Brevet FR2613422A1 — publié le 19881007

La présente invention concerne généralement et a essen- tiellement pour objet un procédé et un dispositif d'aménagement d'un moteur à combustion interne à deux temps à pistons notamment alternatifs et à autosuralimentation par effet de post- remplissage, tel qu'en particulier mais non exclusivement un mo- teur à au moins un cylindre à simple effet. Dans l'état de la technique antérieure, on connait déjà un grand nombre de propositions visant à utiliser l'action direc- te des gaz sortant d'un cylindre sur une réserve d'air en vue de la comprimer et de l'introduire dans un cylindre à un moment op- portun du cycle pour le suralimenter. La plupart de ces propositions utilisent l'action directe des gaz d'échappement d'un cylindre sur une réserve d'air pour suralimenter un autre cylindre et, inversement, le déphasage an- gulaire des cylindres mis en communication étant judicieusement choisi. Les propositions, visant l'utilisation directe de l'éner- gie des gaz d'échappement d'un cylindre sur une réserve d'air pour améliorer le remplissage et le rendement de ce cylindre, sont beaucoup moins nombreuses, surtout si, parmi-celles-ci, on ne retient, pour des raisons évidentes d'efficacité, que celles permettant aux phases de transfert de pression cylindre-réserve d'air-cylindre de s'opérer en milieu clos au sein du système considéré de façon à éviter toute déperdition d'énergie vers l'extérieur. Pour des raisons de commodité, l'ensemble des éléments constituant le système précité sera désigné ci-après système com- presseur Le nombre des propositions est encore plus restreint si l'on se limite exclusivement à celles permettant d'obtenir un ef- fet de post-remplissage et non une compression de toute la charge admise au cylindre (qu'il est d'ailleurs difficile d'utiliser dans le cas d'un cycle & deux temps si l'on n'élève pas concomi- tamment la contre-pression à l'échappement). L'intéret du post-remplissage a été reconnu depuis longtemps, en particulier pour le cycle à deux temps. - Il permet en effet, pour un travail de compression exter- ne donné de la charge d'air, d'obtenir le remplissage le plus élevé grâce à une augmentation de la pureté en air du fait que la masse de gaz résiduels non expulsée à la fin de la phase de ba- layage ne subit plus de modification ultérieure durant la phase de post-remplissage. Ceci équivaut à une amélioration du rende- ment de balayage et à une meilleure utilisation de l'air de balayage. Un tel dipositif de moteur à deux temps, monocylindre à post-remplissage est décrit dans le brevet U.S. Ne 1,362,080. et représente à la figure 5 de ce même brevet. Dans ce dispositif, le système compresseur comporte un réservoir d'air extérieur au moteur, relié, par l'une de ses extremités, à un volume formant antichambre à ce réservoir d'air et à un conduit communiquant avec une source d'air de balayage (grâce à l'utilisation d'une soupape à trois voies), et, par l'autre extremité, à la pipe d'admission conduisant à l'orifice d'admission au cylindre (commandé par un organe de distribution, par exemple du type soupape, logé dans la culasse) et à un pre- mier conduit d'échappement destiné à évacuer les gaz d'échappement, ayant déjà servi, vers l'extérieur (grâce de nou- veau à l'utilisation d'une soupape à trois voies). Le volume formant antichambre au réservoir d'air est lui- même relié, à son extremité amont, à un clapet anti-retour situé en aval immédiat d'un conduit de pré-échappement relié lui-même à un orifice de pré-échappement (commandé par une lumière aména- gée dans la- chemise) distinct de l'orifice d'échappement propre- ment dit (commandé par une lumière aménagée dans la chemise) dé- bouchant sur un deuxième conduit d'échappement, qui est celui du cylindre. En suivant l'ordre des différentes séquences du cycle du système compresseur les gaz d'échappement, qui, pendant la phase de prééchappement(durant cette phase le système constitué par respectivement le cylindre et le volume formant antichambre est fermé vis à vis de l'extérieur car l'orifice d'échappement du cy- lindre et la soupape à trois voies, située en aval dudit volume sont fermés) s'échappent du cylindre par l'orifice de pré- échappement, sont emmagasinés sous pression dans le volume précité, dans l'attente de pouvoir y être transférés et communi- quer ainsi leur énergie de pression à l'air préalablement emmaga- siné dans ledit réservoir. Le maintien sous pression des gaz d'é- chappement dans ce volume formant antichambre est rendu possible par la présence du clapet anti-retour précité. Dans la phase de post-remplissage qui suit, les gaz d'échappement, en pénétrant dans le réservoir, à ce moment fermé vis à vis de la source d'air de balayage et du premier conduit d'échappement, mais en communication, par son extrémité amont avec ledit volume formant antichambre et, par son extrémité aval avec la pipe d'admission au cylindre, grâce au positionnement adéquate de respectivement chacune des deux soupapes à trois voies précitées) compriment l'air qui y avait été préalablement emmagasiné et le repoussent à l'intérieur du cylindre alors en communication avec sa pipe d'admission. Le cycle du système compresseur s'achève par la phase de balayage du réservoir d'air pour renouveler les gaz brûlés,laissés à l'intérieur à la suite de la phase de post- remplissage, par de l'air frais en positonnant les soupapes à trois voies précitées pour faire communiquer ledit réservoir (alors fermé vis à vis du volume antichambre et de la pipe d'ad- mission au cylindre) avec respectivement la source d'air de ba- layage à son extremité amont et le premier conduit d'échappement à son extrémité aval. On remarque que la phase de balayage du ré- servoir d'air, qui s'effectue pendant les phases respectivement decompression, de combustion et de détente du cylindre, dispose d'un temps supérieur à celui qui est consacré au balayage du cy- lindre proprement dit. On remarque également que, en ce qui concerne plus parti- culièrement le système compresseur et la phase admission du cycle moteur, le sens principal d'écoulement respectivement des gaz d'échappement, de l'air introduit dans le réservoir d'air et dans le cylindre est unidirectionnel, selon une même direction allant de la lumière de prééchappement à l'extrémité aval du réservoir d'air située à proximité de la pipe d'admission au cylindre. Un tel dispositif, bien que réalisant un procédé corres- pondant à un cycle thermodynamique idéal, présente notamment les inconvénients suivants: a) La position externe respectivement du réservoir d'air et du volume formant antichambre pour les gaz d'échappement et,la nécessité d'avoir trois soupapes supplémentaires pour assurer la distribution du cycle du système compresseur et de la partie ad- mission du cycle moteur conduisent à un ensemble d'une grande complexité et d'un encombrement important. Cette complexité orga- nique peut difficilement se Justifier, en particulier dans le cas d'application à des moteurs multicylindres et dans le contexte technique d'aujourd'hui o notamment la turbosuralimentation s'est largement répandue. b) Ces soupapes supplémentaires sont soit du type à ac- tionnement automatique, qui présente un degré de fiabilité incer- tain quand elles sont placées dans un flux de gaz à haute température, soit du type à actionnement mécanique, ce qui engen- dre alors des difficultés tant au niveau de leur lubrification qu'au niveau de leur rapidité d'ouverture et de fermeture et de leur section de passage qui doivent être suffisantes pour exécu- ter les diagrammes de distribution imposés par le cycle compres- seur et la partie admission du cycle moteur. c) La position des soupapes supplémentaires engendre iné- vitablement un certain nombre de zones mortes, car il est impos- sible de toujours contrôler parfaitement la position de l'inter- face gaz-air, ce qui se traduit soit par une admission de gaz brûlés dans le cylindre à la fin de la phase de post-remplisssage ou au contraire une perte d'air frais durant la phase de balayage subséquente du réservoir. Un but principal de l'invention est de supprimer les in- convénients précités tout en conservant l'avantage principal du dispositif connu précité, à savoir celui de l'autosuralimentation par post-remplissage. Dans cet esprit un objectif essentiel de l'invention est de simplifier un tel dispositif et d'en faciliter l'application en intégrant le plus possible le système compresseur aux diffé- rentes architectures de moteurs à deux temps qui se sont imposées dans la pratique, notamment mais non exclusivement pour les pe- tits moteurs monocylindre qui connaissent une très large diffu- sion dans le domaine des petites puissances. Un autre objectif de l'invention est de permettre la sur- alimentation de moteurs qui, soit en raison de leur faible nombre de cylindres ou de leur faible cylindrée, se trouvent en dehors du champ d'application de la suralimentation, notamment de la turbosuralimentation. Encore un autre objectif de l'invention est de permettre une application plus facile des cycles perfectionnés, à course de compression interne raccourcie par rapport à la course de détente, appelés également cycles asymétriques, qui nécessitent un rapport de la pression de suralimentation à la pression moyen- ne effective plus élevé que pour les cycles symétriques et qui, 2 6 1 3 42 2 de ce fait, conduisent très souvent à l'utilisation d'un étage de suralimentation supplémentaire disposé en série, la plupart du temps avec interposition d'une réfrigération intermédiaire. L'in- vention permet alors de faire l'économie d'un étage de suralimentation. Un objectif additionnel de l'invention est de conférer, à ce type de moteur, des caractéristiques améliorées par rapport à celles des moteurs existant en ce' qui concerne la puissance massique, la consommation de combustible, les émissions polluantes, y compris l'émission de bruit, la caractéristique de couple. L'amélioration de la puissance massique anse que l'aug- mentation de la turbulence provenant du champ de vitesse résul- tant de la phase de post-remplissage sont considérées comme des éléments décisifs de nature à faire bénéficier largement le mo- teur Diesel de potentialités insuffisamment exploitées dans cer- tains domaines, en particulier celui des faibles cylindrées unitaires. Un autre objectif de l'invention est d'obtenir un rende- ment d'utilisation de la charge d'air fournie au cylindre aussi proche que possible de l'unité, en d'autres termes, de réduire les pertes d'air de balayage à l'échappement à une valeur aussi faible que possible, de façon à maintenir l'enthalpie des gaz d'échappement à un niveau aussi élevé que possible en évitant au maximum le phénomène de dilution en vue de l'utilisation ulté- rieure de l'énergie des gaz d'échappement dans une turbine de suralimentation ou de puissance. L'invention résout le problème technique posé ci-dessus en perfectionnant le procédé exposé. Elle propose en effet un procédé d'aménagement d'un mo- teur à combustion interne à deux temps à pistons alternatifs et à autosuralimentation par effet de post-remplissage, notamment un moteur à cylindre à simple effet à au moins un cylindre, dans le- quel toutes les phases d'échange de pression entre les gaz con- cernés s'effectuent exclusivement en milieu clos au sein du sys- tème compresseur, caractérisé en ce qu'il consiste à intégrer complètement le système compresseur à l'ensemble cylindre- culasse, en utilisant pour la chambre de travail exclusivement respectivement au moins un orifice d'admission et au moins un orifice d'échappement, dont l'un des deux assure en plus la fonc- tion de pré-échappement. Selon une forme préférée de l'invention elle propose un procédé, caractérisé par une imbrication du cycle du système compresseur et de la partie admission du cycle moteur telle, que le déroulement des phases successives permette aux gaz d'échappement, lors de la phase de prééchappement, de pénétrer dans la voie d'alimentation de la réserve d'air par la même voie qui amène l'air au cylindre, comprimant ainsi l'air, occupant la- dite voie, à l'intérieur de la réserve d'air dans l'attente de la phase de post-remplissage, ensuite à l'air provenant de la source de balayage du cylindre, lors de la phase de balayage, de balayer la dite voie d'alimentation puis le cylindre lui-même en refoulant les gaz d'échappement, et enfin à l'air précédemment accumulé sous pression dans la réserve d'air de restituer, lors de la phase de postremplissage, son énergie à l'air présent dans ladite voie d'alimentation, alors en communication avec le cylindre. L'invention propose également que les fonctions respecti- vement de réserve d'air et de distribution soient assurées exclu- sivement par la coopération du cylindre et du piston. Elle propose en particulier que la réserve d'air soit dé- limitée par une capacité intérieure au piston. Cette proposition présente l'avantage de réaliser le cycle, thermodynamiquement idéal, tel que défini précédemment, sans introduire aucun organe de distribution supplémentaire uti- lisant des pièces mobiles supplémentaires. Elle présente également l'avantage de conserver l'encom- brement du moteur à deux temps. On remarque que l'organisation du balayage de la voie d'alimentation de la réserve d'air, qui se confond avec la partie aval de la voie d'admission au cylindre, puis du cylindre propre- ment dit avec un seul et unique front d'air provenant de la sour- ce d'air de balayage, permet d'éliminer complètement l'inconvé- nient des zones mortes précité. La plupart des types de distribution, ainsi que la plu- part des types de source d'air, de même que la plupart des types de balayage usuels des moteurs à deux temps peuvent être utilisés en liaison avec l'invention. On remarque que les deux phases, correspondant respecti- vement à la pressurisation de la réserve d'air et à l'autosurali- mentation par post-remplissage, sont par la nature même du type de distribution, assurée par le mouvement du piston, réparties de façon symétrique par rapport au point mort bas du cycle moteur. La position et la durée angulaires des deux phases préci- tées peuvent cependant être choisies à l'intérieur d'un très lar- ge domaine, à partir d'une zone voisine du point mort bas, favo- rable à la conservation d'une course utile maximale Jusqu'à, au contraire, une zone quelconque de la course de compression. Le volume de la voie d'alimentation, ainsi que celui de la réserve d'air, sont naturellement fonction du type de diagram- me retenu pour les phases d'échange de pression précitées. L'application de cet aménagement n'entraîne la résolution d'aucun problème technique supplémentaire, si l'on excepte la ré- solution de la réfrigération de la voie d'alimentation de la ré- serve d'air et de la réserve d'air elle-même, ce qui pésente un intérêt bien connu en soi, résolution qui ne pose par ailleurs pas de problème technique nouveau. La solution consistant à réaliser le pré-échappement dans la voie d'admission au cylindre présente l'avantage, dans le cas o une réfrigération de la voie précitée est prévue, de ne re- froidir que les gaz d'échappement utilisés pour l'autosuralimen- tation et non la totalité, comme cela serait le cas s'il etait réalisé dans la voie d'échappement, ce qui engendrerait alors une diminution de l'enthalpie préjudiciable, si l'invention est uti- lisée avec un système de suralimentation supplémentaire ou une turbine de puissance externe. Le procédé selon l'invention est susceptible d'un grand nombre d'applications industrielles, tout particulièrement dans le cadre des moteurs Diesel ou à allumage commandé ne pouvant pas, ou très difficilement, être suralimentés. B REVENDICATIONS R E V E N D I C A T I O N S 1. Procédé d'aménagement d'un moteur à combustion interne à deux temps à pistons alternatifs et à autosuralimentation par effet de post-remplissage, notamment un moteur à cylindre à sim- ple effet à au moins un cylindre, dans lequel toutes les phases d'échange de pression entre les gaz concernés s'effectuent exclu- sivement en milieu clos au sein du système compresseur, caracté- risé en ce qu'il consiste à intégrer complètement le système com- presseur à l'ensemble cylindre-culasse, en utilisant pour la chambre de travail exclusivement respectivement au moins un ori- fice d'admission et au moins un orifice d'échappement, dont l'un des deux assure en plus la fonction de pré-échappement. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par une imbrication du cycle du système compresseur et de la partie ad- mission du cycle moteur telle, que le déroulement des phases suc- cessives permette aux gaz d'échappement, lors de la phase de pré- échappement, de pénétrer dans la voie d'alimentation de la réser- ve d'air par la même voie qui amène l'air au cylindre, comprimant ainsi l'air, occupant ladite voie, à l'intérieur de la réserve d'air dans l'attente de la phase de post-remplissage, ensuite à l'air provenant de la source de balayage du cylindre, lors de la phase de balayage, de balayer la dite voie d'alimentation puis le cylindre lui-même en refoulant les gaz d'échappement, et enfin à l'air précédemment accumulé sous pression dans la réserve d'air de restituer, lors de la phase de postremplissage, son énergie à l'air présent dans ladite voie d'alimentation, alors en communi- cation avec le cylindre. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que les fonctions respectivement de réserve d'air et de distribu- tion sont assurées exclusivement par la coopération du cylindre et du piston. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que la réserve d'air est délimitée par une capacité intérieure au piston. 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la voie d'alimentation de la réserve d'air est soumise à un refroidissement approprié. 26 1 3422 g 6. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la réserve d'air est soumise à un refroi- dissement approprié. 7. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par l'utilisation complémentaire d'un système de sur- alimentation externe. 8. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par l'utilisation complémentaire d'une turbine de puissance prélevant une fraction de la chute d'enthalpie des gaz d'échappement.