Brevet FR2644512A1 — publié le 19900921

Il est bien connu qu'un moteur à deux temps présente les avantages d'une structure simple, d'un coût de fabrication inférieur, de réparations aisées et d'une puissance de sortie régulière. Cependant, ses inconvénients sont une consommation de carburant plus élevée et une plus forte pollution provoquée par les gaz résiduels d'échappe- ment. Les inconvénients précités constituent des problèmes relativement graves sous la pression de la tendance aux économies d'énergie et à la protection de l'environnement. Les inconvénients précités de consommation de carburant et de pollution plus élevées sont dus principale- ment au fait qu'une partie du carburant et du gaz, prémélangés, s'échappe avec les gaz brûlés pendant la phase de balayage du moteur; le volume de carburant et de gaz prémélangés s'échappant atteint habituellement un ordre de % a 40 %. Classiquement, le procédé pour empêcher les gaz frais de s'échapper pendant le temps d'échappement consiste à calculer de façon appropriée la longueur du conduit d'échappement, la longueur du cône divergent et celle du cône convergent afin de laisser le cône divergent et le cône convergent amener les gaz perdus évacués à générer une pression négative et une pression positive, respectivement, pour le cylindre. Le procédé consistant à établir une adaptation entre les pressions positive et négative et les temps de balayage et d'échappement est appelé "réglage de l'échappement". La relation préférée entre les phases précitées est que, lorsque le piston est proche du point mort bas et pendant que les lumières de balayage sont ouvertes, la lumière d'échappement doit être sous une pression négative -; pendant la période allant de la fermeture des lumières de balayage jusqu'à l'instant de la fermeture de la lumière d'échappement, cette dernière est sous une pression positive. La vitesse de transmission (vitesse du son) de l'onde de pression est sans relation avec le régime du moteur; par conséquent, l'onde de pression des gaz d'échappement peut, après que la dimension du tuyau d'échappement a été établie, produire un effet de réglage uniquement dans une gamme de régime donnée du moteur. Lorsque le moteur tourne à d'autres vitesses, aucun réglage n'a lieu; par contre, un effet nuisible apparaît; par exemple, une onde de pression précoce peut faire obstacle à la pression négative et faire baisser le rapport d'échange du gaz. Une onde de pression tardive peut provoquer une fuite de l'air frais et réduire le rendement volumétrique du cylindre. Compte tenu du problème précité de la fuite d'air frais pendant la phase de balayage du moteur à deux temps, on a mis au point une soupape tournante destinée à tourner en synchronisme avec le vilebrequin (soit dans le même sens de rotation, soit dans le sens contraire). La soupape tournante présente une fente destinée à être alignée avec deux passages situés sur le siège à trou rond à un instant donné afin que l'air comprimé se trouvant dans la soupape tournante soit injecté dans la lumière d'échap- pement ou dans le carter afin de faire obstacle à une fuite de l'air frais vers l'extérieur et d'élever la pression de l'air frais dans le cylindre, c'est-à-dire d'élever la pression de l'air de balayage. L'efficacité de l'échappe- ment d'un moteur à deux temps peut être- augmentée -grâce à la structure de soupape précitée. L'objet principal de l'invention est de proposer une éjection d'un courant d'air pour empêcher l'air frais de fuir. Le temps d'éjection du courant d'air est en synchronisme avec la vitesse de rotation du moteur afin que l'on obtienne un réglage à une vitesse quelconque de rotation du moteur, sans être limité par l'onde de pression d'échappement. Un autre objet de l'invention est d'éjecter un courant d'air pour élever la pression de l'air d'admission du moteur, c'est-à-dire augmenter le volume d'air pour favoriser la combustion afin d'obtenir une plus grande puissance de sortie et d'abaisser la pollution provoquée par les gaz résiduels évacués. Un autre objet de l'invention est de proposer une soupape simple, qui peut tourner en synchronisme avec le moteur et qui peut effectuer la fonction de blocage d'air précitée et élever la pression du gaz d'admission. Pour réaliser les objets précités, une soupape tournante est montée sur le cylindre, à côté de la lumière d'échappement; la soupape comprend principalement un tube rond et un siège à trou rond; le tube rond présente une fente destinée a être alignée avec deux passages ménagés dans le siège à trou, respectivement, lors de la rotation du tube. Les deux passages sont en communication avec la lumière d'échappement et le carter, respectivement. L'air comprimé se trouvant dans le tube rond doit être injecté par l'intermédiaire des deux passages, respectivement dans la lumière d'échappement pour empêcher l'air frais de fuir vers l'extérieur, ou dans le carter pour élever la pression d'air dans le moteur. Etant donné que le tube rond et le vilebrequin sont accouplés mécaniquement entre eux pour tourner, l'éjection d'air s'adapte de façon synchrone à la rotation du moteur. Lorsque l'allumage a lieu dans le moteur à deux temps, le piston est entraîné vers le bas. Lorsque le piston se déplace vers une position telle que la lumière d'échappement est ouverte, le gaz résiduel se trouvant dans le cylindre est évacué automatiquement; puis les lumières de balayage sont ouvertes pour laisser l'air frais comprimé dans le carter entrer dans le cylindre pour balayer le gaz résiduel à basse pression et le faire sortir par la lumière d'échappement. Lorsque le piston passe par le point mort bas et s'élève jusqu'à presque fermer les lumières de balayage, la lumière d'échappement reste encore ouverte et la fente de la soupape tournante est en alignement avec un passage (le passage étant en communication avec la lumière d'échappement) pour éjecter un courant d'air à grande vitesse qui se forme en un écran d'air dans la lumière d'échappement afin d'empêcher l'air frais de fuir vers l'extérieur. Lorsque le piston pousse vers le haut en continu (la soupape tournante tournant en même temps), la lumière d'échappement est fermée et, simultanément, la soupape tournante cesse d'éjecter le courant d'air. Avant que le piston atteigne le point mort haut, la fente de la soupape tournante est en alignement avec un autre passage (c'est-à-dire le passage en com- munication avec le carter) et éjecte l'air comprimé dans le carter. Apres que le piston est passé par le point mort haut, le moteur en rotation cesse d'éjecter l'air com- primé; puis le piston descend pour comprimer davantage l'air comprimé dans le carter, ce qui a donc pour effet d'accroître l'efficacité-de l'admission et de l'échappement d'un moteur à deux temps. D'autres caractéristiques ressortiront des dessins annexés à titre d'exemple nullement limitatif et sur lesquels: la Figure 1 est une vue en coupe de la présente invention, montée sur un type de moteur à deux temps à prémélange; les Figures 2A à 2D illustrent en coupe analogue à celle de la Figure 1 quatre points de fonction- nement différents du moteur selon l'invention; ainsi, la Figure 2A illustre le piston au point mort bas; la Figure 2B illustre l'état de fonctionnement de la présente invention à l'orifice d'échappement après la position montrée sur la Figure 2A; la Figure 2C illustre le moteur selon l'invention continuant de tourner après la position montrée sur la Figure 2B; La Figure 2D illustre le piston au point mort haut et le moteur selon l'invention éjectant du gaz dans le carter; et la Figure 3 est une vue en coupe montrant l'invention montée sur un moteur à deux temps du type à injection de carburant. En référence à la Figure 1, il est représenté une vue en coupe illustrant la présente invention montée sur un moteur à deux temps de type général, comportant un carburateur. Le moteur 1 comprend une culasse 11, un bloc- cylindre 12, un carter 13, un piston 14, un bielle 15 et un vilebrequin 16, dans un état assemblé. Le carter 13 présente une lumière d'admission 17 fermée dans un sens par un clapet 171 a lame de ressort, et deux lumières 191 et 192 de balayage (comme montré sur la Figure 2A) dirigées vers le cylindre 18 et opposées symétriquement à une lumière 181 d'échappement, ainsi qu'une troisième lumière 193 de balayage opposée à la lumière d'échappement. Il est bien connu que le carburateur (non représenté) fournit un gaz mélangé destiné a entrer dans la lumière 17 d'admission par suite d'une différence de pression pendant la course de montee du piston 14, la soupape 171 à lame de ressort étant ouverte par le gaz d'admission; simultanément, le gaz se trouvant au-dessus du piston 14 à l'intérieur du cylindre 18 est comprimé et est allumé pour brûler lorsque le piston atteint son point mort haut afin de générer une force entraînant le piston 264451Z vers le bas. Simultanément, la soupape 171 & lame de ressort est dans un état fermé. Le gaz se trouvant dans le carter 13 est comprimé par le piston descendant 14. Le gaz résiduel présent dans le cylindre 18 est évacué par la lumière ouverte 181 d'échappement; puis les passages 191, 192 et 193 de balayage sont ouverts afin de laisser les gaz comprimés, se trouvant dans le carter 13, entrer dans le cylindre 18 et afin que les gaz résiduels s'échappent vers l'extérieur en passant par la lumière 181 d'échappement. Lorsque le piston 14 passe par le point mort bas et s'élève presqu'au point de fermer les passages 191, 192 et 193 de balayage, la lumière d'échappement 181 est encore ouverte. Du fait de l'inertie d'écoulement des gaz balayés et évacués et alors que le piston 14 s'élève, l'espace diminue de plus en plus dans le cylindre; le gaz frais peut s'écouler vers l'extérieur de la lumière 181 d'échappement avec le gaz résiduel; ceci provoque une plus grande consommation de carburant et une plus grande pollution par l'échappement. Compte tenu des inconvénients précités, la présente invention propose un dispositif d'éjection d'air comprimé. Durant la dernière période de la phase d'échappe- ment, un puissant jet d'air est projeté par ce dispositif vers la lumière 181 d'échappement afin de former un écran d'air empêchant les gaz frais de s'échapper. Simultanément, une quantité d'air supplémentaire peut également être insufflée dans le cylindre 18 et, après la phase d'admis- sion, insufflée dans le carter 13 pour conférer une pression supplémentaire au gaz d'admission. La meilleure forme de réalisation de ce dispositif d'éjection consiste à monter une soupape tournante 2 sur le bloc-cylindre 12 à proximité immédiate de la lumière 181 d'échappement. La soupape tournante comprend un tube rond 21 monté dans un siège 20 à trou rond sur le bloc-cylindre 12. La circon- férence du siège 20 à trou rond présente un premier passage 201 en communication avec la lumière 181 d'échappement et un second passage 202 en communication avec le carter 13. Le tube rond 21 est raccordé à une source d'air comprimé (non représentée) ; l'air comprimé ne peut être projeté ou éjecté vers l'extérieur que lorsque la fente 211 est alignée avec le premier passage 201 ou avec le second passage 202 afin que l'air soit éjecté dans la lumière 181 d'échappement ou dans le carter 13, respectivement; en d'autres termes, l'air comprimé est maintenu à l'intérieur du tube rond 21 durant tout le temps que la fente 211 n'est en alignement ni avec le premier passage ni avec le second passage. Le tube rond 21 et le vilebrequin 16 sont accouplés de façon à tourner en synchronisme au moyen d'une transmission classique telle que des engrenages,.des courroies et des chaînes. Les positions établies fixement entre la fente 211, le premier passage 201 et le second passage 202 sont conçues de manière que l'éjection d'air ait lieu au moment de ladernière période d'échappement du cylindre 18 et au moment o s'achève l'étape d'admission du carter 13. La rotation et l'opération d'injection syn- chrones précitées sont mieux illustrées sur les Figures 2A à 2D, respectivement. Les Figures précitées montrent le tube rond 21 et le vilebrequin 16 tournant en synchronisme, mais en sens opposés. Au moment de la rotation telle que montrée sur la Figure 2A, le piston 14 est au point mort bas; la lumière d'échappement 181 et les passages de balayage 191, 192 et 193 sont ouverts. Le gaz résiduel se trouvant dans le cylindre 18 est largement évacué en passant par la lumière 181 d'échappement. A ce moment, la fente 211 est sur le point de s'aligner avec le premier passage 201. Le piston 14 se déplace ensuite vers le haut comme montré sur la Figure 2B, et les passages de balayage 191, 192 et 193 ont été fermés, mais la lumière d'échappe- ment 181 reste ouverte; à ce moment, la fente 211 est alignée avec le premier passage 201 afin d'éjecter de l'air dans l'orifice dtéchappement 181, comme indiqué par la flèche b, et d'empêcher l'air frais de s'écouler vers l'extérieur de l'orifice d'échappement 181; par contre, l'air frais s'écoule vers l'intérieur du cylindre 18 pour élever la pression de gaz dans le cylindre afin de favoriser une combustion complète et ainsi augmenter la puissance de sortie et diminuer la pollution de l'air provoquée par les gaz d'échappement. Il est évident que la force de l'injection d'air dépend de la section de la fente 211 et de la pression de la source d'air comprimé; cependant, la force de l'éjection d'air doit être plus élevée que celle du gaz devant s'écouler du cylindre. La période d'éjection d'air doit être déterminée par le temps de passage de la fente 211 sur le premier passage 201 et cette période devrait correspondre à la période allant de la fin du balayage jusqu'au moment de la fermeture de la lumière 181 d'échap- pement. Les facteurs précités doivent être conçus de façon appropriée afin que l'on obtienne le meilleur résultat. En général, la source d'air comprimé peut être réglée à une pression constante ou peut être ajustée en fonction de la vitesse de rotation du moteur; par exemple, sa pression est élevée lorsque le moteur tourne à une vitesse plus élevée, ou bien est abaissée lorsque le moteur tourne à une vitesse plus basse. La source d'air comprimé peut être obtenue par un procédé classique et elle ne sera donc pas décrite en détail ici. Une partie du courant d'air éjecté vers la lumière 181 d'échappement reste en dehors de la lumière 181 après que cette dernière a été fermée. Cette partie de l'air d'éjection restante amène le gaz incomplètement brûlé, présent dans les gaz résiduels à haute température sortant de la lumière d'échappement, à s'oxyder pour former du bioxyde de carbone (C02) et de la vapeur d'eau 2644S12 durant lapériode initiale du temps suivant d'échappement; l'air restant précité est utile pour réduire la pollution provoquée par les gaz d'échappement. La Figure 2C illustre la soupape tournante 2 fermée après la fin de l'éjection d'air. Le piston 14 ferme la lumière 181 d'échappement et monte pour comprimer le gaz dans le cylindre 18; simultanément, la capacité volumétrique du carter 13 est augmentée et du gaz y entre par la lumière 17 d'admission. La Figure 2D illustre le piston 14 atteignant le point mort haut et le temps d'explosion a lieu dans le cylindre 18; simultanément, la capacité volumétrique du carter 13 a été augmentée au maximum et l'admission de gaz est aussitôt arrêtée; la fente 211 est alignée avec le second passage 202. L'air comprimé est éjecté dans le carter 13 comme indiqué par la flèche d afin d'élever la pression gazeuse dans le carter et d'augmenter ensuite le rendement d'admission (balayage) dans le cylindre 18. Il est évident que le volume d'air éjecté et le temps d'éjection peuvent être commandés en fonction de facteurs tels que la section de la fente 211, la différence de pression entre la source d'air comprimé et le carter et la durée pendant laquelle la fente 211 est alignée avec le second passage 202. Apres l'opération telle que montrée sur la Figure 2D, le piston 14 est poussé vers le bas par la puissance générée durant la phase d'explosion, et l'étape d'échappement a lieu jusqu'à la phase montrée sur la Figure 2A; puis les étapes se répètent. La description précitée de la présente invention est basée sur un moteur a deux temps alimenté en un prémélange de carburant et de gaz. En fait, la présente invention peut être utilisée dans tout type de moteur à deux temps, y compris un moteur comportant un injecteur de carburant à l'intérieur du cylindre et un carter pour recevoir et balayer de l'air pur. La présente invention peut être adaptée en particulier au moteur du type à injection de carburant du fait qu'elle permet un réglage aisé du rapport carburant/air du gaz. Grâce à l'effet d'élévation de pression de l'air d'admission conformément à l'invention, le rendement du moteur peut atteindre son maximum. La Figure 3 montre une vue en coupe illustrant la soupape tournante de la présente invention utilisée dans un moteur 5 à deux temps comportant un injecteur de carburant monté dans le cylindre. Le moteur 5 présente presque la même structure que celle montrée sur la Figure 1, c'est-à-dire que le moteur 5 comprend une culasse 51, un bloc-cylindre 52, un carter 53, un piston 54, une bielle 55, un vilebrequin 56, une lumière d'admission 57, une soupape à lame de ressort 571, un cylindre 58, une lumière d'échappement 581, des passages de balayage 591, 592 (non représentés) et 593. Le carburant de ce moteur 5 est fourni par un injecteur 6 dont la meilleure conception est celle qui est décrite dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique N' 4 708 100. Comme montré sur la Figure 3, le piston 54 possède une chambre 541 de gazéification qui est ouverte vers le troisième passage 593 de balayage et l'injecteur de carburant 6. Après que le carburant a été pulvérisé dans la chambre 541 de gazéification, il absorbe l'échauffement à haute température du piston pour se convertir en gaz restant temporairement dans le troisième passage 593 de balayage, puis le gaz passe par balayage dans le cylindre. Ce qui entre dans le carter 53 et qui est comprimé est de l'air pur. La conception précitée peut abaisser la température du piston et peut rendre possible d'élever le rendement de combustion du moteur. (Etant donné que la température du moteur augmente lorsque son rendement de combustion est élevé, en général, le piston classique possède une mauvaise efficacité de rayonnement de la chaleur; la température élevée peut provoquer sa fusion). Par conséquent, cette conception de la présente invention peut avoir une action réciproque. La soupape tournante 2 comprend un siège 20 à trou rond, un premier passage 201, un second passage 202, un tube rond 21 et une fente 211. La relation entre les opérations effectuées par la soupape tournante et le piston 54 est la même que celle décrite en regard des Figures 2A à 2D. Les Figures précitées illustrent un cylindre unique; cependant, la présente invention peut être utilisée sur un moteur à plusieurs cylindres; dans ce cas, le tube rond 21 doit être monté à travers un nombre donné de cylindres et muni de plusieurs fentes 211 destinées à s'adapter à chacun des premier et second passages 201 et 202 de chaque cylindre pendant le fonctionnement. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au dispositif décrit et représenté sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Dispositif d'éjection d'air à utiliser dans un moteur à deux temps afin de former un écran d'air pendant la dernière période de l'échappement pour empêcher le gaz frais de s'écouler de la lumière d'échappement, le moteur comportant un piston (14) pouvant exécuter un mouvement alternatif dans un cylindre (1) dont la paroi présente une lumière (181) d'échappement et plusieurs passages de balayage (191, 192, 193) en communication avec un carter (13) du moteur, et une soupape (171) située sur une lumière (17) d'admission de gaz vers l'intérieur du carter, le dispositif d'éjection d'air étant caractérisé en ce qu'il comprend un trou cylindrique (20) ménagé dans le bloc-cylindre (12) au voisinage de la lumière d'échap- pement et présentant un premier passage (201) en communica- tion avec la lumière d'échappement, un tube rond (21) monté de façon à tourner dans le trou cylindrique et dont la surface circonférentielle présente une fente (211) destinée à être alignée avec le premier passage sous l'effet d'une rotation jusqu'à une certaine position, le tube rond présentant une entrée et la partie restante de ce tube étant totalement fermée, une source d'air comprimé raccordée à l'entrée pour fournir de l'air comprimé à une pression convenable, et des moyens de transmission reliant le vilebrequin du moteur au tube rond pour qu'ils tournent en synchronisme afin de faire correspondre le moment o la fente est alignée avec le premier passage avec la période de temps allant de la fin de la phase de balayage jusqu'à la fermeture de la lumière d'échappement. 2. Dispositif d'injection d'air selon la revendication 1, caractérisé en ce que le trou cylindrique présente un second passage (202) en communication avec le carter et, lorsque le tube rond tourne vers une autre position, ladite fente et ledit second passage étant alignés entre eux et le temps dudit alignement correspon- dant au moment final d'admission d'air dans le carter par l'intermédiaire de l'orifice d'admission afin d'élever la pression du gaz introduit dans le carter.