Brevet FR2596456A1 — publié le 19871002

La présente Invertit toi e apporte au système d'admission de moteur ther moques du type " 2 temps " et plus particulièrement à ceux constitués d'un dis- positif de suralimentation d'asr. Ville rst particulièrement exploitable dans le cas où cette suralimentation est réalisée ô l'aide d'un compresseur d'air relié directement aux cylindres. la suralimentation d'air et parfaitement adaptée au fonctionnement du moteur dJésel du type " 2 temps " ou " 4 temps ". En effet dans le cycle Diésel, le combustible est injecté en fin de compression et s'auto-allurne sous l'effet conjugué de la température et de la pression. I1 n'y a pas de risque de préallumage, la pression de suralimentation et le taux de compression, indèpendai- ment de toute considération de résistance mécanique, ne sont pas limités. I1 n'est pas non plus nécessaire d'avoir à toutes les positions de commande d'ouverture des gaz un contrôle fin du volume d'air admis lors du remplissage Le contrôle relativement grossier qui existe sur les prises d'air de tout dispositif de suralimentation suffit au fonctionnement correct du moteur diésel. Par contre, le moteur à allumage commandé nécessite, pour optimiser son rendement et ses perforniances, une connaissance, et donc un contrôle parfait du volume d'air admis dans le cylindre lors du remplissage. En effet, dans ce type de moteur, le combustible est injecté dès le début de compression. Le mélange est comprimé jusqu'à l'allumage provoqué par un arc électrique commandé.Si la compression du mélange atteint avant cet instant une valeur qui, en fonction de la température, devient critique, il se produit le phénomène de préallumage (ou de détonation). Cet incident perturbe considérablement le fonctionnement du moteur, et détériore les éléments mécaniques. La pression du mélange est donc limitée à une valeur critique qu'elle ne doit en aucun cas atteindrc et qui varie selon les régimes de rotation et les conditions climatiques ambiantes (pression atmosphérique et température extérieure).Par ailleurs, le rendement et les perforrnarlees d'un moteur sont d'aulant plus grands que la compression est éle vée. Celle-ci dépend du volume d'air admis lors du remplissage, il est donc possible en contrôlant trés précisement ce dernier, d'obtenir pour chaque régime de rotation une pression maximale la plus proche possible de la valeur critique de préallumage sans jamais l'atteindre. C'est le rôle principal du dispositif faisant l'objet de l'invention. Par ailleurs, dans les bas régimes de rotation, la régularité du moteur est trés sensible à la composition quantitative du mélange. Un mélange trop pauvre dû au fait d'unr quantité d'air admise au remplissage trop élevée, même faiblement, est préjudiciable aux performances du moteur, crée des risques de dété riurat iori mécanique et rend les réglages de régulation incertains et difficiles. Un mélange trop riche dû au fait d'urne quantité d'air admise au remplissage trop faible est tout aussi préjudiciable aux performances du moteur, il implique aussi un mauvais balayage des gaz brulés dans l'échappement qui affecte la régularité du fonctionnement.Dans les deux cas, les perturbations dans le fonctionnement s'accentuent d'autant plus que le régime est proche du ralenti. S'il n'existe pas un dispositif de contrôle précis du volume d'air admis lors du remplissage, il est difficile d'obtenir et de concilier à la fois à haut et bas régime, un bon rendement et une bonne régularité de fonctionnement. L'invention présente remédie à l'ensemble des problèmes révélés dans ce constat. Elle permet de maitriser précisement à tous les régimes la pression de suralimentation dans le cylindre en début de compression et influe sur le comportement cinétique des gaz dans le cylindre pendant le balayage des gaz brulés et pendant le remplissage en gaz frais. L'invention consiste en un obturateur rotatif progressif qui modifie, en fonction du régime, la section et la forme du conduit d'admission des gaz à l'endroit de la lumière d'admission. Cet obturateur a un déplacement angulaire lui permettant d'ouvrir ou de fermer complètement la lumière d'admission. En position " ouvert ", le conduit d'admission est libre de tout obstacle pour l'écoulement des gaz. En positon " fermé ", les profils conjugués du conduit d'admission et de l'obturateur laisse une section minimum de passage (A) aux gaz (fig. 1). Dans cette position, le volume compris entre l'obturateur et le cylindre est aussi réduit que possible afin d'améliorer la précision de remplissage à bas régime. La section (B) de l'obturateur (1) (fig. 4) est identique sur toute la largeur du conduit d'admission.Cet obturateur possède un plan de symétrie perpendiculaire à son axe de révolution et confondu avec le plan de symétrie vertical du conduit d'admission à l'endroit de la lumière. Chacune de ses extrémités est constituée d'un flanc sur lequel est usiné un plat venant se loger dans une rainure pratiquée dans le cylindre porteur (2). Il est lié au corps du cylindre (3) par une liaison pivot réalisée par l'intermédiaire du cylindre porteur (2). Celui-ci est lié complètement au corps du cylindre (3) et maintenu par les vis de fixation (4). Il guide en rotation l'obturateur (1) grâce aux axes (5) et aux paliers (6). Ces paliers sont autolubrifiants et sont montés serrés dans le cylindre porteur (2). Les axes de rotation (5) sont montés glissants dans l'obturateur (1) à ses extrémités et maintenus par les vis de pression (7). Leur axe de révolution est confondu avec l'axe de révolution des flancs de l'obturateur (1). Celui-ci vient se loger entre les faces intérieures (F) (fig. 1) du cylindre porteur. Le jeux axial existant entre eux est de l'ordre du dixième de millimètre. Il permet la rotation libre de l'obturateur. La section du cylindre porteur (2) dans un plan perpendiculaire à son axe de révolution est, à l'intérieur des faces (F), un segment dont la corde définit une surface (H) sur laquelle sont usinés deux rainures tangentielles aux faces (F) et recevant les plats des flancs de l'obturateur (1). Le jeu existant entre ces plats et le fond des rainures est. tel qu'il garantie à l'obturateur une amplitude angulaire de rotation suffisante pour remplir sa fonction. Sur toute cette amplitude, les plats des flancs de l'obturateur restent à l'intérieur des rainures (fig. 2 et 3), ceci pour rie pas découvrir des poches dans le conduit d'admission qui seraient source de turbulences à l'endroit des lumières. Les plats n'entrent pas en contact avec le fond des rainures. Les début et fin de course de l'obturateur sont déterminés par un organe de commande agissant sur l'un des axes de rotation (5) à l'extérieur du corps du cylindre (3). L'une des enveloppes de la section (R) (fig. 4) définit sur toute la largeur du conduit d'admission une surface (K) dont la courbure est étudiée de façon à diri ger les gaz d'admissionvers le haut du cylindre ainsi qu'à permettre un écoulement fluide des gaz sans perte de charge dans toutes les positions de l'obtura- leur, ceci afin d'eviter toute modification brusque de l'écoulement des gaz qui pirttirherait leur comportement cinétique à l'endroit de la lumière créant une circulation cahot tique des gaz dans le cylindre et empéchant un balayage correct des gaz brulés dans l'échappement. Les faces intérieures (G) de l'obturateur, surface (K) définié précédemment et la surface (H. du cylindre porteur prolonge en l'épousant le conduit d'admission jusqu'à la lumière. L'axe du cylin dre prieur (2) est peopendiculaire au plan de symétrie vertical du conduit dìdiïisson à l'endroit de la lumière.Le diamètre des flancs de l'obturateur cas légèrement Inférieur au diamètre de l'alésage dans lequel est mont-é le cylindre porteur. le jeu fonctionnel existant tient compte des jeux de guidage lie lt' les axes (5) et les bagues (6) d'une part et le cylindre porteur 2 et le corps du cylindre (3) d'autre part. Il permet la rotation libre de l'obtu rat cor (1) sans contact avec le corps du cylindre t3) mais reste suffisamment petit pour minimiser les fuite de gaz entre eux. Ceci afin de ne pas perturber la précision de remplissage à bas régime.En. position de fermeture du conduit d'admission, l'obturateur vient tangenter par l'une des arêtes de la surface (K), la surface (I-l) du cylindre porteur, obturant entièrement le conduit d'admission. Le profil de l'arête accuse une rupture de continuité réalisée en son milieu par une rainure usinée sur la surface (K) et inclinée par rapport a celle-ci d'un angle (o Le dispositif faisant l'objet de l'invention sert à améliorer le rendement et les performances du moteur " 2 temps " à allumage commandé muni d'un dispositif de suralimentation d'air directement relié à l'admission. Ces améliorations sont optimisées lorsque ce moteur est pourvu du dispositif d'échappement à soupape rotative (11) faisant l'objet du brevet d'invention enregistré sous le numero 85.16241. La description fonctionnelle qui suit est développée dans ce contexte technique, le dispositif de suralimentation étant assimilé à un compresseur mécanique type " Roots La commande d'ouverture des gaz actionne or organe de commande extérieur au corps du cylindre (3) qui agit sur l'un des axes de rotation (5).Cet organe détermine la position de l'obturateur (1) dans toute son amplitude de rotation. Au régime de ralenti (fig. 4), l'obturateur (1) ferme complètement le conduit d'admission (10) mais ménage une section de passage réduite entre ceSldermier et le cylindre (3). Sous l'effet de la pression entretenue dans le conduit d"md- mission par le compresseur, les gaz frais non chargés de combustible balayent et remplissent le cylindre à chaque cycle quand le piston découvre la lumière d'admission. A ce régime, a pression de suralimentation dans le conduit d'admission (10) est faible, la section de passage réduite (A) entre ce dernier et le cylindre (3) donne aux gaz d'admission une grande vitesse de circulation et une direction leur impliquant un parcours en forme de boucle à l'intérieur du cylindre.Ainsi le balayage des gaz brulés vers l'échappement est rapide et complet et le remplissage qui débute dès la fermeture de la soupape rotative d'échappement (11), est maximum. L'injection de combustible se fait pendant le remplissage au dernier moment avant la fermeture de la lumière d'admission par le piston (12). Pendant la phase de compression des gaz dans la chambre de combustion et pendant leur détente aprés explosion, la lumière d'admission reste fermée par le corps du piston et la pression d'air à l'intérieur du conduit d'admission augmente. Cette surpression est utilisée pour accroître encore la vitesse d'écoulement des gaz dans le cylindre lors du balayage. La section de passage (A) est calculée de façon à permettre un réglage fin de la quantité d'air admise au régime de ralenti en faisant varier la section de passage d'air b l'entrée du compresseur (cette section de passage n'est autre que le dispositif de contrôle d'entrée d'air du compresseur qui modifie le volume d'air maxi Flin pouvant être déplacé). Le dispositif faisant l'objet de l'invention permet donc en position fermé de doser finement la quantité d'air admise dans le cylindre et d'obtenir ainsi un remplissage et une richesse de mélange précis, in narrsibles et adéquats pour une bonne régularité de fonctionnement du régime de ralenti. Sous l'faction de la commande d'ouverture des gaz qui agit directement sur l'organe de commande du dispfisit if d'admission, l'obturateur (1) ouvre le con doit d'admission (1U) (fig. 5). Simultarèment, le dispositif de contrôle d'entrée d'air du compresseur, lui aussi actionné par la commande d'ouverture des gaz, s'ouvre et la pression de suralimentation d'air augmente dans le conduit d'admission. Les gaz se comportent de la même façon qu'au régime de ralenti. Les débits d'air à l'entrée du compresseur et à l'entrée du cylindre sont bien entendu plus important-s ainsi que les pressions dans le conduit d'admission et dans le cylindre. Pendant la compression et la détente des gaz, le corps du piston ferme complètement la lumière d'admission. La pression d'air dans le conduit d'admission augmente jusqu'à ltouverture de la lumière par le piston. A cet instant, une partie des gaz brulés est déjà évacuée dans l'échappement (la lumière d'échappement se découvrant plus tôt que la lumière d'admission). La suppression existant dans le conduit d'admission crée un balayage puissant et trés rapide des gaz résiduels jusqu'à la fermeture de la lumière d'échappement par la soupape rotative d'échappement (11). L'injection se fait dans les mêmes conditions qu'au régime de ralenti.Elle débute pendant la remontée du piston et aprés la fermeture de la lumière d'échappement par la soupape rotative et finit juste avant la fermeture de la lumière d'admission par le piston. L'importance du jet et le temps d'injection sont définis par un calculateur électronique qui tient compte du régime de rotation du moteur, de sa température, des conditions climatiques amblantes et de la position de la commande- d'ouverture des gaz. Le profil (K) de l'obturateur (1), défini dans la section (B) (fig. 4) oriente la direction d'écoulement de l'air à l'éntrée du cylindre de façon à créer une circulation en forme de boucle à l'intérieur du cylindre. Ce type de comportement dynamique des gaz diminue les pertes de charge dans le cylindre lors du balayage et lors du remplissage.Il améliore aussi le brassage des gaz et donc l'homogénéité du mélange. Le dispositif faisant l'objet de l'invention permet donc, en position d'ouverture partielle, de limiter la section de passage des gaz à l'entrée du cylindre en leur assurant une bonne direction d'écoulement. Cette limitation à pour effet d'une part d'accélérer la vitesse de cet écoulement et d'autre part d'assurer un dosage facile et précis de la quantité d'air admise dans le cylindre. La pression du suralimentation est donc maitri sée avec précision. Le dispositif faisant l'objet de l'invention permet ainsi d'affiner le dosage de la quantité d'air déplacée par le compresseur.Son action et celle du dispositif de contrôle d'entrée d'air du compresseur permet par un réglage combiné entre eux et avec le dispositif d'injection de combustible d'obtenir une pression de suralimentation dans le cylindre et une richesse du mélange adéquates pour tous les régimes " intermédiaires ". Le couple fourni par le moteur à bas et moyen régime et son rendement sont donc beaucoup plus importants que sur un moteur " 2 temps " classique. C'est dans ces régimes que le moteur tire le profit maximum du dispositif faisant l'objet de l'invention. C'est aussi dans ces régimes que la complémentarité fonctionnelle de ce dernier avec le dispositif d'échappement à soupape rotative (11) est la plus interessante. En ouverture maximum, l'influence du dispositif faisant l'objet de l'invention est nulle. Rien ne modifie l'écoulement des gaz dans le conduit d'admission jusqu'à l'intérieur du cylindre. Les surfaces (G), (HY et (K) du cylindre porteur (2) et de l'obturateur (1) (fig. 6), seules surfaces du dispositif en contact avec les gaz, épousent le conduit d'admission. Dans cette position, le moteur atteind son régime maximum. C'est la configuration géométrique du conduit d'admission à l'endroit de la lumière et ses caractéristiques dimensionnelles qui déterminent le comportement cinétique des gaz dans le cylindre. Le volume d'air déplacé par le compresseur varie en fonction du régime.Le rendement du compresseur varie lui aussi en fonction de son régime. lorsque celuici augmente, le rendement s'accroît jusrll.l' un maximum. Le compresseur et le moteur sont liés par un couple réducteur ou multiplicateur qui fait coincider ce maximum avec le régime théorique maximum du moiteur. La pression de suralimentation augmente donc jusqu'au régime maximum et la quantité de combustible injecté varie en fonction de l'accélération.Cette quantité est calculée de façon à conserver une richesse-demélange adéquate et à prévenir les risques de préallumage. En position d'ouverture maximum, le dispositif de contrôle d'entrée d'air du compresseur est réglé pour que la pression de suralimentation ne dépasse pas le seuil critique de préallumage. L'orientation de l'écoulement des gaz à l'endroit de la lumière d'admission est donnée par la forme du conduit à cet endroit. Cette forme est en partie réalisée par les faces (Ci), (H) et (K) du dispositif d'admission. Pendant la compression des gaz par le piston leur explosion et leur détente, le corps du piston masque la lumière d'admission. La pression dans le conduit d'admission augmente trés rapidement et trés fortement. Lorsque le piston découvre la lumière d'admission, les gaz brulés sont en grande partie évacués. L'air frais en surpression dans le conduit d'admission balaye violemment et rapidement les gaz résiduels et refroidit la soupape rotative d'échappement (11). Le remplissage commence lorsque cette dernière ferme le conduit d'échappement. Le compresseur comprime directement dans le cylindre. L'injection se fait dans les mêmes conditions que pour les régimes intermédiaires. le rendement et les performances du moteur sont, dans les régimes maximums, assurés principalement par le dispositif d'échappement à soupape rotative. Par ailleurs, afin d'améliorer le remplissage en gaz frais sans nuire à la qualité du balayage des gaz brulés, il est intéressant d'équiper le cylindre de 2 dispositifs d'admission, comme celui faisant- l'objet de l'invention. Ces dispositifs a3 mentent le cylindre par des lumières d'admission usinées en vis-àvis et perpendiculairement à la lumière d'échappement. Dans ce type de configuration, l'organe de commande (11) actionne par l'intermédiaire de la bielle (12) le dispositif situé en vis-à-vis. Dans le cas d'un moteur possédant plusieurs cylindres, l'organe de commande (il) actionne le premier dispositif et, par I'intermédiaire des bielles (12) successives, l'ensemble des autres dispositifs montés en vis-à-vis sur toute la rangée de cylindres. REVENDICATIONS 1) Dispositif servant a modifier et contrôler l'écoulement des gaz d'admission à leur entrée dans le cylindre, en vue d'améliorer le rendement et les per- formances du moteur thermique " 2 temps ", caractérisé en ce qu'il est constitué d'un cylindre porteur (2) monté fixe dans le corps du cylindre (3) et servant de guide à un obturateur rotatif (1) qui traverse le conduit d'admission (10) en modifiant la forme et la section de ce dernier selon son degré d'ouverture. 2) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que le cylindre porteur (2) est positionné et lié complètement au corps du cylindre (3) par un centrage long, un épaulement et les vis de fixation (4). 3) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'obturateur (1) est guidé en rotation dans le cylindre porteur (2) par l'intermédiaire des axes (5). 4) Dispositif selon la revendication 3 caractérisé en ce que les axes (5) sont rapportés sur l'obturateur (1) et maintenus par des vis de pression (7) 5) Dispositif selon les revendications 1 et 3 caractérisé en ce que les axes (5) tournent dans des paliers autolubrifiants (6) montés serrés dans le cylindre porteur 2. 6) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'obturateur (i) est arrêté en translation dans le cylindre porteur (2) par l'intermédiaire des faces (F) sur lesquelles glissent les flancs de l'obturateur (i). 7) Dispositif selon la revendication 6 caractérisé en ce que le jeu axial existant entre les flancs de l'obturateur (1) et les faces (F) du cylindre porteur (2) est de l'ordre du dixième de millimètre. 8) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que la section (B) de l'obturateur (1) dans un plan perpendiculaire à son axe de rotation et passant à l'intérieur du conduit d'admission (10), est composé de deux courbes enveloppes, l'une extérieure épousant l'alésage du corps du cylindre (3) sans le toucher, l'autre intérieure définissant sur toute la largeur du conduit d'admission une surface (K) étudiée de façon à diriger les gaz d'admission vers le haut du cylindre et à permettre un écoulement fluide sans perte de charge quelque soit l'ouverture de l'obturateur (1). 9) Dispositif selon la revendication 6 caractérisé en ce que les flancs de l'obturateur (1) sont munis de plats usinés du côté opposé à la face (K) par rapport à l'axe de rotation de l'obturateur (1). 10) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que la section du cylindre porteur (2) dans un plan perpendiculaire à son axe de révolution et passant à l'intérieur des faces (F), est un segment dont la corde définit une surface (H) sur laquelle sont usinées deux rainures tangentielles au faces (F) et recevant les plats des flancs de l'obturateur (1). 11) Dispositif selon la revendication 10 caractérisé en ce que le jeu existant entre les plats des flancs de l'obturateur (1) et le fond des rainures usinées sur la surface (H) est tel qu'il garantie à l'obturateur (1) une amplitude angulaire de rotation suffisante pour rempli c sa fonction. 12) Dispositif selon la revendication 10 et 11 caractérisé en ce que sur toute l'amplitude angulaire de rotation de l'obturateur (1), les plats des flancs de ce dernier restent à l'intérieur des rainures usinées sur la surface (H) sans jamais toucher le fond de ces rainures. 13) Dispositif selon la revendication 8 caractérisé en ce que la courbe enveloppe extérieure qui compose la section (B) de l'obturateur (1) définit, sur toute la longueur de ce dernier comprise à l'intérieur des faces (F) du cylindre porteur (2), une surface cylindrique dont le rayon, identique à celui des flancs de ltob- obturateur, est légèrement inférieur à celui de l'alésage pratiqué dans le corps du cylindre (3) pour recevoir l'obturateur (1). 14) Dispositif selon la revendication 13 caractérisé en ce que le jeu fonction nel existant entre l'alésage pratiqué dans le corps du cylindre (3) pour recevoir l'obturateur (1), et ce dernier est aussi petit que possible pour minimiser les fuites de gaz entre eux tout en assurant la rotation libre de l'obturateur (1) dans le corps du cylindre (3). 15) Dispositif selon les revendications 1, 8 et 10 caractérisé en ce que les faces intérieures (G) de l'obturateur (1) et les surfaces (K) et (H) prolongent, en l'épousant, le conduit d'admission jusqu'à la lumière. 16) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'en position " fermé ", l'obturateur (1) vient tangenter la surface (H) par l'une des arêtes de la surface (K) qui accuse une rupture de continuité en son milieu réalisée par une rainure usinée sur la surface (K) et inclinée par rapport à celle-ci d'un angle (oc). 17) Dispositif selon la revendication 16 caractérisé en ce que l'angle ( ) est déterminé de façon que l'axe longitudinal de la rainure soit parallèle à l'axe de l'injecteur quand l'obturateur (1) est en position " fermé 18) Dispositif selon la revendication 16 caractérisé en ce que la section de passage, constituée par la rupture de continuité qu'accuse l'arête de la surface (K) en contact avec la surface (H) quand l'obturateur (1) est en position fermé, assure un réglage aisé de la richesse du mélange au régime de ralenti et améliore le oemportement cinétique des gaz en accélérant leur vitesse et en leur impliquant une direction initiale adéquate. 19) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que en position d'ouverture maximum de l'obturateur (1), le conduit d'admission est libre de tout obstacle pour l'écoulement des gaz entre la source d'air et le cylindre. 2.0) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que le volume compris entre le cylindre et l'oblurateur (1) lorsquc celui-ci est en position " fer mé " est aussi réduit que possible. 21) Dispositif selon les revendications 1, 16 et 17 caractérisé en ce que l'injecteur est positionné de façon qu'en position " fermé " de l'obturateur, le jet de combustible passe au centre de l'ouverture réalisé par les profils conjugués de l'arête de la surface (K) en contact avec la surface (H). 22) Dispositif selon les revendications 1 et 12 caractérisé en ce que les positions de l'obturateur (1) dans toute son amplitude de rotation sont déterminé par un organe de commande (11), extérieur au corps du cylindre (3), agissant sur l'un des axes de rotation (5) et actionné par la commande d'ouverture des gaz. 23) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'étanchéite entre le conduit d'admission (10) et l'extérieur est assuré par les joints (8), (9) et (ion).