Brevet FR2649157A1 — publié le 19910104

Z649157 L'invention concerne un moteur à deux temps à injection pneumatique de carburant et à restriction de débit dans au moins un conduit de transfert. Les moteurs à deux temps à un ou plusieurs cylindres comportent généralement, associé à chacun des cylindres, un carter appelé carter pompe communiquant avec l'une des extrémités du cylindre et assurant l'introduction de gaz frais dans le cylindre, par l'intermédiaire d'au moins un conduit et une ouverture de transfert. Le piston qui se déplace de manière alternative dans le cylindre assure également l'aspiration et la compression des gaz frais dans le carter pompe. Un clapet d'admission disposé sur le carter pompe permet l'introduction des gaz frais dans le carter, lorsque le piston se déplace dans le direction opposée au carter, ces gaz frais étant ensuite comprimés et assurant la fermeture du clapet, lorsque le piston se déplace en direction du carter. Lorsque les ouvertures correspondantes du cylindre sont dégagées par le piston, des gaz frais sont introduits dans le cylindre par les conduits et ouvertures de transfert et produisent un balayage de gaz frais destiné à remplacer les gaz brOlés qui sont évacués par des ouvertures d'échappemer.nt généralement disposées de façon légèrement décalée par rapport aux ouvertures de transfert. Le piston se déplace en s'éloignant du carter, de manière à comprimer les gaz contenus dans le cylindre. L'allumage et la combustion du mélange produisent alors le déplacement moteur du piston vers le carter. On a proposé, dans le brevet Français 2.496.757 de l'Institut Français du Pétrole, d'assurer une injection pneumatique de carburant dans le cylindre en utilisant la pression des gaz frais à l'intérieur du carter pompe. Pour cela, un moyen de dosage de carburant liquide est relié directement au conduit venant du carter pompe. L'air comprimé dans le carter pompe envoyé au doseur par l'intermédiaire du conduit assure la pulvérisation et l'injection du carburant à l'intérieur du cylindre. 26 4 9 157 -2- Certains perfectionnements ont été apportés à ce dispositif; on a proposé par exemple de placer une capacité sur le conduit reliant le carter pompe à l'injecteur et un clapet à l'extrémité du conduit relié au carter pompe. On constitue ainsi une réserve d'air comprimé à une pression proche de la pression maximale dans le carter pompe au cours du cycle, cette réserve d'air comprimé servant ensuite à pulvériser le carburant et à l'introduire dans le cylindre sous forme d'air carburé, lors du déclenchement de l'injecteur. Un des inccnvénients des moteurs deux temps est la perte de rendement due au fait que les gaz frais carburés ne sont pas suffisamment séparés des gaz brClés à l'intérieur du cylindre et sont en conseéuence responsables de la création de conditicns défavorables à l'initiation de la combustion. Pour remédier à cet inconvénient, on a proposé de placer un organe de restriction de débit sur les conduits de transfert du moteur, au voisinage du cylindre, pour ralentir la vidange des gaz brlés. On obtient ainsi une stratification des gaz frais et des gaz briOlés, les gaz frais étant repoussés dans la zone du cylindre ou ont lieu l'injection et l'allumage. On n'a cependant jamais utilisé une telle technique de restriction du débit d'air venant du carter, dans le cas d'un mcteur deux temps comportant un dispositif d'injection pneumatique utilisant l'air comprimé du carter pompe. D'autre part, dans le cas d'une injection pneumatique utilisant l'air comprimé du carter pompe, la différence de pression entre l'air servant à l'injection et les gaz remplissant le cylindre au moment de l'injection peut être généralement trop faible pour assurer une bonne pulvérisation du carburant et une très grande efficacité de l'injection. Ce défaut reste sensible dans le cas o l'on utilise une capacité reliée à l'injecteur et un conduit séparé par un clapet du carter pompe. En effet, la pression dans la capacité --3-- qui est au plus égale à la pression maximale dans le carter pompe est parfois insuffisamment supérieure à la pression dans le cylindre au moment de l'injection lorsque la pression cylindre subi un accroissement dO à des effets d'ondes dans le conduit d'échappement. Le but de l'invention est donc de proposer un moteur à deux temps comportant au moins un cylindre dans lequel se déplace un piston, un carter communiquant avec l'une des extrémités du cylindre et comportant un moyen d'admission d'air dans le carter, au moins un conduit d'admission d'air non carburé dans le cylindre joignant le carter à une ouverture de transfert du cylindre, un dispositif d'injection pneumatique de carburant dans le cylindre constitué par un injecteur pneumatique, un moyen d'alimentation et de dosage de cet injecteur pneumatique en carburant et un conduit d'alimentation de l'injecteur en air sous pression pour la pulvérisation du carburant, relié au carter par l'intermédiaire d'un clapet et constituant une capacité d'air sous pression reliée à l'injecteur pneumatique, ainsi qu'un conduit d'échappement située dans une position décalée suivant la direction de la course du piston par rapport à l'ouverture de transfert du cylindre, ce moteur à deux temps ayant un rendement accru et un fonctionnement amélioré, grâce à une pulvérisation et une injection améliorées du carburant dans le cylindre. Dans ce but, le moteur suivant l'invention comporte de plus, à l'intérieur du ou des conduits de transfert au voisinage du cylindre, un ou des organes de restriction du passage des gaz frais admis dans le cylindre commandé et réglé pour son ouverture et sa fermeture, en fonction d'au moins un paramètre de fonctionnement du moteur. Afin de bien faire comprendre l'invention, on va maintenant décrire, à titre d'exemple non limitatif, en se référant -4-. aux figures jointes en annexe, un moteur à deux temps à restriction de débit à l'échappement suivant l'invention et son mode de fonctionnement comparativement au mode de fonctionnement d'un moteur à deux temps suivant l'art antérieur. La figure 1 représente les diagrammmes de pression relevés pendant le fonctionnement d'un moteur à deux temps à injection pneumatique suivant l'art antérieur. La figure 2 représente les diagrammes de pression relevés pendant le fonctionnement correspondant d'un moteur à injection pneumatique et à restriction de débit admis par le ou les conduits de transfert. La figure 3 est une vue schématique en élévatior. et en coupe d'un mzoteur à deux temps suivant l'invention. Sur la figure 1 et sur la figure 2, cnr. a représenté les variations de la pression dans 'e cylindre (courbe Fl), dans la capacité du dispositif d'injection pneumatique (courbe P2) et dans le conduit de transfert (courbe F3), er. fonction de l'angle de rotation du vilebrequin, dans le cas d'un moteur selon l'art antérieur à injection pneumatique et dans le cas d'un moteur -suivant l'invention, respectivement. Sur la figure 3, on a représenté de manière schématique un moteur suivant l'invention à injection pneumatique et à restriction de débit dans le ou les conduits de transfert. Un moteur suivant l'art antérieur dont le diagramme de fonctionnement est représenté sur la figure 1 peut être décrit à partir des mêmes éléments, à l'exception de l'ensemble régulé de restriction de débit admis par les transferts. -5. Le moteur comporte un cylindre 1 fermé à sa partie supérieure par une culasse 2 et communiquant à sa partie inférieure avec un carter pompe 3, la chambre du cylindre 1 et la capacité intérieure du carter pompe 3 étant disposées de part et d'autre du piston 4 se déplaçant de manière alternative à l'intérieur du cylindre 1. Le piston 4 est relié par une bielle 5 au vilebrequin 6. La paroi du cylindre 1 est percée par des ouvertures ou lumières d'échappement 7 communiquant avec un conduit d'échappement 8. Des lumières ou ouvertures de transfert 9 placées dans une position légèrement décalée vers le bas par rapport aux lumières 7 communiquent avec un conduit de transfert 10 relié au volume intérieur du carter pompe 3. Le carter pompe 3 est percé d'un orifice 11 équipé d'un clapet lla et communiquant avec une conduite 12 d'admission d'air dans laquelle est placé un papillon 13 susceptible de fermer plus ou moins la section de passage du conduit 12. Un injecteur pneumatique 15 fixé sur la culasse 2 débouche dans la partie supérieure du cylindre 1. L'injecteur pneumatique 15 qui peut être du type décrit et représenté sur la figure 7 du brevet Français 2.496.757 est alimenté en carburant liquide par une conduite 16 et en air comprimé par un conduit 17 sur lequel est placé une capacité de stockage d'air comprimé 18. La capacité d'air comprimé 18 est elle-même reliée par un conduit 17' prolongeant le conduit 17 au carter pompe 3. L'orifice mettant en communication le carter 3 et le conduit 17' porte un clapet 20 qui est éloigné de son siège pour assurer la communication entre le carter 3 et le conduit 17', lorsque la pression est supérieure à une certaine limite dans le carter 3. Lorsque le clapet 20 se soulève de son siège, l'air comprimé du carter 3 peut remplir la capacité 18 dont il assure le rechargement. 264915? -6- L'injecteur pneumatique 15 peut comporter une tige commandée par une came assurant le début de l'injection à un moment déterminé du cycle de fonctionnement du moteur. L'air sous pression de la capacité 18 assure alors la pulvérisation du carburant amené à l'injecteur pneumatique par la conduite 16 qui peut comporter un moyen de dosage de carburant et l'introduction du carburant pulvérisé en suspension dans l'air sous pression, à l'intérieur du cylindre 1. Une bougie d'allumage 21 est fixée sur la culasse 2. Un organe de restrictior. de débit 22 constitué par exemple par ur. papillon est disposé à l'intérieur du conduit de transfert à proximité du cylindre 1. L'organe 22 peut être relié au papillon 13 de la conduite 12 d'admission d'air dans le carter pompe 3 par un ensemble de liaison et de commarnde articulé 24 assurant une ouverture et une fermeture de l'organe 22 dépendant de l'ouverture et de la fermeture du papillon 13. L'organe de restriction de débit 22 et ses moyens de liaison 24 au papillon 13 assurant une action proportionnelle à ces deux organes de restriction de débit constitue l'élément caractéristique esser.tiel du dispositif permettant d'améliorer sensiblement les performances de l'injection pneumatique, comme il sera expliqué plus loin en référence aux figures 1 et 2. Un moteur deux temps à injection pneumatique tel que représenté sur la figure 3 fonctionne de la manière qui sera expliquée ci-dessous. Si on suppose qu'à l'instant initial le piston 4 est à son point mort haut du mélange carburé étant comprimé dans la partie supérieure du cylindre 1, l'allumage de ce mélange par la bougie 21 produit une combustion qui repousse le piston 4 vers le bas. Au cours de son déplacement vers le bas, le cylindre 4 découvre les ouvertures -7- d'échappement 7, puis de manière légèrement différée dans le temps, les ouvertures de transfert 9. Les gaz d'échappement sont chassés dans les conduits 8 et l'air comprimé par le piston dans le carter pompe 3 est envoyé dans le cylindre par les conduits de transfert 10. La pression de l'air dans le carter pompe 3 augmente jusqu'au maximum, le clapet lla étant fermé. Quand la pression de l'air dans le carter pompe 3 dépasse celle de la capacité, le clapet s'ouvre et la capacité 18 est rechargée en air à une pression voisine de la pression maximale dans le carter pompe 3. Le clapet 20 se referme et le piston 4 parvient à son point mort bas puis commence à se déplacer à nouveau vers le haut. L'injection de carburant est effectuée dans le haut du cylindre par l'injecteur 15, sous l'effet de l'air comprimé de la chambre 18. Dans son mouvement vers le haut, le piston 4 masque les ouvertures 9 et 7 et assure la compression du mélange carburé. Le clapet lla s'ouvre et de l'air est admis dans le carter pompe 3. Sur les figures 1 et 2, on a représenté la variation des pressions dans le cylindre, dans la capacité du dispositif d'injection pneumatique et dans le conduit de transfert en fonction de l'angle du vilebrequin pour un cycle complet, dans le cas d'un moteur deux temps à injection pneumatique selon l'art antérieur et dans le cas d'un moteur deux temps selon l'invention, respectivement. Sur les figures 1 et 2, on a porté en abscisse la position du point mort bas et du point mort haut (PMB et PM respectivement). On a également indiqué les positions correspondantes à l'ouverture et à la fermeture des lumières de transfert 9 et les positions correspondantes à l'ouverture et à la fermeture des lumières d'échappement 7. Dans le cas d'un moteur selon l'art antérieur (figure 1), -8- la pression Pi dans le cylindre diminue rapidement lorsque le piston se déplace vers son point mort bas, ce déplacement s'accompagnant de l'ouverture de l'échappement (OE) et du transfert (OT). Il se produit simultanément une sortie des gaz d'échappement dans le conduit 8 et un balayage du cylindre par l'air comprimé dans le carter pompe 3. La pression P2 dans la capacité s'est établie au début du balayage à une valeur maximale correspondant sensiblement à la valeur maximale de la pression dans le carter pompe 3 qui correspond également au maximum de pression donnée par la courbe P3. L'injection (1) est déclenchée en fin de balayage, cette période étant favorable à cause de la pression relativement faible dans le cylindre et du plus faible risque d'entrainement du carburant par l'échappemer.t avec les gaz breiés. L'injection est assurée par l'air sous pression P2 remplissant la capacité 1E. La qualité de la pulvérisation du carburant et de l'injection, au moment de l'ouverture de la tige de l'injecteur 15 dépend de la différence de pression entre la capacité 18 et le cylindre. Sur le diagramme de la figure 1, cette différence de pression variable au cours de l'injection correspond à la distance verticale entre les courbes P2 et Pi. L'étendue de la zone hachurée comprise entre ces courbes pendant l'injection I donne une image de l'énergie utilisable pour l'injection. La différence de pression A P= P2 - Pl diminue pendant l'injection pour s'annuler au voisinage de la fermeture de l'échappement FE. En effet, la pression P1 augmente d'abord lentement puis rapidement en fin de balayage alors que la pression P2 diminue en cours d'injection, la capacité 18 se vidant d'une partie de son air comprimé. Sur la figure 2, on a représenté le diagramme de -9- fonctionnement d'un moteur deux temps suivant l'invention comportant un organe de restriction 22 dans les conduits de transfert. La pression P3 dans le conduit de transfert en amont de l'organe de restriction 22 subit une augmentation plus importante pendant la compression carter du fait de la difficulté qu'a le carter à se vider dans le cylindre. L'air contenu dans le carter qui subit une compression lors du mouvement descendant du piston 1 atteint donc une pression maximale, pendant la phase initiale du balayage, plus élevée que dans le cas o il n'existe pas de restriction de débit dans le conduit de transfert. La capacité 18 est chargée en air comprimé à une pression proche de la pression maximum de la courbe P2 Fig.2 et se trouve à un niveau plus élevé que dans le cas d'un moteur suivant l'art antérieur. Il en résulte que la différence de pression AP= F2 - P1 est plus grande pendant toute la phase d'injection I, dans le cas d'un moteur suivant l'invention (figure 2) que dans le cas d'un moteur suivant l'art antérieur (figure 1). Cet effet favorable est obtenu grâce à une pression P2 plus importante, au moins en début d'injection. Dans le cas du moteur suivant l'art antérieur sur le même point de fonctionnemnt, la pression dans le cylindre a une valeur minimale pendant l'injection de l'ordre de 1,05 bar. La pression de chargement P2 de la capacité en début d'injection, est de 1,18 bar dans le cas du moteur suivant l'art antérieur (figure 1) et de 1, 25 bar dans le cas du moteur suivant l'invention. Il en résulte que dans le cas du moteur suivant l'art antérieur A P= 1,18 - 1,05 = 0,13 bar et dans le cas d'un moteur -10-- suivant l'invention AP= 1,25 - 1,05 = 0,20 bar, en début d'injection. On obtient donc un gain tout à fait sensible sur la différence de pression, ce qui se traduit par une augmentation notable de la quantité d'air parvenant à l'injecteur et servant à pulvériser la carburant et de même, une augmentation sensible de la vitesse de cet air réalisant la pulvérisation et l'injection. Le carburant est donc pulvérisé plus finement et introduit dans de meilleurs conditions à l'intérieur du cylindre. Le réglage de la position d'ouverture ou de fermeture de l'organe de restriction 22 er. foncticn de la position correspondante du papillon d'admission 13 doit permettre d'obtenir une différence de pression P maximale pendant toute la phase d'injection, conduisant à une énergie d'injection représentée par la zone hâchurée sur la figure 2, la plus grande possible. Dans le mode de réalisation représenté sur la figure 3, la position du papillon 13 varie avec la charge du moteur si bien que l'ensemble de liaison 24 permet de régler la p6sition de l'organe de restriction 22 également en fonction de la charge du moteur. De manière générale, l'organe de restriction du débit transfert pourra être constitué par tout papillon, volet ou boisseau disposé à l'intérieur du conduit d'échappement ou du voisinage des lumières d'échappement traversant la paroi du cylindre. On pourra également utiliser un élément à lumières en rotation autour de l'axe du cylindre. Ces organes d'obturation pourront être reliés mécaniquement par tout moyen tel que des tiges articulées aux papillons ou boisseaux d'admission de l'air dans le carter, dont la position dépend de la charge du moteur. -- -11- Il est également possible d'utiliser des organes d'obturation motorisés dont la commande d'ouverture et de fermeture est assurée par des moyens électroniques prenant en compte comme données d'entrée des paramètres traduisant le régime et la charge du moteur. Ces paramètres peuvent être de nature diverses et les données correspondantes obtenues grâce à des capteurs peuvent être relatives par exemple au degré d'ouverture du papillon ou boisseau de la conduite d'admission ou encore à la valeur de la dépression à l'admission. D'autres paramètres du moteur traduisant son régime et sa charge peuvent également être pris en compte et parmi ceux--.ci la température de l'air à l'admission, la température de l'eau de refroidissement du moteur ou diverses pressions dans le mDteur dont la valeur sera comparée à la pression atmosphérique. I1 est bien évident que le moteur suivant l'invention pourra comporter tout type d'organe de restriction de débit transfert commandé à l'ouverture et à la fermeture par tout moyen de type mécanique, électronique ou autres. Enfin, le moteur suivant l'invention pourra comporter un nombre quelconque de cylindres placés suivant une disposition quelconque. L'injecteur pneumatique 15 pourra comporter une soupape commandée mécaniquement, éléctroniquement, éléctromécaniquement, une soupape automatique, un boisseau tournant ou tout autre moyen équivalent. 26 4 9 157 -12- REVENDICATIONS 1- Moteur à deux temps comportant au moins un cylindre (1) dans lequel se déplace un piston (4), un carter (3) communiquant avec l'une des extrémités du cylindre (1) et comportant un moyen d'admission d'air dans le carter (3), au moins un conduit d'admission d'air non carburé (10) dans le cylindre (1) joignant le carter (3) à une ouverture de transfert (9) du cylindre, un dispositif d'injection pneumatique de carburant dans le cylindre constitué par un injecteur pneumatique (15), un moyen d'alimentation et de dosage (16) de cet injecteur pneumatique en carburant et un conduit (17) d'alimentation de l'injecteur (15) en air sous pression pour la pulvérisation du carburant, relié au carter (3) par l'intermédiaire d'un clapet (20) et constituant une capacité (18) d'air sous pression reliée à l'injecteur pneumatique (15), ainsi qu'un conduit d'échappement (8) relié au cylindre (1), par une ouverture d'échappement située dans une position décalée suivant la direction de la course du piston (4) par rapport à l'ouverture de transfert (9) du cylindre (1), un organe (22) de restriction du passage du conduit de transfert (4) commandé et réglé pour son ouverture et sa fermeture, en fonction d'au moins un paramètre de fonctionnement du moteur. 2- Moteur à deux temps suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que l'organe de restriction (22) est un papillon disposé à l'intérieur du conduit de transfert (4), à proximité du cylindre (1). 3- Moteur à deux temps suivant l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que l'organe de restriction (22) est relié par un ensemble mécanique articulé (24) à un élément (13) de restriction de débit disposé dans un conduit (12) d'admission d'air dans le carter (3). -13- 4- Moteur à deux temps suivant l'une quelconque des revendications 1 à 2, caractérisé par le fait que l'organe de restriction (22) est motorisé et commandé pour son ouverture ou sa fermeture par un dispositif électronique prenant en compte au moins un paramètre traduisant le régime ou la charge du moteur.