Brevet FR2658240A1 — publié le 19910816

Perfectionnements aux moteurs à combustion interne à deux temps, à allumage par compression de type Diesel. L'invention concerne un moteur à combustion interne du type à deux temps, à allumage par compression de type Diesel, qui comprend au moins un cylindre dépourvu de lumières latérales et au moins un piston animé d'un mouvement alternatif dans ce cylindre et délimitant avec ce dernier et avec une culasse une chambre de combustion de volume variable, ladite culasse portant au moins une soupape d'admission et au moins une soupape d'échappement adaptées respectivement à une tubulure d'admission d'air et à une tubulure d'échappement de gaz d'échappement, l'axe de la ou chaque soupape d'admission formant avec l'axe du cylindre un angle compris approximativement entre 30 et 60 de façon telle que la queue de cette soupape soit plus éloignée de l'axe du cylindre que la tête de celle-ci et cette tête étant placée au fond d'un évidement au moins partiellement cylindrique de la culasse dans lequel débite un injecteur de combustible et dont la profondeur augmente régulièrement de la périphérie vers le centre de la chambre de combustion sans constituer d'étranglement vers celle-ci de telle sorte que, lorsque cette soupape est ouverte, elle ne débite que sur la moitié environ de sa périphérie en dirigeant l'air vers le piston, pendant le balayage, le long et au voisinage de la génératrice du cylindre la plus éloignée de la ou des soupapes d'échappement, le moteur étant équipé de moyens permettant son démarrage et sa marche à faible puissance. L'invention exclut donc les moteurs à allumage commandé car leurs chambres de combustion sont alimentées par un mélange homogène d'air et de combustible pré-formé dans un carburateur ou par injection dans la tubulure d'admission pendant la phase de remplissage du moteur, ce qui fait que le problème de l'homogénéisation du mélange dans les chambres de combustion ne s'y pose pas. Un moteur du type défini en préambule est décrit dans le FR-A-2 338 385 et les moyens permettant son démarrage et sa marche à faible puissance sont décrits notamment dans le FR-A-2 589 518. L'invention a pour but d'assurer un compromis satisfaisant entre les deux exigences suivantes qui seront étudiées successivement ci-après: al assurer un bon balayage, lorsque le piston est au voisinage du point mort bas (PMB) et que les soupapes d'admission et d'échappement sont ouvertes simultanément; b) permettre, en perfectionnant à cet égard le moteur décrit dans le susdit FR-A-2 338 385, une combustion rapide et à rendement élevé, lorsque le piston est au voisinage du point mort haut (PMH) et que les soupapes d'admission et d'échappement sont fermées simultanément. En ce qui concerne tout d'abord le balayage, la culasse doit être aussi perméable que possible, c'est-à-dire qu'elle doit laisser passer le maximum d'air frais pour une différence de pression donnée entre l'admission et l'échappement, et le rendement d'utilisation de l'air (désigné en anglais par "trapping efficiency", c'est-à-dire le rapport entre la masse d'air frais gardée par la chambre de travail et la masse d'air frais traversant la soupape d'admission) doit être aussi élevé que possible Lorsque le moteur à deux temps est suralimenté par un groupe turbo-compresseur dont la turbine est mue par les gaz d'échappement, le respect des deux critères définis ci-dessus est plus particulièrement avantageux En effet, le bilan énergétique de la turbine de suralimentation est alors amélioré, ce qui permet de réduire la différence de pression entre l'admission et l'échappement du moteur et par conséquent d'améliorer le rapport air/combustible en permettant une meilleure combustion En effet, en diminuant la susdite différence de pression, 1 on diminue la dilution des gaz d'échappement alimentant la turbine, ce qui permet d'augmenter la pression de l'air de suralimentation (énergie plus grande en amont de la turbine); 2 on augmente le taux de détente de la turbine, ce qui augmente la pression de suralimentation et donc la pression de l'air dans le cylindre; 3 on augmente la pression dans le cylindre (qui est plus proche de la pression de suralimentation puisque la différence de pression admission-cylindre- échappement est diminuée). En ce qui concerne maintenant la combustion, la forme de la chambre de combustion doit être simple de façon non seulement que la fabrication de cette chambre se fasse aux moindres coûts, mais encore que le combustible pulvérisé par l'injecteur puisse atteindre toute la chambre (en évitant les zones d'ombre et les poches difficilement irrigables) et il peut être souhaitable de faciliter la mise en mouvement de l'air par le déplacement du piston coopérant avec le ciel de la culasse Le "pincement" (désigné par 'squish" en anglais) ou chasse transversale de la charge d'air, lorsque le piston arrive au voisinage du PMH, créera d'intenses mouvements d'air dont le sens s'inverse à la descente du piston, ces mouvements d'air favorisant la mise en mélange homogène de celui-ci avec le combustible. On sait que les moteurs à deux temps sont en général plus chargés thermiquement que les moteurs à quatre temps car il s'y produit un cycle moteur par tour la proportion des gaz d'échappement remis en circulation est importante, ce qui augmente la température des gaz emprisonnés dans la chambre de combustion, à la fermeture simultanée des soupapes d'admission et d'échappement. L'échange thermique entre les gaz et la paroi de la chambre de combustion est donc plus élevé sur un moteur à deux temps que sur un moteur à quatre temps La pièce du moteur la plus difficile à refroidir étant le piston, on recherche donc des structures à piston aussi plat que possible qui minimisent la surface de passage de la chaleur vers le piston. En conclusion, afin d'assurer le compromis défini ci-dessus, on recherche des formes de chambres de combustion qui permettent, de façon simple, d'obtenir une haute perméabilité; un minimum de court-circuit (ou passage direct de l'air frais, de l'admission à l'échappement); une irrigabilité aisée par le combustible pulvérisé une surface d'échange thermique vers le piston minimale; et accessoirement, une possibilité de réaliser des rapports volumétriques élevés. A cet effet, le moteur conforme à l'invention est essentiellement caractérisé en ce que: la ou les soupapes d'échappement sont agencées de façon à débiter sur au moins la majeure partie de leur périphérie; le piston coopère avec le ciel de culasse de façon à ne laisser, au voisinage du point mort haut, que le jeu de fonctionnement nécessaire entre le piston et la partie du ciel de culasse dans laquelle est ou sont placées la ou les soupapes d'échappement; et le susdit évidement est agencé pour constituer pratiquement à lui seul la chambre de combustion lorsque le piston est au voisinage du point mort haut. On obtient ainsi un moteur à combustion interne qui atteint bien le but assigné à l'invention. De préférence, le moteur est suralimenté par un groupe turbo-compresseur dont la turbine est mue par les gaz d'échappement. Selon une construction judicieuse, la surface pincée entre le piston et la partie du ciel de culasse extérieure à l'évidement représente entre environ la moitié et les 3/4 de la surface transversale du piston, ce qui contribue à augmenter la chasse d'air au PMH. Le susdit angle formé entre l'axe de la ou chaque soupape d'admission et l'axe du cylindre est de préférence égal à 40 environ de façon à dégager au mieux la section de passage dirigée vers la susdite génératrice. En outre, la levée relative (c'est-à-dire rapportée au diamètre de la tête de soupape) de la ou chaque soupape d'admission est de préférence approximativement double de celle de la ou chaque soupape d'échappement, ce qui permet de compenser le fait que la ou chaque soupape d'admission ne débite que sur la moitié environ de sa périphérie. Selon une construction avantageuse, le moteur comprend une seule soupape d'échappement, dont l'axe est de préférence parallèle à l'axe du cylindre ou légèrement incliné par rapport à ce dernier axe, et deux soupapes d'admission placées au fond du même évidement partiellement cylindrique. L'invention va être maintenant exposée plus en détail à l'aide des modes de réalisation représentés aux dessins annexés. La figure 1 est un schéma de principe montrant les organes principaux du moteur. Les figures 2 et 3 de ces dessins montrent, en coupe axiale, les éléments essentiels d'un moteur établi selon un premier mode de réalisation, dont le piston est respectivement à son point mort bas et à son point mort haut. La figure 4 représente la culasse de la figure 3, vue par le bas. La figure 5 montre, en coupe selon la ligne V-V de la figure 6, les éléments essentiels d'un moteur établi selon un deuxième mode de réalisation, représentés en trait plein et en trait interrompu dans les positions qu'ils occupent respectivement lorsque le piston est à son point mort bas et à son point mort haut. La figure 6 représente la culasse de la figure 5, vue par le bas. Les figures 7 et 8 montrent, par des vues analogues respectivement à celles des figures 5 et 6, les éléments essentiels d'un moteur établi selon un troisième mode de réalisation. La figure 9 enfin, montre une variante des figures 2 et 3. Comme le montre la figure 1 qui représente un moteur connu (FR-A-2 338 385), I'invention concerne un moteur à combustion interne à deux temps 1, à allumage par -5 compression de type Diesel, qui comprend au moins un cylindre 2 dépourvu de lumières latérales et au moins un piston 3 animé d'un mouvement alternatif dans ce cylindre 2 et attelé par une bielle 4 à un vilebrequin 5 Avec le cylindre 2 et avec une culasse 6, le piston 3 délimite une chambre de combustion 7 de volume variable La culasse 6 porte au moins une soupape d'admission 8 adaptée à une tubulure d'admission d'air 9 et au moins une soupape d'échappement 10 adaptée à une tubulure d'échappement 11. Il est à noter que la soupape d'échappement 10 est représentée à la figure 1 selon une disposition connue et non pas selon l'invention De façon connue, les mouvements alternatifs des soupapes d'admission 8 et d'échappement 10 sont synchronisés avec les mouvements de rotation du vilebrequin 5. L'axe de la ou chaque soupape d'admission 8 forme, avec l'axe X-X du cylindre 2, un angle A compris approximativement entre 30 et 600 de façon telle que la queue 12 de cette soupape 8 soit plus éloignée de l'axe X-X du cylindre 2 que la tête 13 de ladite soupape 8 Cette tête 13 est placée au fond d'un évidement 14 au moins partiellement cylindrique de la culasse 6 dans lequel débite un injecteur de combustible, non représenté sur la figure 1 mais désigné par 15 en regard de certaines des figures suivantes La profondeur de l'évidement 14 augmente régulièrement de la périphérie vers le centre de la chambre de combustion 7 sans constituer d'étranglement vers cette chambre 7 de telle sorte que, lorsque la soupape 8 est ouverte, elle ne débite que sur la moitié environ de sa périphérie, c'est-à-dire sur la moitié de gauche de la figure 1, en dirigeant l'air vers le piston 3, le long et au voisinage de la génératrice G du cylindre 2 la plus éloignée de la ou des soupapes d'échappement 10 En d'autres termes, en raison de l'inclinaison de la soupape 8 et de la forme et de l'agencement de l'évidement 14, la moitié environ de la tête 13 de la soupape 8 (moitié de gauche à la figure 2) est entourée avec un faible jeu par la surface de l'évidement 14, ce qui empêche l'air de passer autour de cette moitié, tandis que l'autre moitié (moitié de droite sur la figure 2) de la tête 13 émerge de l'évidement 14 en pénétrant dans la chambre de combustion 7 lorsque le piston 3 est éloigné de son PMH et que la soupape 8 est ouverte, ce qui permet à l'air de passer autour de cette dernière moitié, ainsi qu'il est schématisé par des flèches à la figure 2. Le moteur est équipé de moyens permettant son démarrage et sa marche à faible puissance Comme rappelé au début, de tels moyens sont connus et n'ont pas besoin d'être décrits ici. De préférence mais non obligatoirement, le moteur 1 est suralimenté par un groupe turbo-compresseur 16 constitué d'une turbine 17, mue par les gaz d'échappement qu'elle reçoit de la tubulure 11, et d'un compresseur 18 entraîné mécaniquement par la turbine 17 et refoulant de l'air dans la tubulure 9. Conformément à l'invention et selon le mode de réalisation qui est représenté à titre d'exemple aux figures 2 à 4 et qui possède deux soupapes d'admission 8 et deux soupapes d'échappement 10, les soupapes d'échappement sont agencées de façon à débiter (c'est-à-dire à laisser passer les gaz d'échappement de la chambre de combustion 7 à la tubulure d'échappement 11) sur au moins la majeure partie de leur périphérie, comme schématisé par des flèches à la figure 2. En d'autres termes et contrairement à ce qui est représenté à la figure 1, chaque soupape d'échappement 10 ne coopère pas avec un évidement analogue à l'évidement 14 mais avec un siège 19 qui affleure le ciel de la culasse 6 sur sa périphérie Par ciel de culasse, on entend la surface de la culasse 6 qui contribue à délimiter la chambre de combustion 7. De plus, le piston 3 coopère avec le ciel de la culasse 6 de façon à ne laisser, au voisinage du PMH et comme représenté à la figure 3, que le jeu de fonctionnement nécessaire entre le piston 3 et la partie du ciel de culasse dans laquelle sont placées les soupapes d'échappement 10. Enfin, l'évidement 14 est agencé pour constituer pratiquement à lui seul la chambre de combustion 7 lorsque le piston 5 est au voisinage du PMH, comme le montre la figure 3. En général, le haut du piston 5 est plat, comme le montre la figure 2, et la partie du ciel de culasse dans laquelle sont placées les soupapes d'échappement 10 est plate elle aussi et placée dans un plan P perpendiculaire à l'axe X-X du cylindre 2 Néanmoins, et comme le montre la figure 9, le haut du piston 5 pourrait avoir une forme en toit, c'està-dire se terminer par deux surfaces planes 20 et 21, formant entre elles un angle obtus et situées respectivement en face de la ou des soupapes d'admission 8 et de la ou des soupapes d'échappement 10, le ou les sièges 19 de ces dernières étant disposés parallèlement à la surface 21 en regard De toute façon, il faut éviter de prévoir dans le ciel de culasse et dans le haut du piston des cavités ouvertes vers la chambre de combustion 7, à l'exception de l'évidement 14, ce qui permet à celui-ci de constituer pratiquement à lui seul la chambre de combustion 7 (comme indiqué à la fin du paragraphe précédent). De préférence, la surface pincée entre le piston 3 et la partie du ciel de culasse extérieure à lévidement 14 représente entre environ la moitié et les trois quarts de la surface transversale du piston 3 Cette surface pincée a été indiquée par des hachures à la figure 4 ainsi qu'aux figures 6 et 8 Pour ne pas surcharger ces figures, les hachures qui devraient recouvrir les têtes des soupapes d'échappement 10 ont été omises. Bien que le mode de réalisation des figures 2 à 4 comporte deux soupapes d'admission 8 et deux soupapes d'échappement 10, il est préférable, comme dans le mode de réalisation des figures 5 et 6 et dans celui des figures 7 et 8, de prévoir deux soupapes d'admission 8 et une seule soupape d'échappement 10 dont l'axe est de préférence parallèle à l'axe X-X du cylindre 2. L'injecteur 15 est agencé de façon à pulvériser le combustible dans l'évidement 14 en jet ou nappe continus ou discontinus, soit vers l'extérieur (figure 4), soit vers l'intérieur (figures 6 et 8) en direction approximativement radiale. Quant à l'angle (désigné par A aux figures 1 et 5) entre l'axe de la ou chaque soupape d'admission 8 et l'axe X-X du cylindre 2, on le choisit de préférence égal à environ 40 Le choix de cet angle est dû à un compromis entre diverses exigences contradictoires, dont celle de pouvoir usiner l'évidement 14 et de monter la ou les soupapes d'admission 8 dans la culasse 6 par le ciel de celle-ci Selon les modes de réalisation des figures 2 à 6, on voit que la tête 13 de chaque soupape d'admission 8 ne rencontre aucun obstacle à un déplacement de haut en bas (si l'on suppose bien entendu que la tige 12 de cette soupape 8 a été libérée de sa liaison avec le culbuteur ou autre commande usuelle de son mouvement), ce qui permet d'apprécier que l'exigence définie ci-dessus est respectée. Comme montré à la figure 7, on peut néanmoins choisir un angle A plus grand, mais il faut alors associer aux soupapes d'admission 8 un système de chapelle 22 permettant de monter et démonter ces soupapes 8 par le côté de la culasse 6 éloigné de la chambre de combustion 7, car la paroi de l'évidement 14 forme alors un obstacle infranchissable. Comme montré à la figure 8, il est avantageux de ménager, dans la partie du ciel de la culasse 6 qui est extérieure à l'évidement 14, au moins une rainure 23 dont la section transversale et/ou la profondeur diminuent à mesure que l'on s'éloigne de l'évidement 14 Cette rainure 23 aura avantageusement la forme d'un demi-croissant. Enfin, pour tenir compte du fait que la ou les soupapes d'admission 10 ne débitent que sur une fraction de leur périmètre alors que la ou les soupapes d'admission 8 débitent sur la majeure partie au moins de leur périmètre, il est avantageux que la levée relative de la ou chaque soupape d'admission 8 soit approximativement double de la levée relative de la ou chaque soupape d'échappement 10. On obtient ainsi un moteur dont le fonctionnement est le suivant. Lors du balayage (voir la figure 2), l'air débité par la ou les soupapes d'admission 8 est dirigé le long de la génératrice G définie ci-dessus ou près de et parallèlement à cette génératrice, ce qui minimise les risques de court-circuit avec la ou les soupapes d'échappement. Lors de la combustion (lorsque le piston 3 se rapproche du PMH comme montré à la figure 3), l'espace compris entre le piston 3 et la partie "pincée" du ciel de culasse (partie recouverte de hachures à la figure 4) diminue de volume jusqu'à une valeur quasi nulle et l'air enfermé dans cet espace est chassé violemment vers l'évidement 14 en y créant des mouvements tourbillonnaires qui homogénéisent le mélange de cet air et du combustible préalablement pulvérisé par l'injecteur 15, ce qui assure une combustion optimale. La ou les rainures 23 de la figure 8, qui peuvent d'ailleurs être utilisées dans les autres modes de réalisation, intensifient les susdits mouvements tourbillonnaires. REVENDICATIONS 1 Moteur à combustion interne à deux temps, à allumage par compression de type Diesel, qui comprend au moins un cylindre ( 2) dépourvu de lumières latérales et au moins un piston ( 3) animé d'un mouvement alternatif dans ce cylindre ( 2) et délimitant avec ce dernier ( 2) et avec une culasse ( 6) une chambre de combustion ( 7) de volume variable, ladite culasse ( 6) portant au moins une soupape d'admission ( 8) et au moins une soupape d'échappement ( 10) adaptées respectivement à une tubulure d'admission d'air ( 9) et à une tubulure d'échappement ( 11) de gaz d'échappement, l'axe de la ou chaque soupape d'admission ( 8) formant avec l'axe (X-X) du cylindre ( 2) un angle (A) compris approximativement entre 30 et 600 de façon telle que la queue ( 12) de cette soupape ( 8) soit plus éloignée de l'axe (X-X) du cylindre ( 2) que la tête ( 13) de celle-ci ( 8) et cette tête ( 13) étant placée au fond d'un évidement au moins partiellement cylindrique ( 14) de la culasse ( 6) dans lequel débite un injecteur de combustible ( 15) et dont la profondeur augmente régulièrement de la périphérie vers le centre de la chambre de combustion ( 7) sans constituer d'étranglement vers celle-ci de telle sorte que, lorsque cette soupape ( 8) est ouverte, elle ne débite que sur la moitié environ de sa périphérie en dirigeant l'air vers le piston ( 3), pendant le balayage, le long et au voisinage de la génératrice (G) du cylindre ( 2) la plus éloignée de la ou des soupapes d'échappement ( 10), le moteur ( 1) étant équipé de moyens permettant son démarrage et sa marche à faible puissance, caractérisé en ce que la ou les soupapes d'échappement ( 10) sont agencées de façon à débiter sur au moins la majeure partie de leur périphérie; le piston ( 3) coopère avec le ciel de culasse de façon à ne laisser, au voisinage du point mort haut, que le jeu de fonctionnement nécessaire entre le piston ( 3) et la partie du ciel de culasse dans laquelle est ou sont placées la ou les soupapes d'échappement ( 10); et le susdit évidement ( 14) est agencé pour constituer pratiquement à lui seul la chambre de combustion ( 7) lorsque le piston ( 3) est au voisinage du point mort haut. 2 Moteur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est suralimenté par un groupe turbo-compresseur ( 16) dont la turbine ( 17) est mue par les gaz d'échappement. 3 Moteur selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la surface pincée entre le piston ( 3) et la partie du ciel de culasse extérieure à l'évidement ( 18) représente entre environ la moitié et les 3/4 de la surface transversale du piston ( 3). 4 Moteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le susdit angle (A) formé entre l'axe de la ou chaque soupape d'admission ( 8) et l'axe (X-X) du cylindre ( 2) est égal à 40 environ. Moteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la levée relative de la ou chaque soupape d'admission ( 8) est approximativement double de celle de la ou chaque soupape d'échappement ( 10). 6 Moteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comprend une seule soupape d'échappement ( 10), dont l'axe est de préférence parallèle à l'axe (X-X) du cylindre ( 2) ou légèrement incliné par rapport à ce dernier axe, et deux soupapes d'admission ( 8) placées au fond du même évidement partiellement cylindrique ( 14). 7 Moteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6-, caractérisé en ce qu'il est ménagé, dans la partie du ciel de la culasse ( 6) qui est extérieure à l'évidement ( 14), au moins une rainure ( 23) dont la section transversale et/ou la profondeur diminuent à mesure que l'on s'éloigne de l'évidement ( 14).