Brevet FR2590936A1 — publié le 19870605

On sait que les moteurs à combustion interne du type deux temps présentent de nombreux inconvénients du fait des pertes de mélange frais par L'échappement. Ces pertes constituent tout d'abord l'une des causes principales d'une consommation spécifique importante de ce type de moteur. Elles sont en outre à l'origine du caractère polluant de ces moteurs dont il est compliqué de diminuer les effets. Remédier aux pertes de mélange par l'échappement constitue le souci constant des constructeurs et de nombreuses dispositions ont été mises en oeuvre pour atteindre ce but. On citera pour mémoire des systèmes à double alimentation en mélange carburant et en air pour soit substituer de l'air à la partie de mélange ayant tendance à s'échapper, soit pour former un écran de confinement dans la chambre de combustion du mélange carburant. La présente invention entend proposer une solution différente au problème posé tenant à la forme de la chambre de combustion qui permet d'obtenir au moment de l'admission une véritable stratification des gaz brûlés à évacuer et du mélange frais introduit et de pouvoir ainsi contrôler plus facilement le moment où les gaz frais parviennent à l'échappement. Il suffit alors que L'ouverture d'échappement se ferme à l'instant où l'interface séparant les gaz brûlés du mélange frais parvient au niveau de cette ouverture. A cet effet donc, l'invention concerne un moteur à combustion interne comportant au moins un ensemble cylindre-piston délimitant une chambre de combustion dans lequel ladite chambre de combustion est annulaire et disposée entre une partie de petit diamètre d'un piston étagé et une partie de grand diamètre d'un cylindre recevant le piston à coulissement entre un point mort bas au voisinage duquel la partie de petit diamètre du piston découvre au moins une ouverture d'échappement de la chambre, la partie de grand diamètre ayant, dans la même position du piston, découvert au moins une ouverture d'admission du mélange ménagée dans la partie de grand diamètre du cylindre, et un point mort haut auquel la chambre de combustion est isolée des ouvertures d'admission et d'échappement. De manière avantageuse, la lumière d'admission est reliée à un canal d'admission dont l'ouverture et la fermeture sont commandées par un distributeur. En outre, dans un mode de réalisation particulier, au moins la partie de petit diamètre du piston est tubulaire avec son extrémité libre ouverte, l'ouverture d'échappement étant ménagée au niveau de ladite extrémité au travers de la paroi du piston. Il sera enfin avantageux de prévoir un dispositif de suralimentation, comportant un compresseur volumétrique, sur le canal d'admission, et au moins un organe d'allumage au niveau de la zone de raccordement des petit et grand diamètres du cylindre. L'invention sera mieux comprise au cours de la description donnée ci-après à titre d'exemple purement indicatif et non limitatif qui permettra d'en dégager les avantages et les caractéristiques secondaires. Il sera fait référence au dessin annexé qui représente par une figure unique en coupe un ensemble cylindre piston d'un moteur conforme à l'invention. En se reportant à cette figure on voit un carter de moteur 1 dans lequel est logé un vilebrequin 2 qui coopère avec une bielle 3 de manière classique. La tête de bielle 3 est attelée à un piston 4 monté à coulissement dans un cylindre 5 fixé au carter 1. Le piston 4 est un piston étagé, c'est-à-dire possédans une partie supérieure 4a de petit diamètre et une partie inférieure 4b de grand diamètre reliées par une paroi de raccordement conique 4c. De même le cylindre 5 comporte une partie 5a de petit diamètre et une partie 5b de grand diamètre reliées par une paroi de raccordement conique 5c. Les parois 4c et 5c, de forme identique sur la figure, peuvent soit affecter un profil autre que conique, soit ne pas être identi ques. Ainsi, chacune bielle peut être constituée par une portion de sphère, par une portion de plan radial, par une po- tion de tore... et, par exemple, la paroi 5c étant torique, sphérique ou conique, la paroi 4c peut être plane ou torique de concavité tournée vers le haut ou vers le bas, ou sphérique.. Le piston 4 est monté coulissant dans le cylindre 5 en-re un point mort haut tel que représenté en traits pleins sur la figure et un point mort bas représenté en traits mixtes 4'. Le cylindre et le piston déterminent une chambre de combustion 6 annulaire limitée raidalement par la surface extérieure de la partie 4a du piston, la surface cylindrique intérieure de a partie Sb du cylindre et axialement par les parois e et Se Au point mort haut, la chambre de combustion 6 est de volume minimal, son volume maximal étant atteint au point mort bas lorsque la paroi 4e du piston est dans sa position 4'c. L'étanchéité de la chambre 6 est assurée classique- net par des segments tels que ceux symbolisés en 7 sur la artie de piston 4b ou par des-rainures telles 8 formant joint labirynthe entre les parties 4a, 5a des cylindre et piston de petit diamètre. On peut également disposer des segments sur la partie 4a du piston qui coopèrent avec la partie Sa lisse du cylindre. Des orifices 9 - un, deux ou plus - sont ménagés dans la paroi du cylindre 5 au voisinage de sa zone de raccor- dement 5c et sont aptes à recevoir des organes d'allumage tels que des bougies (non représentées9 dont les électrodes sont situées dans la chambre de combustion et permettent d'en- flammer le mélange comprimé qu'elle contient au point mort haut (à l'avance à l'allumage près). L'admission de mélange dans la chambre de combustion 6 est réalisée au moyen d'un orifice 10 ménage dans la paroi de la partie de cylindre 5b de grand diamètre à un niveau qui lui permet d'être totalement découverte par la partie de grand diamètre du piston 4 lorsque ce dernier a atteint un point mort bas. Il peut exister plus d'une ouverture telle que 10 à la périphérie du cylindre dans la mesure o@ la qualité du remplissage de la chambre de combustion la rend nécessaire.Cette ouverture 10 est connectée à un canal d'ali mentation 11, lui-même une dérivation tin carat général 02 d'alimentation de toutes le chambres de combustion que comporte le moteur, par l'intermédia@re d'un distributeur 13 (ici représenté schématiquement s@us la forme d'une vanne tournante).Le distributeur 13 est commandé par un mécanisme, non représenté, qui peut être entraîné mécaniquement ou commandé électriquement ou électroniquement asservissant les instants d'ouverture et de fermeture au régime du moteur et permettant de régler le temps d'ouverture Le mélange combustible sera avantageusement issu d'un dispositif de suralimentation 14 qui comprendra un compresseur volumétrique non représenté, permettant, con-trairement aux compresseurs centrifuges ou aux turbines généralement utilisées, de disposer une pression de suralimentation constante, quel que soit le régime du moteur, et donc un meilleur coefficient de remplissage.Cette disposition permet également de diminuer le temps d'ouverture du distributeur 13, ce qui a une incidence favorable sur les pertes à L'échappement. On notera que Le piston 4 présente sa partie 4a de petit diamètre sous la forme d'un tube cloisonné à sa partie supérieure par une paroi conique 15 qui en constitue raidis- seur et permet d'en éviter L'ovalisation L'espace intérieur du piston est ouvert sur l'espace intérieur de La jpe de piston, donc sur le carter du moteur et peut donc être refroidi par L'intérieur On pourrait imaginer, sans sortir du cadre de l'invention, que cette partie sailLante située sous La cloison 15 soit pleine, sous réserve de disposer d'un matériau résistant à la chaleur et ne se déformant pas thermiquement. La portion extrême de ladite partie 4a est également tubulaire et ouverte sur L'atmosphère ou du moins sur un canal d'échappement non représenté. La paroi de cette portion extrême est pourvue d'une ou, de préférence, d'une pluralité de fenêtres 16 à sa base. On voit que dans sa position 4', les fenêtres 16 sont dans une position 16' sous la partie de cylindre 5a qui ne les recouvre plus. Ainsi découvertes, ces fenêtres constituent les orifices dcéchappement de la chambre de combustion 6, puisqu'elles mettent cette dernière en communication avec l'atmosphère (ou le collecteur d'échappement) au travers de la paroi de la partie 4a.L'extrémité du piston 4 située au-delà des fenêtres 16 reste à l';nté- rieur du cylindre 5a et maintientle guidage de ce dernier. On peut cependant concevoir une partie 4a de piston qui soit de longueur inférieure à celle représentée, donc inférieure à la course du piston augmentée de la dimension axiale de la chambre de combustion 6 au point mort haut, de manière qu'au point mort bas, ladite partie 4a quitte complètement l'alé- sage du cylindre Sa, l'ouverture d'échappement étant alors réalisée entre l'extrémité inférieure de cet alésage et le sommet de la partie 4a du piston. Il faut dans ce cas être assuré de la trajectoire parfaitement axiale du piston pendant sa course pour éviter les chocs entre le sommet dudit et les bords inférieurs de l'alésage.On peut aussi profiler les deux extrémités du piston de l'alésage pour minimiser ces chocs s'ils se produisent. Enfin, on a représenté à la partie droite de la figure un cylindre 5 refroidi par de l'eau circulant dans des conduits 17 alors que la partie gauche montre que l'on peut disposer des ailettes 18 de dissipation de la chaleur lors d'un refroidissement par air. On supposera le piston 4 au point mort haut, le mélange admis étant comprimé dans la chambre 6 et enflammé par les bougies d'allumage. Sous l'effet de l'explosion, le piston est repoussé vers le bas. Dans sa course vers le point mort bas, son arête 4d découvre progressivement l'ouverture 10 et un peu plus tard les fenêtres 16 passent sous l'arête 5d du cylindre 5. A ce moment, la phase de détente des gaz se termine et commence l'échappement . Le distributeur 13 peut alors ouvrir le conduit 11 et du mélange frais sous pression pénètre dans la base de ta chambre 6 en chassant vers le haut Les gaz brûlés qui s'échappent au travers des fenêtres 16. La remontée du piston obture les fenêtres 16 puis l'ori- fice 10, le distributeur 13 a fermé dans l'intervalle le conduit 11. La phase de compression se poursuit jusqu'au point mort haut et le cycle recommence. L'admission de gaz frais à La base de la chambre, alors que Les ouvertures d'échappement sont situées à son sommet, supprime le risque de passage direct de gaz frais à l'échappement qui existe dans les moteurs deux temps classiques,lais- sant incluses dans la chambre des poches de gaz brûlé non balayées. Par la disposition de la chambre selon l'invention, les gaz frais se substituent complètement aux gaz brûlés de la chambre avant d'atteindre L'échappement. Il n'existe donc pas de mauvais balayage. Pour supprimer les pertes à l'échappement, il faut que les fenêtres 16 soient obturées au moment où le "niveau supérieur" de la couche de gaz frais atteint le sommet de la chambre 6. On peut obtenir ce résultat en déterminant, par rapport à la position du piston dans sa course, donc à L'angle de vilebrequin, Le moment où il faut ouvrir le distributeur 23. Si L'on admet que la pression de suralimentation reste constante quel que soit le régime, on forme l'hypothèse que le remplissage de la chambre est effectué pendant un espace de temps fixe. Ainsi, à basses vitesses de rotation du moteur, l'instant d'ouverture sera retardé par rapport à des vitesses plus importantes puisqu'il faudra plus de temps au piston, à partir d'une position voisine du point mort bas, pour fermer les fenêtres 16 à basse vitesse qu a vitesse élevée.L'instant auquel le distributeur 13 ouvre le conduit 11 peut donc être asservi à un signal significatif de la vitesse de rotation du moteur. Par ailleurs, l'instant où le distributeur doit être fermé dépendra de la pression de suralimentation Si La pression ae suralimentation est suffisamment élevée, on peut maintenir le- distributeur ouvert jusqu n au moment où l' arête 4d du piston dépasse le point haut de l'ouverture 10, les fenêtres 16 ayant été occultées dans l'intervalle. On voit que la dimension axiale a de tnouverture 10 détermine une limite de la plage de réglage de l'instant de fermeture du distributeur 13.If est en effet avantageux d'introduire le maximum de mélange dans la chambre de combustion donc de maintenir l'alimentation ouverte le plus longtemps possible puisque Les fenêtres es 16 étant fermées aucu.n risque de perte à l'échappement n'existe plus L'orientation des canaux d'admission par rapport à l@ chambre et leur nombre sont des acteurs influençant la censtitution n une bonne stratification entre gaz frais et gaz brûlés.Il peut être par exemple intéressant de prévoir une arrivée sensiblement tangentiel Le du mélange dans La chambre et dans un plan perpendiculaire à l'axe du cylindre pour diminuer au maximum La composante verticaLe de La vites- se des gaz frais ayant tendance à les conduire vers l'échap- pement. Il peut être également avantageux dans ce but de profiler la surface 4c du piston de manière à éviter des réflexions de gaz frais an direction de la partie supérieure de la chambre. En tout état de cause, la forme annulaire de La chambre associée à une alimentation tangentielle constitue des moyens importants pour constituer cette stratification L'invention trouve une application intéressante dans le domaine de l'automobile. REVENDICATIONS 1. Moteur à combustion interne comportant au moins un ensemble cylindre(S)-piston (4) déLimitant une chambre de combustion (6) caractérisé en ce que Ladite chambre (6) est annulaire et disposée entre une partie (4a) de petit diamètre d'un piston (4) étagé et une partie (5a) de grand diamètre d'un cylindre (5) recevant te piston à coulissent entre un point mort bas au voisinage duquel la partie de petit diamètre du piston (4a) découvre au moins une ouverture d'échappement (16) de la chambre (6), La partie de grand diamètre (4b) ayant dans ta même position du piston (4), découvert au moins une ouverture (10) d'admission du mélange ménagée dans la partie de grand diamètre du cylindre (5bey et un point mort haut auquel la chambre de combustion (6) est isolée des ouvertures d'admission (10) et d'échappement (16). 2. Moteur seLon La revendication 1 caractérisé en ce que ta lumière d'admission (10) est reliée à un canal d'admission (11) dont L'ouverture et la fermeture sont commandées par un distributeur (13). 3. Moteur selon La revendication 1 ou la revendication 2 caractérisé en ce que au moins la partie (4a) de petit diamètre du piston (4) est tubulaire avec son extrémité libre ouverte et en ce que L'ouverture d'échappement (16) est ménagée au niveau de ladite extrémité au travers de la paroi du piston. 4. Moteur selon L'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le canal d'admission (11) est connecté à un dispositif (14) de suralimentation comportant un compresseur volumétrique. 5. Moteur selon L'une quetconque des revendications précédentes caractérisé en ce que la chambre de combustion (6) comporte au niveau de la zone (4c, 5c) de raccordement des petit et grand diamètres du cylindre (5) au moins un organe d'allumage.