Brevet FR2555662A1 — publié le 19850531

L'invention se rapporte à un procédé de refroidissement des soupapes d'échappement des moteurs alternatifs à combustion interne, et ce, qu'ils fonctionnent selon un cycle à deux temps ou un cycle à quatre temps. Elle se rapporte également aux moyens en vue de la mise en oeuvre de ce procédé et aux moteurs pourvus de ces moyens. Dans les moteurs à combustion interne, un vilebrequin est relié à des pistons animés d'un mouvement de translation dans des cylindres entre deux points extrêmes dits point mort haut et point mort bas et délimitant dans chacun des cylindres une chambre d'un certain volume. Dans chaque cylindre du moteur, pendant la phase de détente, le piston est chassé du point mort haut vers le point mort bas et, par une bielle, sa translation est transformée en mouvement de rotation imprimée au vilebrequin tandis que pendant la phase de compression, en prévision d'une nouvelle phase de détente, le piston est renvoyé au point mort haut par le vilebrequin alors entraîné en rotation par la détente produite dans au moins un autre cylindre. Entre ces phases de détente et de compression, sous le contrôle de la distribution du moteur, se déroulent deux autres phases, l'une d'échappement des gaz brûlés et l'autre d'admission des gaz frais. Selon que le moteur fonctionne suivant un cycle à deux ou à quatre temps, ces deux autres phases se déroulent soit pendant le passage du piston au point mort bas, soit au cours d'un va et vient supplémentaire de ce piston. Dans les deux cas, pour assurer l'échappement et l'admission, à chaque chambre sont raccordées des conduites d'échappement et d'admission de gaz qui, quant à lui, est généralement au préalable mis sous une certaine pression par exemple au moyen d'une machine turbo-soufflante dont l'énergie est fournie par la chaleur des gaz d'échappement. Le raccordement à chaque chambre des conduites d'échappement correspondantes s'effectue sous le contrôle d'au moins un organe de distribution tel notamment le piston et/ou au moins un clapet ou une soupape. L'invention se rapporte à ceux de ces moteurs dont le raccordement à la chambre de chaque conduite d'échappement s'effectue par au moins une soupape d'échappement coopérant avec un siège réalisé par l'orifice de raccordement entre la chambre et la conduite considérée. Ces soupapes d'échappement sont alors commandées par une came d'échappement calée sur un arbre lié en rotation avec le vilebrequin. La chaleur de la combustion puis des gaz brûlés qui s'échappent, échauffe fortement successivement les parois de la chambre puis les soupapes d'échappement, ce qui les rend vulnérables. Par ailleurs, les combustibles utilisés qui sont de moins en moins raffinés, contiennent des corps incombustibles tels le vanadium, etc ..., leur combustion laisse de plus en plus de résidus dont l'agressivité augmente la température. Pour toutes ces raisons, le refroidissement efficace des soupapes d'échappement est apparu nécessaire pour augmenter la longévité du moteur. Pour assurer le refroidissement des soupapes d' échap- pement, il est connu d'établir à l'intérieur des sièges de ces soupapes et parfois à l'intérieur des soupapes elles-mêmes des circuits de fluide de refroidissement tel de l'eau ou de l'huile. Toutefois, compte tenu de la rapidité de fonctionnement des moteurs, les calories déposées sur les parois des soupapes par les gaz brûlés qui sont à très hauté température n'ont pas le temps de s'évacuer vers les circuits de réfrigération et, c'est pourquoi, malgré leur complexité et leur prix de revient élevé, l'efficacité de ceux-ci est très limitée. Dans les moteurs à deux temps à échappement contrôlé par au moins une soupape, il est connu d'assurer un balayage dit équicourant selon lequel, avant compression, les gaz apportés chassent les gaz brûlés par leur seule pression d'admission et, se faisant, balayent la chambre et la soupape pour les refroidir. Pour l'application de ce procédé aux moteurs à quatre temps, il est connu par un profil approprié de la came d'é chappement de maintenir la soupape d'échappement ouverte pendant le début de la phase d'admission, de manière que, à la faveur de la différence entre la pression d'admission et la pression dans la conduite d'échappement, soient également assurés un balayage total des gaz brûlés de la chambre de combustion et une réfrigération des parois de la chambre et des soupapes d'échappement. Toutefois, que les moteurs soient à deux ou quatre temps, cet effet de balayage est limité par la faiblesse de la différence de pression mise en jeu. De plus, les conduites d'admission et d'échappement sont le siège de pulsations correspondant à la propagation d'ondes de surpression eu de dépression de grandes amplitudes. La différence de pression entre la conduite d'échappement et la conduite d'admission varie ce qui, par moment, réduit et même annule sinon inverse la dite différence ce qui rend aléatoire le balayage. Ce balayage est même toujours impossible lorsque le moteur fonctionne à faible charge car alors la pression d'admission n'est jamais superieure à la pression d'échappement. Un résultat que l'invention vise à obtenir est un procédé de refroidissement des soupapes d'échappement qui est simple, peu onéreux et très efficace, quelles que soient les variations de la pression dans la conduite d'échappement et de la charge du moteur. A cet effet, elle a pour objet un procédé du type cité plus haut notamment caractérisé en ce qu'on détermine les cames des soupapes d'échappement de manière qu'on maintienne la soupape d'échappement légèrement ouverte pendant le début de la phase de compression ce par quoi c'est avec la pression due à ce début de compression que l'on propulse alors sur les parois de la soupape d'échappement et- de son siège, une partie des gaz frais qui ont été apportées au cours de la phase d'admission. Elle a également pour objet les moyens en vue de la mise en oeuvre de ce procédé et le moteur pourvu de ces moyens. L'invention sera bien comprise à l'aide de la descripzion ci-après faite, à titre d'exemple non limitatif, en regard du dessin ci-annexé relatif à un moteur à quatre temps et qui représente schématiquement - figure 1: le moteur à quatre temps vu en coupe par un cylindre, - figure 2: les courbes des mouvements des soupapes d'admission et d'échappement au cours des quatre phases de fonctionnement de ce moteur à quatre temps. En se reportant au dessin, on voit que le piston 1 est logé dans un cylindre 2 dans lequel, en relation avec un vilebrequin (non représenté) par l'intermédiaire d'une bielle 4, il est animé d'un mouvement alternatif de translation entre deux points extrêmes dits point mort haut 5 et point mort bas 6 et délimite une chambre 7 d'un certain volume. Conformément au cycle à quatre temps, dans chaque cylindre 2 le piston 1 est tout d'abord chassé du point mort haut 5 au point mort bas 6, ce qui correspond à une phase 8 dite de détente consécutive à la combustion puis est ramené au point mort haut 5 pour chasser les gaz brûlés de la chambre de combustion 7 ce qui correspond à une phase 9 dite d'échappement. Ensuite, il est à nouveau rappelé jusqu'au point mort bas 6 pour que la chambre 7 reçoive des gaz frais ce qui correspond à une phase 10 dite d'admission et enfin il est renvoyé au point mort haut 5 pour comprimer ces gaz frais ce qui correspond à une phase 11 dite de compression prédisposant l'ensemble pour une nouvelle détente 8' et ainsi de suite. Pour assurer l'échappement et l'admission, à chaque chambre de combustion 7 sont raccordées une conduite d'échappement 12 et une conduite d'admission 13 dont le raccordement à la chambre 7 s'effectue sous le contrôle d'organes de distribution tels des soupapes d'échappement 14 et d'admission 15 qui sont appariées et coopérant chacune avec un siège 16 ou 17 que réalise l'orifice entre la chambre 7 et la conduite considérée 12 ou 13. Les soupapes d'échappement 14 sont commandées par une came 18 calée sur un arbre 19 lié en rotation avec le vilebrequin. Sur les chemins 20 de chacune de ces cames 18 prend appui l'une des tiges 21 commandant chacune un des culbuteurs d'échappement 22 ou d'admission 23 qui, en contrariant l'action d'un ressort de rappel 24 ou 25, commande l'ouverture de la soupape d'échappement 14 correspondante. De manière connue, les cames 18 d'échappement peuvent être déterminées de manière que pendant le début 26 de la phase d'admission 10 la soupape d'échappement 14 soit maintenue ouverte. Par ce moyen communément dénommé croisement de soupapes, on crée un balayage des gaz brûlés de la chambre de combustion 7 et une certaine réfrigération des parois 2 de la chambre 7 et de la soupape d'échappement 14 à chaque fois que la pression dans la conduite d'échappement 12 est inférieure à celle qui est créée dans la conduite d'admission 13, par une machine 27 turbo-soufflante. Ce balayage en début dé la phase iO d'admission étant aléatoire, selon la caractéristique essentielle du procédé, objet de l'invention, on détermine les cames 18, des soupapes d'échappement 14 de manière qu'on maintienne la soupape d'échappement 14 légèrement ouverte pendant le début 27 de la phase de compression l1 ce par quoi c'est avec la pression due à ce début de compression que l'on propulse alors sur les parois de la soupape d'échappement 14 et de son siège 16 une partie des gaz frais qui ont été apportés au cours de la phase d'admission, auxquelles parois on fait ainsi subir non plus un simple balayage aléatoire mais un réel soufflage très efficace. En effet, au début de la phase de compression, les gaz atteignent rapidement une pression nettement supérieure à celle qui, en toute hypothèse, règne dans la conduite d'échappement 12. La partie des gaz admis qui est ainsi prélevée en début de compression alors même qu'ils sont encore à basse température, permet donc d'enlever les calories de surface. Bien que, par souci de simplicité, l'invention ait été décrite dans son application à un moteur à quatre temps, elle se rapporte également-aux moteurs à deux temps qui sont munis de soupapes d'échappement que l'on maintient ouverte au début de la phase de compression, et ce, que l'admission des gaz frais soit, dans ces moteurs, obtenu à l'aide de lumièrés dégagées par le piston ou de soupapes d'admission. Que le moteur fonction selon un cycle à deux ou quatre temps, l'homme de métier saura bien entendu doser l'importance de l'ouverture de la soupape d'échappement 14 et la durée de cette ouverture pour obtenir un soufflage efficace sans perdre pour autant une trop grande quantité de gaz frais. Ainsi que cela ressort de l'exposé du procédé, les moyens en vue de la mise en oeuvre de ce procédé comprennent essentiellement des cames 18 d'échappement dont le chemin est déterminé pour commander une légère ouverture des soupapes d'échappement en début de phase de compression. REVENDICATIONS 1. Procédé de refroidissement des soupapes d'échappement des moteurs alternatifs à combustion interne, et ce, que ces moteurs fonctionnent selon un cycle à deux ou quatre temps puisque dans les deux cas chacun de leurs cylindres (2) loge un piston (1) qui délimite une chambre (7) dans laquelle le piston correspondant est animé d'un mouvement alternatif de translation entre deux points extrêmes (5 et 6) dits point mort haut (5) et point mort bas (6), dont, pendant une phase (8) dite de détente et qui est consécutive à la combustion, une translation qui projette le piston du point mort haut (5) ers le point mort bas (6) et une translation qui, pendant la phase dite de compression, prédisposant l'ensemble pour une nouvelle phase (8') de détente, renvoie le piston au point mort haut, lesquelles phases de détente et de compression se déroulent entre deux autres phases, l'une d'évacuation des gaz brûlés de la chambre puis l'autre d'admission des gaz frais dans la chambre (7) par des conduites appropriées (12, 13) raccordées à la chambre sous le contrôle d'organes de distribution (14, 15) dont pour l'échappement au moins une soupape (14) controlant l'orifice de raccordement à la chambre (7) de la conduite (12) d'échappement et qui est commandée par une came d'échappement (18), lequel procédé est CARACTERISE en ce qu'on détermine les cames (18) de chacune des soupapes d'échappement (14) de manière qu'on maintienne la soupape d'échappement (14) légèrement ouverte pendant le début (27) de la phase de compression (11) ce par quoi c'est avec la pression due à ce début de compression que l'on propulse alors sur les parois de la soupape d'échappement (14) et de son siège (16) une partie des gaz frais qui ont été apportés au cours de la phase d'admission (10). 2. Moyens en vue de la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1 caractérisés en ce qu'ils comprennent des cames d'échappement (18) déterminées de manière que c'est pendant le début (27) de la phase (11) de compression qu'elies soulèvent légèrement leur soupape d'échappement (14) pour laisser passer une partie des gaz frais apportés pendant la phase d'admission (10). 3. Moteur caractérisé en ce qu'il comprend des cames d'échappement (18) selon la revendication 2.