'admission, seul de l'air - c'est-à-dire un gaz non combustible - est introduit dans la chambre de combustion et il refroidit la charge résiduelle chaude et les emplacements chauds de la chambre de combustion. Ce n'est qu'ensuite que se fait l'introduction de l'hydrogène dans la chambre de combustion préalablement refroidie, ce qui permet d'éviter de cette façon des allumages prématurés non contrôlés.Dans le dispositif selon l'invention il est particulièrement avantageux que les surfaces de fermeture des alimentations en hydrogène puissent également faire l'objet d'un rééquipement ultérieur, dans le cas des moteurs habituels à hydrocarbure, du fait que les basculeurs existent sans autres pour la manoeuvre de la soupape d'admission de chaque cylindre. Une solution avantageuse consiste en ce que la soupape de fermeture peut être manoeuvrée par un poussoir de.soupape qui s'appuie sur le culbuteur. De préférence il est possible d'échanger les poussoirs de soupape, de sorte que le choix de poussoirs de soupape de différente longueur permette de régler l'instant où la soupape de fermeture s'ouvre et se referme. Bien entendu il est également possible de prévoir que le poussoir de soupape soit de longueur réglable pour permettre de régler de cette façon la courbe de l'ouverture des soupapes de fermeture en fonction du temps. Une proposition favorable consiste en ce que le culbuteur porte, dans la zone d'appui de la pièce qui manoeuvre la soupape de fermeture, une garniture insérée ou rapportée résistant à l'usure. Dans un exemple préféré de l'exécution de l'invention il est prévu que la soupape de fermeture est disposée sur le couvre-culasse du moteur. Cette disposition présente l'avantage que le moteur réchauffe la soupape de fermeture, normalement au contact d'hydrogène très froid. Une solution avantageuse consiste en outre en ce que les pièces, qui coulissent l'une par rapport à l'autre, de la soupape de fermeture peuvent fonctionner à basse température grâce à l'emploi de matériau auto-lubrifiant, par exemple polytétrafluoréthylène ou plastiques armés de fibres de carbone. Dans un exemple d'exécution préférée, les alimentations en hydrogène de tous les cylindres sont approvisionnées par une unique conduite d'hydrogène sur laquelle se trouve une soupape de commande. De cette façon on peut commander de façon très simple et centralisée l'alimentation en hydrogène des différents cylindres. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre d'un exemple de réalisation et en se référant au desssin annexé qui représente une vue, partiellement en coupe, d'un moteur à pistons à mouvement alternatif comportant une soupape d'admission, un dispositif de commande correspondant et une soupape de fermeture sur l'alimentation en hydrogène. Dans un moteur à pistons à mouvement alternatif de type conventionnel représenté sur le dessin, un cylindre I est relié, à sa face supérieure, par l'intermédiaire d'une ouverture d'admission 2 à une conduite d'alimentation en mélange 3 qu'une soupape 4 peut obturer. Cette soupape comporte une tête de soupape 5 disposée à l'intérieur du cylindre ainsi qu'une tige de soupape 6 qui traverse la culasse et qui, en dehors de la tête de soupape, est entourée par un ressort de compression 7 qui s'appuie d'une part sur la tete de soupape et d'autre part sur une rondelle d'appui 8 de la tige de soupape 6 et qui pousse la soupape 4 en position de fermeture. La culasse porte un culbuteur 9 oscillant à deux bras qui, par son extrémité libre, s'appuie par l'intermédiaire d'un galet à rotation libre 10, contre la face arrière de la tige de soupape 6 et qui, par son extrémité située en face, s'appuie sur la périphérie d'une came de commande 11 disposée sur l'arbre à cames tournant 12 du moteur. Sur ce point le moteur représenté sur le dessin correspond à un moteur conventionnel dans lequel la soupape 4 s'ouvre et se ferme à chaque rotation de l'arbre à cames. Sur le couvre-culasse 13 du moteur est disposée une soupape de fermeture 14 dont le carter 15 est fixé de façon étanche sur un culot 16 lui-même fixé sur le couvre-culasse 13. Dans le culot 16 est prévue une ouverture qui dépasse à l'intérieur de la culasse et qui est garnie d'une douille 17. Cette douille porte un poussoir de soupape 18 qui peut coulisser longitudinalement et dont l'extrémité, côté cylindre, s'appuie sur un patin 19 sur la face supérieure du culbuteur 9. Le patin est en matériau résistant à l'usure, par exemple en acier trempé. Le carter 15 de la soupape de fermeture se divise en une chambre d'arrivée 20 et une chambre de départ 21, les deux chambres étant en liaison par l'intermédiaire d'une ouverture 22. Dans la chambre d'arrivée 20 débouche, par l'intermé,diaire d'une tubulure d'arrivée 23, une alimentation en hydrogène; la chambre de sortie 21 est reliée, par l'intermédiaire d'une tubulure de sortie 24 et de façon qui n'est indiquée que schématiquement sur le dessin, avec la conduite d'alimentation en mélange 3. A l'intérieur du carter 15 porte de plus une soupape 25 qui peut coulisser longitudinalement et dont la tête de soupape 26 ferme l'ouverture 22. Une tige 27 reliée à la tête de soupape 26 porte dans un guidage longitudinal 28 qui garnit un alésage prévu dans le fond 29 de la chambre de sortie 21. Dans cet alésage se trouve en outre une garniture d'étanchéité annulaire 30 qui réalise l'étanchéité du fond 29 par rapport à la tige 27 qui peut coulisser. Le fond 29 et le carter 15 sont de plus étanches à l'égard de la tige 16 au moyen d'une garniture d'étanchéité annulaire 31. Sur la tête de soupape 26 repose un ressort de compression 32 disposé dans la chambre d'arrivée 20 et qui s'appuie, par son autre extrémité, sur un couvercle 33 qui ferme de façon étanche le carter du côté opposé au couvre-culasse. Ce ressort de compression 32 pousse la soupape 25 en position de fermeture. La tige 27 est disposée de façon que lorsque le culbuteur 9 est abaissé, il subsiste un jeu 34 entre le poussoir de soupape 18 et l'extrémité, située en face de la tige 27, comme cela est représenté sur le dessin. Lors de l'oscillation du culbuteur, le poussoir de soupape 18 est poussé en direction de la soupape de fermeture-et parvient en appui sur l'extrémité de la tige 27 qui lui fait face, de sorte que, lorsque le mouvement de levée du poussoir de soupape 18 se continue, la tête de soupape 26 se soulève, ce qui libère l'ouverture. On choisit les dimensions de façon qu'en marche, lorsque le culbuteur oscille, ce soit tout d'abord la soupape 4 de l'ouverture d'admission qui soit poussée en position d'ouverture et que ce ne soit qu'après un court délai après l'ouverture de la soupape d'admission que la soupape de fermeture 25 soit elle-même poussée en position d'ou verture. De cette façon, à chaque temps du moteur, l'intérieur du cylindre se remplit tout d'abord uniquement d'air introduit dans le cylindre par l'intermédiaire de la conduite d'alimentation 3. Ce n'est qu'après cette introduction d'air que s'ouvre la soupape de fermeture qui se trouve sur l'alimentation d'hydrogène, c'est-à-dire que ce n'est qu'après l'introduction d'air pur dans le cylindre que de l'hydrogène est en plus introduit dans ce cylindre, de sorte que le mélange carburant apparait alors dans le cylindre. Lorsque l'on utilise de l'hydrogène comma carburant, cet hydrogène s'obtient normalement par vaporisation d'hydrogène liquide, c'est-à-dire que généralement l'hydrogène gazeux a une température très basse, par exemple 20 K. Il est donc favorable que la surface de fermeture soit autolubrifiante, par exemple par le moyen que les pièces situées l'une en face de l'autre, donc en particulier la soupape 25 et/ou le guidage longitudinal 28, soient réalisés en matériaux appropriés, par exemple du polytétrafluoréthylène ou des plastiques armés de fibres de carbone. Ceci est également valable par exemple pour le poussoir de soupapel8 et la douille 17.Dans ce cas toutefois il est avantageux que le poussoir de soupape vienne directement au contact de l'huile qui se trouve dans la culasse et soit réchauffé de ce fait, de façon que le poussoir de soupape puisse également être lubrifié par l'huile qui se trouve dans la culasse. Dans le cas des moteurs à pistons à mouvement alternatif existants, il est également possible, sans autres, de procéder à un montage ultérieur de la soupape de fermeture, en montant un couvreculasse modifié en conséquence. Le montage des soupapes de fermeture est simple et elles peuvent être prises petites et donc très rapides, car elles ne commandent que l'alimentation en hydrogène et non l'alimentation en air. On peut faire varier l'instant d'ouverture de la soupape de fermeture par la valeur du jeu 34, soit en échangeant le poussoir de soupape 18 ou la soupape 25 ou en réglant la dimension longitudinale de ces pièces. Bien entendu diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art aux dispositifs ou procédés qui viennent d'être décrits uniquement à tire d'exemples non limitatifs sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Moteur à pistons à mouvement alternatif comportant une alimentation en air et une alimentation en hydrogène comme carburant, ainsi qu'une soupape d'admission pour un mélange air-hydrogène dans chaque cylindre du moteur, soupape dont un culbuteur commande l'ouver- ture et la fermeture, caractérisé en ce que l'alimentation en hydrogène s'effectue en amont de la soupape d'admission (2, 4) dans l'alimentation en air (conduite d'alimentation en mélange 3) de chaque cylindre (1); et en ce qu'elle est munie d'une soupape de fermeture (14) que le culbuteur (9) du cylindre (1) ouvre avec un certain retard dans le temps par rapport à la soupape d'admission (2, 4). 2. Moteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la soupape de fermeture (14) peut être manoeuvrée par un poussoir de soupape (10) qui s'appuie sur le culbuteur (9). 3. Moteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que le poussoir de soupape (18) peut s'échanger. 4. Moteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le culbuteur (9) porte, dans la zone d'appui de la pièce (18) qui manoeuvre la soupape de fermeture (14), une garniture insérée ou rapportée (19) résistant à l'usure. 5. Moteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la soupape de fermeture (14) est disposée sur le couvre-culasse (13) du moteur. 6. Moteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les pièces, qui coulissent l'une par rapport à l'autre, (25, 28; 17, 18) de la soupape de fermeture (14) peuvent fonctionner à basse température (20 K) grâce à l'emploi de matériau-autolubrifiant (polytétrafluoréthylène, plastiques armés de fibres de carbone). 7. Moteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les alimentations en hydrogène de tous les cylindres (1) sont approvisionnées par une conduite d'hydrogène sur laquelle se trouve une soupape de commande.