Brevet FR2670827A1 — publié le 19920626

MOTEUR A VAPEUR A DEUX TEMPS RESULTANT DE LA TRANSFORMATION D'UN MOTEUR A COMBUSTION INTERNE L'invention concerne un moteur à vapeur à deux temps résultant de la transformation d'un moteur à combustion interne; elle concerne plus particulièrement une modification des moyens d'admission du moteur, ainsi qu'une modification des cames de l'arbre à cames. Une tentative pour transformer un moteur à combustion interne en moteur à vapeur est décrite dans un brevet américain nO 4.102.130 au nom de STRICKLIN. Cependant, l'enseignement de ce document antérieur ne peut donner lieu à une réalisation satisfaisante, parce qu'il conserve les soupapes d'admission et d'échappement d'origine. Par conséquent, la vapeur sous pression qui est appliquée en permanence dans le collecteur d'admission tend à maintenir les soupapes d'admission ouvertes en comprimant leurs ressorts de rappel respectifs. La force développée par la vapeur est telle que les ressorts sont incapables de s'y opposer.Plus récemment, la demande de brevet européen nO 80 401306 et la demande de brevet français n" 2.547.624 ont proposé des modifications concernant les systèmes d'admission, susceptibles de résoudre cet inconvénient. L'invention propose entre autres une nouvelle structure de système d'admission, permettant d'éviter le laminage de la vapeur, tout en améliorant le rendement du moteur. Grâce au perfectionnement de l'invention, l'usinage des pièces modifiées est également facilité. Plus précisément, l'invention concerne donc principalement un moteur à vapeur à deux temps réalisé par transformation d'un moteur à combustion interne à quatre temps et comprenant un bati d'un tel moteur à combustion interne, muni de ses pistons mobiles à l'intérieur de cylindres respectifs, de systèmes d'admission et de systèmes d'échappement, caractérisé en ce que chaque système d'admission comporte un élément externe fixe en forme de cloche, à la partie supérieure duquel coulisse un élément interne en forme de soupape et un tube d'admission de pression, relié à une source de vapeur, dont une portion fermée à son extrémité pénètre latéralement dans ledit élément externe fixe, en ce que cette portion comporte un siège défini dans sa paroi latérale et en ce que la tête dudit élément interne en forme de soupape est engagée à l'intérieur de ladite portion de tube pour coopérer avec ledit siège, ledit élément interne étant sollicité en direction dudit siège par un ressort de rappel surmontant ledit élément externe fixe. Le moteur à vapeur à deux temps résulte de la transformation d'un moteur à combustion interne à quatre temps. I1 comprend le bloc dudit moteur à combustion interne démuni de tous les organes servant à la combustion interne. I1 est muni d'un organe de réglage de débit de vapeur constituant l'accélérateur. Cet organe de réglage de débit peut entre, par exemple, celui qui est décrit dans la demande de brevet français mentionnée ci-dessus. Le capot des culbuteurs est avantageusement muni d'un aspirateur de vapeur pour rejeter vers l'extérieur les fuites de vapeur internes. Le moteur est également équipé de systèmes d'admission selon l'invention et d'un collecteur d'admission modifié.Ainsi, le siège de la tête de soupape est défini au voisinage de l'extrémité fermée du tube d'admission et dans la paroi cylindrique de ce dernier. Ledit tube d'admission de pression est fixé hermétiquement dans la culasse et dans la paroi de l'élément fixe en forme de cloche. Ainsi, la vapeur provenant de l'accélérateur s'exerce sur la soupape dans un sens tendant à confirmer sa fermeture et la vapeur ne peut pénétrer dans le cylindre que lorsque la soupape est écartée de son siège par sa came correspondante. Ce nouveau système d'admission ne comporte plus de passage relativement étroit et annulaire, comme celui qui est par exemple représenté dans le document FR-2.547.624 mentionné ci-dessus.La vapeur provenant de la chaudière en passant par le régulateur de débit entre directement dans le cylindre moteur lorsque ledit élément interne en forme de soupape est actionné par l'arbre à came. La pression de la vapeur vagit pas contre le ressort de rappel de cette soupape mais, au contraire, confirme sa fermeture. La vapeur pénètre dans le cylindre à travers un large orifice qui est celui qui était pratiqué sous la soupape d'admission du moteur original. Cette soupape étant supprimée dans le moteur modifié, la vapeur pénètre directement dans le cylindre pour exercer son action sur le piston. Le laminage de la vapeur est ainsi beaucoup plus faible que précédemment. Le moteur à quatre temps est transformé en moteur à deux temps en doublant les cames de l'arbre à cames. Selon un autre aspect de l'invention, les cames sont modifiées pour améliorer le rendement du moteur et réduire l'usure et le bruit. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages de celle-ci apparaîtront mieux à la lumière de la description qui va suivre d'un mode de réalisation d'un moteur à vapeur conforme à son principe, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en référence aux dessins annexés, dans lesquels - la figure 1 est une vue en coupe partielle du moteur à combustion interne transformé, illustrant plus particulièrement l'un des systèmes d'admission; - la figure 2 est une vue de détail d'un support du tube d'admission de pression fixé à l'extrémité la plus large de l'élément externe fixe en forme de cloche; - la figure 3 illustre la configuration de l'arbre à cames d'origine; - la figure 4 illustre la première étape de la modification des cames;; - la figure 5 illustre la configuration de l'arbre à cames d'origine à titre de comparaison pour montrer l'avantage de la nouvelle modification des cames; - la figure 6 montre le soulèvement des soupapes de l'arbre à cames, avec les cames à 900, en comparaison de leur position dans l'arbre à cames d'origine; et - la figure 7 illustre la modification d'une came à son stade final. Le moteur transformé représenté à la figure 1 peut être réalisé à partir de n'importe quel moteur diesel ou à essence, à quatre temps. Du moteur d'origine, on conserve le bâti, la culasse, le vilebrequin, les bielles, les culbuteurs et leurs couvercles, les poussoirs, la pompe à huile de lubrification, le filtre à huile de lubrification avec son système de refroidissement, les engrenages de distribution et le carter. On utilise le bloc 14 du moteur à combustion interne en liaison avec une chaudière et un condenseur (non représentés) de la façon décrite dans la demande de brevet européen mentionnée ci-dessus. Le vilebrequin et les bielles sont conservés tels quels. La culasse est équipée d'un nouveau collecteur d'admission, ainsi que d'un organe de réglage de débit de la vapeur, formant accélérateur. Ces deux organes ne sont pas représentés; ils peuvent être conformes à la description qui en est donnée dans la demande de brevet français nO 2.547.624. Les soupapes d'admission sont remplacées par des systèmes d'admission conforme au perfectionnement de l'invention, qui seront décrits plus loin. La vapeur, dont le débit est réglé par l'accélérateur, entre dans le collecteur d'admission qui la répartit auxdits dispositifs d'admission. Ceux-ci, commandés par l'arbre à cames, distribue la vapeur aux cylindres. Chaque came de l'arbre à cames a été doté d'une protubérance supplémentaire, comme on le verra en détail plus loin, pour permettre à tous les pistons du moteur de faire un cycle complet à chaque tour du vilebrequin. On transforme ainsi le moteur à quatre temps en moteur à deux temps. De cette façon, le moteur selon l'invention peut avoir une puissance double, toutes choses égales par ailleurs, c'est-à-dire si on donne à la vapeur qui l'alimente la même pression que la pression moyenne donnée par l'explosion. Nous savons que dans beaucoup de moteurs, la vitesse du piston est inferieure à la vitesse de la vapeur. Par conséquent il ne peut se produire de dépression dans les cylindres de tels moteurs. De plus, contrairement au moteur à explosion, l'effort maximum sur le piston coïncide avec le point de la course où le vilebrequin est dans la meilleure position pour développer un couple maximum. En se référant plus particulièrement à la figure 1, on distingue un cylindre 12 du moteur, à l'intérieur duquel se déplace un piston 13. Le bâti est équipé d'un collecteur d'admission modifié incluant, pour chaque cylindre, un tube d'admission de pression 20 recevant la vapeur délivrée par un organe de réglage de débit, formant accélérateur. De plus, un système d'admission 15, associé au tube 20, est prévu pour chaque cylindre 12. Un tel système d'admission 15 comprend un élément fixe externe 16 en forme de cloche, dans lequel coulisse axialement un élément interne 17 en forme de soupape classique, dont la tige 18, cylindrique, coulisse dans un guide 19 de l'élément externe fixe 16.Ce dernier est pourvu d'un alésage 32 dans sa partie élargie en forme de cloche, pour permettre le positionnement du tube d'admission de pression 20 qui conduit la vapeur sous pression provenant de la chaudière et de l'accélérateur. La partie de la paroi 31 où est pratiqué cet alésage est plus épaisse et ledit alésage 32 comporte un filetage dans lequel est vissé le tube d'admission de pression 20. Ce dernier comporte à cet effet une partie filetée extérieurement. Le filetage réalise la fixation étanche du tube 20 dans l'élément externe 16. Le tube d'admission de pression 20 présente ainsi une portion qui pénètre latéralement dans l'élément externe fixe et cette portion est fermée à son extrémité. Ladite portion comporte dans sa partie cylindrique deux orifices opposés l'un à l'autre.Le premier orifice 24 est conformé en forme de siège de soupape 21 et permet le passage de la vapeur vers le cylindre 12 du moteur, lorsque l'élément interne en forme de soupape 17 se sépare dudit siège. Le second orifice opposé permet le montage de la soupape dans le tube d'admission de pression 20 et il est fermé par un bouchon 22. Ce bouchon forme la tête d'une sorte de boulon. Ladite tête est munie d'un filetage à sa périphérie, pour être vissée dans le second orifice du tube d'admission 20, lui même fileté. Elle est aussi munie d'un rebord pour être bloquée dans l'orifice qu'elle obstrue. La tige 23 du boulon dont le bouchon 22 constitue la tête est également filetée et vissée au centre d'un support 25 fixé (vissé) à la partie inférieure de l'élément externe fixe en forme de cloche, c'est-à-dire au voisinage du cylindre 12. Ce support 25 à contour circulaire est muni de deux grandes ouvertures 26 pour laisser passer librement la vapeur. Entre ces ouvertures se trouve défini un bras diamétral et une partie centrale. La tige 23 dudit boulon est fixée à cette partie centrale. Elle est plus particulièrement vissée dans un trou taraudé pratiqué dans cette partie centrale. Un écrou 27 est engagé sur la tige filetée et bloqué contre le support 25. Ainsi, ledit boulon 22 sert de support au tube d'admission de pression 20, tout en fermant l'orifice servant au montage de la soupape. L'élément interne formant soupape 17 est sollicité vers le siège 21 par un ressort de rappel 28, monté à l'extérieur de façon classique. Ainsi, le tronçon 29 du tube 20 où est défini le siège 21 de la soupape est donc agencé pour que la pression de la vapeur qu'il reçoit confirme l'application de celle-ci contre son siège. La vapeur sortant du tube 20 s'engage donc dans la partie en forme de cloche de l'élément externe et n'est pas laminée jusqu'à son arrivée dans le cylindre 12 au travers des larges ouvertures 26 du support 25. On voit qu'avec cet agencement, le ressort 28 développe une force relativement faible pour ramener la soupape à sa position de fermeture, car la vapeur renforce l'application de la soupape 17 sur son siège 21.Dès que l'ouverture de la soupape est amorcée sous la commande de l'arbre à cames, la pression s'équilibre de chaque coté de la tête de soupape et celle-ci effectue son mouvement de va-et-vient normalement, avant de se réappliquer contre son siège où la vapeur confirme alors sa fermeture. On va maintenant décrire les modifications apportées aux cames d'admission et d'échappement de l'arbre à cames, en se reportant aux figures 3 à 7. L'arbre à cames est en effet très modifié, car il ne conserve que la relation d'un tour pour deux tours du vilebrequin. La figure 3 illustre les positions relatives d'une came d'admission 40 et d'une came d'échappement 42 de l'arbre à cames d'origine. S'agissant de l'arbre à cames d'un moteur à combustion interne, les deux cames sont décalées de 1100 environ. La première modification, déjà mentionnée dans la demande de brevet français indiquée ci-dessus, consiste à doubler le nombre de protubérances pour chaque came. Ceci apparaît sur les figures 4 et 6. La came d'admission 40 comporte alors deux protubérances 40a, 40b et la came d'échappement 42 comporte deux protubérances 42a, 42b. Les deux protubérances d'une came sont décalées de 1800 entre elles, par rapport à l'axe de l'arbre à cames.On modifie également l'angle entre les cames, qui est ramené de 110 à 900. En effet, pour transformer le moteur à quatre temps en un moteur à deux temps, chaque sommet d'une came d'admission doit être décalé de 900 du sommet correspondant de la came d'échappement. Le fait de ramener l'angle entre les sommets de 110 à 900 provoque un soulèvement de la soupape d'admission et de la soupape d'échappement en même temps dans la position des soupapes telle qu'illustrée aux figures 4 et 6. La ligne pointillée 60 montre ce soulèvement par rapport aux cames d'origine à 1100 de la figure 3. Sur les figures 5 et 6, le soulèvement est représenté par la ligne pointillée 60a. Ce soulèvement, qui se traduit par un jeu entre les tiges et les touches respectives des soupapes, est aussi représenté par les lignes en pointillés 53 et 53a de l'une des cames représentées à la figure 7. Sur cette figure, la came modifiée conformément à l'invention est dans sa position correspondant à la fermeture de la soupape. Selon la nouvelle modification, le jeu représenté à la figure 7 par la distance séparant la ligne pointillée 53 de la ligne pointillée 60a est éliminé en élargissant les cames selon les contours 56 et 56a perpendiculairement à leurs protubérances opposées de 1800, par rapport aux dimensions correspondantes des cames de l'arbre à cames d'origine. Autrement dit, cet élargissement correspond au jeu produit par le rapprochement des sommets des cames qui découle du passage d'un angle de 1100 à un angle de 900, comme illustré aux figures 5 et 6. Ce perfectionnement assure un meilleur rendement du moteur. En effet, les cames conservent les mêmes protubérances que les cames d'origine et les soupapes conservent par conséquent leur ouverture maximum pendant tout le temps de passage de la protubérance. Par ailleurs, le choc produit par la came sur la touche est beaucoup plus faible, en raison du renflement illustré par les contours 56 et 56a. En conséquence, le rendement du moteur est amélioré, car on admet davantage de vapeur au moment où le vilebrequin est dans la position la plus favorable de sa course. Le fonctionnement est dépourvu de chocs et, par conséquent, l'usure et le bruit sont réduits. La vapeur devra être introduite dans le moteur à une température comprise entre 230 et 2500 selon les conditions atmosphériques. On pourra prévoir un réglage automatique de la température, au moyen d'un thermostat et d'une vanne commandée par solénosde, pour doser le mélange de vapeur sèche et de vapeur saturée. REVENDICATIONS 1. Moteur à vapeur à deux temps réalisé par transformation d'un moteur à combustion interne à quatre temps et comprenant un bâti d'un tel moteur à combustion interne, muni de ses pistons (13) mobiles à l'intérieur de cylindres (12) respectifs, de systèmes d'admission (15) et de systèmes d'échappement, caractérisé en ce que chaque système d'admission (15) comporte un élément externe fixe (16) en forme de cloche, à la partie supérieur duquel coulisse un élément interne (17) en forme de soupape et un tube d'admission de pression (20), relié à une source de vapeur, dont une portion fermée à son extrémité pénètre latéralement dans ledit élément externe fixe, en ce que cette portion comporte un siège (21) défini dans sa paroi latérale et en ce que la tête dudit élément intérieur en forme de soupape est engagée à l'intérieur de ladite portion de tube pour coopérer avec ledit siège, ledit élément interne formant soupape étant sollicité en direction dudit siège par un ressort de rappel (28) surmontant ledit élément externe fixe (16). 2. Moteur à vapeur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite portion du tube d'admission de pression comporte un trou opposé audit siège, pour le montage de la soupape et en ce que ce trou est obturé par un bouchon (22). 3. Moteur à vapeur selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit bouchon (22) et fileté extérieurement sur son épaisseur, en ce que ledit trou opposé au siège est taraudé et en ce que le bouchon est ainsi vissé dans ledit trou pour obturer ce dernier. 4. Moteur à vapeur selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit bouchon (22) est solidaire d'une tige (23) fixée au centre d'un support (25) à contour circulaire, ce support étant lui-même fixé à l'extrémité la plus large de l'élément fixe en forme de cloche (16). 5. Moteur à vapeur selon la revendication 4, caractérisé en ce que ledit support à contour circulaire (25) est muni de larges ouvertures (26) pour le passage de la vapeur. 6. Moteur à vapeur selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce que ladite tige (23) est filetée et vissée dans un trou taraudé pratiqué au centre dudit support (25). 7. Moteur à vapeur selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'un écrou (27) engagé sur ladite tige filetée est bloqué contre ledit support (25). 8. Moteur à vapeur selon la revendication 5, caractérisé en ce que la vapeur sort directement de l'orifice (24) défini par ledit siège en direction du cylindre moteur (12) en traversant lesdites larges ouvertures (26) dudit support (25). 9. Moteur à vapeur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte un arbre à cames dans lequel chaque came est munie de deux protubérances (40a, 40b - 42a, 42b) décalées de 1800 et dans lequel les sommets des protubérances commandant les systèmes d'échappement sont décalés de 900 par rapport aux sommets des protubérances commandant les systèmes d'admission et en ce que lesdites cames sont élargies (56, 56a) perpendiculairement à leurs protubérances opposées, par rapport aux dimensions correspondantes des cames de l'arbre à cames d'origine.