Brevet FR2589519A1 — publié le 19870507

La présente invention se rapporte au système d'échappement des moteurs thermiques du type " 2 temps Les dispositifs d'échappement existants sur les moteurs actuels de ce type laissent le conduit d'échappement ouvert pendant les temps dits de transfert ou de balayage et, aprés la fermeture des lumières d'admission, pendant le début de compression. Une certaine quantité de gaz frais chargés de combustible est ainsi perdu dans l'échappement. Ces pertes occasionnent un faible remplissage du cylindre et diminuent le rendement. le dispositif d'échappement, objet de cette invention, remédie à cet inconvénient. I1 consiste en une soupape rotative d'échappement dite " à fermeture rapide La section de cette soupape (1) dans un plan perpendiculaire à son axe (fig. 2) est, en terme mathématique, un segment (3). Cette section est la même sur toute la largeur de la soupape qui se trouve dans le conduit d'échappement. I'arc de courbe du segment (3) définit ainsi sur cette largeur, une surface cylindrique (6) dont l'axe est confondu avec l'axe de rotation (4) de la soupape. Cet axe est perpendiculaire à l'axe du cylindre (7) et à la direction principale du conduit d'échappement. Sa position est déterminée d'une part, de façon à assurer lors de l'obturation du conduit d'échappement par la soupape un espace aussi réduit que possible entre la surface cylindrique (6) et la lumière d'échappement (10) et d'autre part, de manière que la corde du segment (3) vienne épouser au mieux le profil supérieur du conduit normal d'échappement pendant la phase d'évacuation des gaz brulés dans l'échappement. un jeu de quelques dixièmes de millimètres est assuré entre la surface cylindrique (6) et son logement dans le corps du cylindre. Ce jeu supprime la nécessite de graissage et permet d'éviter les dépôts de calamine. La soupape est en alliage léger ou en acier, elle est entrainée par l'arbre moteur (9) et tourne à la même vitesse, elle ferme le conduit d'échappement sur toute sa largeur, du côté du cylindre et du haut vers le bas. Sa liaison avec le corps du cylindre est une liaison pivot, elle est réalisée par des dispositifs de guidages classiques : bague autolubrifiante, roulement etc.... Des masses (15) excentrées équilibrent dynamiquement la soupape par rapport à son axe de rotation. L'arc de courbe du segment (3) définit avec l'axe de rotation (4) de la soupape, un secteur dont 1 'angle est la somme des angles suivants - angle dit " de fermeture d'échappement " S Il détermine une portion de la surface cylindrique (6) qui assure dans cette position du cycle moteur, l'étanchéité correcte du dispositif entre la chambre de combustion (22) et le conduit d'échappement (2). ( Fig 5 L'angle de fermeture d'échappement sur l'arbre moteur (9J (ou sur la soupape (1)) est fonction du positionnement relatif de la soupape par rapport au conduit d'échappement ainsi que des caractéristiques dimensionnelles de ceux-ci. te fait remarquable de cette invention réside en ce que, pour une configuratíon géométrique du conduit d'échappement, il est toujours possible de donner à la soupape un diamètre et une position par rapport au dit conduit qui permettent d'obtenir sur l'arbre moteur (9) (od sur la soupape (i)) l'angle de fermeture d'échappement souhaité. Les figures 1 à 5 représentent en coupe, le dispositif d'échappement, objet de cette invention, monté sur un cylindre de moteur n 2 temps - la figure 1 représente le dispositif dans un plan de coupe perpendiculaire à l'axe du cylindre (7) et contenant l'axe de rotation (4) de la soupape. - les figures 2 à 5 représentent le dispositif dans un plan perpendiculaire à l'axe de rotation (4) de la soupape et contenant l'axe du cylindre (7), aux instants suivants - fig. 2 : moteur en fin de détente, début d'ouverture de la lumière d'échappement (10) par le piston (il). - fig. 3 : moteur en fin de détente, début d'ouverture de la lumière d'admission (16) par le piston (il). - fig. 4 : moteur au point mort bas. - fig. 5 : moteur en début de compression, fin de fermeture de la lumière d'échappement (10) par le piston (11). Sur toutes les figures, le dispositif d'échappement ainsi que le cylindre sur lequel il est monté sont en vraie grandeur. Les dimensions du cylindre et du dispositif d'échappement, les valeurs angulaires de fonctionnement et le calage de la soupape par rapport à l'arbre moteur sont définis arbitrairement pour les besoins de la description fonctionnelle. Ces choix ne constituent pas un caractère limitatif et peuvent varier sans remettre en cause le principe de fonctionnement du dispositif d'échappement défini selon l'invention. Par ailleurs, ce dispositif étant particulièrement adapté au moteur " 2 temps N muni d'un compresseur d'air et d'un système d'injection de combustible, la description fonctionnelle qui suit est située dans ce contexte. Entre le début et la fin d'ouverture de la lumière d'échappement (JO) par le piston lit), l'arbre moteur (9) effectue une rotation d'angle (#). Il est important de constater que pendant l'ouverture de la moitié basse de la lumière d'échappement par le piston, l'arbre moteur effectue une rotation d'angle X) trés supérieure à celle d'angle (0) qu'il effectue pendant l'ouverture de la moitié haute. Cette propriété mécanique du système biellemanivelle est une caractéristique fondamentale du dispositif faisant l'objet de l'invention.Elle justifie l'appellation de soupape " à fermeture rapide " et permet de réduire 1 'angle du secteur, défini dans le plan de coupe par l'arc de courbe du segment (3) et l'axe de rotation (4), de manière que la soupape (1) ne constitue pas une gene à l'écoulement des gaz pendant toute la durée de la phase d'échappement. Les figures 2 et 3 montrent les déplacements relatifs de la soupape (1), de l'arbre moteur (9) et du piston (1f), entre le début d'ouverture de la lumière d'échappement et le début d'ou- verture de la lumière d'admission (état qui correspond, compte tenu des choix dimensioncls, à une position du piston en demiouverture de lumière d'écappementb. Pendant cette première phase l'arbre moteur et la soupape ont tourné d'un angle l). La plus grande partie des gaz brulés s'est écoulée dans le conduit d'éhappement (2) sans rencoz:- trer d 'obstacle. Entre cette position 'Lg. 3) et le point mort bas (fig. 4), le piston (11) découvre la lumière d'admission (16) et la deuxié me moitié de la lumière d'échappement (10). Pendant cette phase, un compresseur d'air, monté à l'admission, alimente le cylindre en gaz frais non chargés de combustible. Ces gaz emprunte la lumière d'admission et balaye les gaz brulés résiduels vers l'é- chappement. Simultanémznt, la soupape (1) effectue une rotation d'angle (Oc) et ferme le conduit d'échappement (2) au point mort basale diamètre de la soupape étant déterminé de façon appropriée).Ainsi, au point mort bas, la chambre de combustion est remplie, sous pression de suralimentation, de gaz frais non chargés de combustible. Entre le point mort bas Entre cette position et celle Sur la figure 5, l'angle .r) assure un recouvrement suffisamment important de la soupape dans le corps du cylindre pour garantir une bonne étanchéité entre la chambre de combustion et l'échappement lorsque le piston vient fermer la lumière d'échappement. 4insi, l'utilisation d'une telle soupape est particulièrement intéressante dans le cas d'un moteur " 2 temps " équipé à l'admission d'un compresseur d'air type " Roots " et d'un dispositif d'injection de combustible. Cette application lui permet d'assurer les fonctions suivantes - l'évacuation des gaz brulés dans un conduit libre de tout obstacle. - le balayage des gaz résiduels par des gaz frais non chargés de combustible provenant du compresseur entrainé positivement par l'arbre moteur. Ce balayage peut se faire avant et pendant la fermeture du conduit d'échappement par la soupape. - l'obturation du conduit d'échappement a partir d'une position proche du moint mort bas jusqu'à la fermeture totale de la lu mièvre d'échappement par le piston. L'étanchéité de cette obturation au moment de la dite fermeture est garantie par 1 'angle de recouvrement. Cette dernière fonction est la phase véritablement opérationnelle du cycle de la soupape, elle garantie - le remplissage du cylindre et l'injection de combustible sans fuite dans le conduit d'échappement, à partir d'une position proche du point mort bas jusqu'à la fermeture totale de la lumière d'admission par le piston.L'injection de combustible se fait dans le(s) conduit(s) d'admission ou directement dans le cylindre Dans ce deuxième cas, l'injection peut se faire aprés la fermeture de la lumière d'admission par le piston. - la compression des gaz chargés de combustible dès la fermeture totale de la lumière d'admission par le piston. Cette application permet aussi au moteur " 2 temps " de fonctionner sans adjonction d'huile dans le combustible, la chambre de combustion et le bas moteur étant isolés par la suppression des transferts d'admission. le bas moteur bénéficie d'un graissage par injection d'huile ou barbotage et d'un embiellage comparable à celui des moteurs " 4 temps ". La consommation d'huile est ainsi théoriquement nulle et le taux de pollution spécifique au moteur " 2 temps " diminue- considérablement. Il devient possible d'adapter un collecteur d'échappement du type de ceux montés sur les moteurs " 4 temps " et de supprimer l'imposant encombrement des pots de détente et des systèmes classiques d'échappement à résonance.Par ailleurs, en conservant l'utilisation d'un compresseur alimentant les cylindres dans les bas régimes, l'adaptation d'un turbocompresseur fournissant une suralimentation trés eievee dans les régimes supérieurs permet au moteur " 2 temps équipé de la soupape rotative de développer une trés grande puissance. D'une façon générale, le dispositif d'échappement défini se Ion l'invention améliore le remplissage du cylindre en réduisant å une quantité insignifiante les pertes de gaz dans 1 'échappement Le gain de couple ainsi réalisé augmente la puissance à bas régime et permet de réduire la hauteur de la lumière d'échappement. Le moteur profite plus longtemps de la détente des gaz, il est moins sollicité en régime, plus silencieux et plus souple. Outre ses qualités spécifiques (légèreté, simplicité, encombrement réduit, puissance), il bénéficie de la plupart des gualités du moteurs " 4 temps " (couple, souplesse, rentabilité, silence, propreté), ainsi que de l'adaptation rentable d'un dispositif de suralimentation d'air et d'injection de combustible. L'adaptation de ce dispositif d'échappement sur un moteur comportant plusieurs cylindres nécessite la mise en place d'autant de soupapes qu'il y a de cylindres. Pour les moteurs présentant des cylindres disposés en ligne, le principe de guidage en rotation des soupapes peut différer de la solution présentée dans la figure 1. Il devient en effet plus simple pour le montage et les réglages de constituer un plan de joint vertical, parallèle aux axes des cylindres et contenant 1 'axe de rotation des soupapes. Dans le cas de cylindres usinés dans un même bloc moteur, les soupapes peuvent être liées par des liaisons complètes démontables ou indémontables. Dans le cas de cylindres séparés, les soupapes sont guidées dans les corps de leur cylindre respectif mais peuvent conserver entre elles une liaison assurant la transmission du mouvement de rotation, ce mouvement étant dans ce cas, donné à l'une d'elles seulement, par l'arbre moteur (9). REVENDICATION5 1) Dispositif servant à controler le diagramme d'échappement du moteur thermique " 2 temps ", en vue d'améliorer le rendement et les performances de celuici caractérisé en ce qu'il est constitué d'une soupape rotative (1) liée au corps (12) d cylindre (7) par une liaison pivot et traversant le conduit d'échappement (2) qu'elle obture temporairement à chaque chaque cycle. 2) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que la liaison pivot qui lie la soupape rotative (1) au corps (12) du cylindre (7) est réalisée à l'aide des paliers (13) et de la butée (14). 3) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que la section de la soupape rotative (1), en tout point situé à l'intérieur du conduit d'échappement (2), est un segment (3). 4) Dispositif selon la revendication 3 caractérisé en ce que le segment (3) matérialise un portion de surface cylindrique (6) dans toute la largeur du conduit d'échappement (2). 5) Dispositif selon la revendication 4 caractérisé en ce que l'axe de la sur face cylindrique (6) est confondu avec l'axe de rotation (4) de la soupape rotative (i). 6) Dispositif selon revendication 1 caractérisé en ce que l'axe de rotation (4j de la soupape rotative (1) est perpendiculaire à l'axe du cylindre (7) et à l'orientation du conduit d'échappement (2) à cet endroit. 7) Dispositif selon les revendications 1. et 4 caractérisé en ce que la soupape rotative (1) est positionnée aussi prés que possible du cylindre (7) de façon à réduire le volume mort compris entre la surface cylindrique (6) et la lumière d'échappement (10) lorsque la soupape rotative (1) obture le conduit d'échappement (2). 8) Dispositif selon les revendications 1 et 3 caractérisé en ce que la soupape rotative (1) est positionnée de façon que la surface définie par la corde du segment (3) dans toute la largeur du conduit d'échappement (2), vienne épouser le profil supérieur de ce conduit lorsque la soupape rotative (1) commence à masquer la lumière d'échappement (10). 9) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que La soupape rotative 1 est entrainée en rotation scit par un système d'engrenages soit par courroie crantés à partir de l'arbre moteur (9) ou de tout autre mécanisme entrainé positivement par l'arbre moteur (9). n, Dispositif selon les revndications 1 et 9 caractérisé en ce. que la vitesse angulaire de la soupape rotative (i) est identique en norme à celle de l'ar bre moteur (9). 11) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que la soupape rota tive (1) obture progréssivement le conduit d'échappement (2) dans toute sa lar geur-, du coté du cylindre (7) et du haut vers le bas. 12) Dispositif selon les revendications 1, 3, et 10 caractérisé en ce que l'angle du secteur formé par l'arc de courbe du segment (3) et l'axe de rotation (4) est au moins égal à l'angle de fermeture d'échappement (&alpha;), qui est l'angle de rotation effectué par la soupape rotative (1) pour obturer le conduit d'échappe ment (2), additionné d'une part, de l'angle de rotation (P) ) effectué par l'ar- bre moteur (9) entre sa position quand la soupape rotative (1) ferme complètement le conduit d'échappement (2) et sa position quand le piston (11) ferme complètement la lumière d'échappement (10), et d'autre part, d'un angle de sécurité (Y) défini de façon à assurer l'étanchéité entre la chambre de combustion du cylindre (7) et le conduit d'échappement quand le piston (11) ferme complètement la lumière d'échappement (10). 13) Dispositif selon les revendications 1, 4, et 10 caractérisé en ce que quel ques sotent la configuration géométrique et les caractéristiques dimensionnelles du cylindre (7) et du conduit d'échappement (2), l'angle de fermeture d'échappement (o 14) Dispositif selon les revendications 1 et 9 caractérisé en ce que le calage de la soupape rotative (1) par rapport à l'arbre moteur (9) détermine le dé büt P----L.--- du 15) Dispositif selon les revendications 1 et 4 caractérisé en ce que un jeu de quelquesdixièmesde millimètres entre la surface cylindrique (6) et son logement (8) dans le corps du cylindre assure la rotation libre de la soupape sans nécéssiter de graissage. 16) Dispositif selon la revendication 4 caractérisé en ce que le rayon de la surface cylindrique (6) doit être supérieur à la distance séparant l'axe de rotation (4) de la génératrice inférieure du conduit d'échappement (2), de façon à définir une zone de recouvrement (23) suffisamment importante pour assurer l'étanchéité entre la chambre de combustion (27) et le conduit d'échappement (2) lors du début de compréssion des gaz en fin de fermeture de la lumière (16) par le piston (11). 17) Dispositif selon la revendication i caractérisé en ce que la soupape rotative (1) est équilibrée dynamiquement par rapport à son axe de rotation. 18) Dispositif selon la revendication 17 caractérisé en ce que l'équilibrage dynamique de la soupape rotative (i) est réalisé à l'aide d'une ou plusieurs masses (15) excentrées par rapport à l'axe de rotation de la soupape rotative, et solidaire(s) de celle-ci par une(des) liaison(s) démontable(s) ou indémontable(s) selon la configuration géométrique du dispositif de guidage de la soupape rotative (1) et selon celle du moteur. 19) Dispositif selon la revendication 2 caractérisé en ce que les paliers (13) et la butée (14) sont graissés et refroidis par un circuit d'huile (17) alimenté sous faible pression. 20) Dispositif selon les revendications 1 et 19 caractérisé en ce que le circuit d'huile (17) de graissage et de refroidissement des paliers, le circuit d'eau (21) de refroidissement du cvlindre, le conduit d'échappement (2) et l'ex- térleur sont isolés entre eux et deux à deux par les joints (18), (19), et (20).