Brevet FR2676503A1 — publié le 19921120

Moteur thermique. DESCRIPTION La présente invention a pour objet un moteur thermique. Le secteur technique de l'invention est celui des moteurs à combustion interne ou à explosion fonctionnant selon un cycle de deux temps. Les moteurs connus, dits à deux temps, sont d'une grande simplicité. De tels moteurs ne comportent pas de soupapes et l'admission des gaz frais et l'échappement des gaz brûlés se produisent par des lumières réservées dans la paroi du cylindre. Pour le fonctionnement à l'essence, le carburant est généralement mélangé à 11 air comburant dans un carburateur qui produit ainsi le gaz inflammable introduit dans le cylindre à la pression atmosphérique ou en suralimentation au moyen d'un turbo-compresseur.Dans un tel moteur, l'allumage des gaz est obtenu par une bougie par cylindre qui reçoit des impulsions électriques à haute tension réparties par un distributeur, l'étincelle se produisant dans chaque cylindre, par exemple et pour un moteur à quatre cylindres, dans l'ordre 1, 3, 4 , 2 après la compression des gaz pour provoquer l'explosion et projeter le piston vers le bas du cylindre. Le cycle admission/compression/explosion/échappement se déroule dans un tel moteur sur un tour de vilebrequin et pour chaque cylindre du moteur. Dans un moteur deux temps à combustion dit moteur Diesel, le cycle se déroule de la même façon mais seul l'air est admis dans le cylindre, le carburant, du gazole, est injecté par un injecteur après que l'air ait été échauffé par compression et à haute température pour provoquer la combustion du gazole. La distribution du gazole aux injecteurs est par exemple, pour un moteur à quatre cylindres, opérée comme dans le précédent moteur dans l'ordre 1, 3, 4, 2 au moyen d'une pompe d'injection qui fonctionne selon l'ordre précité. On conçoit, malgré la simplicité de la structure d'un tel moteur à deux temps, en comparaison à un moteur à quatre temps multi soupapes, que son équipement en organes annexes d'alimentation en carburant et, pour le moteur à essence, d'allumage des gaz, est relativement coûteux. L'objectif de la présente invention est de produire un moteur à deux temps à performances élevées et bâti selon un concept permettant une application au fonctionnement à l'essence ou au gazole, à la condition de respecter bien entendu les critères de construction de l'un ou l'autre moteur, alors que l'on sait qu'un moteur Diesel fonctionne sous un taux de compression environ trois fois plus élevé qu'un moteur à essence. Cet objectif est atteint par le moteur thermique selon l'invention, à piston alternatif se déplaçant dans un cylindre dont l'air comburant du mélange inflammable est admis à travers une tubulure fermée par une soupape soumise à l'action d'un ressort, dans une chambre de combustion des gaz située à la partie supérieure dudit cylindre, laquelle chambre est délimitée à sa partie inférieure par ledit piston et dont les gaz brûlés sont évacués à travers au moins une lumière réservée dans la paroi du cylindre et par un collecteur d'échappement et dont le carburant est admis dans ladite chambre par un injecteur relié à une pompe d'injection, caractérisé en ce que la soupape d'admission de l'air comburant coopère avec un siège réservé dans une paroi obturant la partie supérieure du cylindre, lequel siège et ladite soupape étant disposés perpendiculairement à l'axe longitudinal du piston, dont l'ouverture de la soupape est obtenue sous l'effet d'une circulation d'air à une pression supérieure à la force du ressort de la soupape, en ce que l'injecteur est parallèle audit axe du piston et à son extrémité située à proximité de la face interne de la paroi qui délimite ladite chambre, et en ce que le piston comporte à sa partie supérieure des ergots-poussoirs dont l'un agit sur la soupape pour la plaquer sur son siège et obturer l'arrivée de l'air au point mort haut du piston et dont un autre agit simultanément sur l'injecteur pour admettre dans ladite chambre la dose de carburant qui compose le mélange inflammable. Dans un tel moteur où la soupape comporte une tige cylindrique et est montée à coulissement dans une culasse où est réservé le siège de la soupape et qui constitue ladite paroi qui obture le cylindre à sa partie supérieure, ledit siège délimite une large ouverture d'admission de l'air comburant dans le cylindre et la soupape est fermée par un ressort de compression qui entoure ladite tige et qui est disposé dans un logement réservé à la partie supérieure de la culasse entre le fond dudit logement et une butée fixée à l'extrémité de la tige. Selon l'invention, le siège et la soupape sont disposés coaxialement au piston et la soupape est appliquée sur son siège à la fermeture de l'admission de l'air comburant par un ergot-poussoir coaxial au piston et à la soupape et émergeant à la partie supérieure du piston. L'air comburant est admis sous pression dans le cylindre par des moyens compresseurs pour ouvrir la soupape et admettre l'air frais dans le cylindre et favoriser le balayage des gaz à l'intérieur du cylindre lors de la phase d'échappement. Dans un tel moteur, l'injecteur est de façon connue monté dans la culasse et comporte un orifice calibré coopérant avec un clapet de fermeture conique. Selon l'invention, les génératrices de la paroi de l'orifice calibré et du clapet convergent sur un point situé à l'intérieur du cylindre. L'injection du carburant dans le cylindre est obtenue au moyen d'un ergot-poussoir émergeant à la partie supérieure du piston et repoussant le clapet de l'injecteur au point mort haut du piston. Ledit injecteur est situé à la périphérie du siège de la soupape d'admission de l'air comburant et l'ergot-poussoir est sensiblement dans l'axe du clapet de l'injecteur et corrélativement est rapproché du bord périphérique du piston. Pour son fonctionnement à l'essence, le moteur comporte une bougie d'allumage alimentée en haute tension par une bobine dont les électrodes de la bougie sont mises dans l'ambiance des gaz inflammables. Un tel moteur comporte en outre un contacteur inséré dans le circuit électrique reliant la bobine à la bougie et émergeant dans la chambre de combustion, lequel contacteur est actionné par un ergot-poussoir émergeant à la partie supérieure du piston, lorsque celui-ci est au point mort haut du cycle de fonctionnement pour alimenter la bougie et déclencher l'étincelle de mise à feu des gaz inflammables. Ledit contacteur est monté dans la culasse, dans une position parallèle à l'axe longitudinal du piston, émerge dans ladite chambre de combustion et est sensiblement coaxial audit ergot-poussoir du piston. De préférence, le contacteur est situé à la périphérie du siège de ladite soupape d'admission de l'air comburant et corrélativement l'ergot-poussoir est rapproché du bord périphérique du piston. Lesdits ergots-poussoirs qui actionnent l'injecteur et le contacteur sont équidistants de l'ergot-poussoir central qui agit sur la soupape qui obture l'orifice d'admission de l'air comburant. Ledit moteur comporte sur tout ou partie de la paroi du cylindre des lumières constituées par de courtes fentes parallèles entre elles et de même longueur, lesquelles sont situées toutes à la même hauteur, sont parallèles aux génératrices du cylindre et par lesquelles fentes sont évacués les gaz brûlés, lesquels sont collectés par un collecteur qui entoure en tout ou partie le cylindre et qui est raccordé à une tubulure d'échappement. Le résultat de l'invention est un moteur à deux temps d'une conception simple, donc moins coûteux que le moteur connu fonctionnant selon ce cycle, une telle conception permettant la construction de moteurs à essence ou Diesel. La grande soupape prévue au milieu de la culasse permet un remplissage du cylindre en air comburant plus rapide que sur les modèles conventionnels. Elle est fermée à l'arrêt, retenue par ledit ressort, lequel est d'une force inférieure à la pression de l'air mis en circulation dans la tubulure d'admission, de sorte qu'elle s'ouvre sous la pression de l'air comburant dès que cet air est à une pression supérieure à celle qui règne dans le cylindre au moment où le piston découvre les lumières d'échappement des gaz brûlés Les gaz brûlés sont chassés par l'air frais dès que le piston dégage lesdites lumières. Lorsque le piston compresse l'air en remontant et après avoir franchi les lumières d'échappement, il nty a plus pratiquement que de l'air frais dans le cylindre. La grande soupape demeure ouverte tant que le piston lors de la remontée n'a pas franchi lesdites lumières d'échappement, en continuant sa course montante le piston compresse l'air et la soupape se referme. En fin de course, lorsqu'il est à son point mort haut, le piston actionne par ses ergots-poussoirs et simultanément la soupape et l'injecteur dans un moteur Diesel. Dans un moteur à essence, il actionne, comme dans le précédent, simultanément la soupape et l'injecteur. Toutefois, le contacteur de la bougie est actionné légèrement avant pour réaliser l'avance à l'allumage. Le réglage en hauteur du contacteur permet de réaliser la mise au point de l'allumage. L'alimentation en carburant est assurée par un circuit d'injection et une pompe qui fournit la dose nécessaire au mélange air/carburant en vue de la combustion dans le cas du gazole ou de l'explosion dans la version essence et dont l'injection est directement commandée par le piston. L'intérêt de ce moteur réside principalement, outre sa simplicité, dans un meilleur mélange d'air et de carburant, ce qui se traduit par un rendement optimal. La circulation abondante d'air frais dans le cylindre lors de l'échappement réduit l'échauffement. En résumé et en regard du moteur à deux temps conventionnel, le moteur selon l'invention présente les avantages suivants - Dans la version essence : pas de distributeur, pas de carburateur; - Dans la version Diesel : circuit dtinjection simplifié. - Outre ces avantages et en regard du moteur à quatre temps pas d'arbre à cames ou de commande de soupapes. - Pour toutes versions : meilleur mélange air/carburant, économie de carburant, gain de puissance, meilleur refroidissement, encombrement réduit et gain de poids. A cylindrée égale, la puissance développée est de 11 ordre du double d'un moteur conventionnel à quatre temps. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention ressortiront encore à la lecture de la description suivante donnée à titre d'exemple non limitatif, en référence aux dessins annexés sur lesquels - La figure i est une vue schématique en coupe d'un moteur selon l'invention dans sa version à essence et équipé de ses principaux accessoires. - La figure 2 est une vue schématique en coupe diamétrale de la partie supérieure d'un moteur à essence, représentant le haut du cylindre et les aménagements du piston. On se reporte d'abord à la figure 1 qui illustre un moteur selon l'invention schématiquement représenté dans sa version essence. Ce moteur peut être à un ou plusieurs cylindres disposés en ligne. I1 peut également être réalisé selon la conception en V. La coupe passe par l'axe longitudinal d'un cylindre. Ce moteur comporte un bloc cylindre 1 à la partie inférieure duquel se trouve un carter 2. L'embiellage comprend le vilebrequin 3 et la bielle 4 à l'extrémité de laquelle est articulé le piston 5 autour d'un axe 6. Le carter contient l'huile nécessaire à la lubrification et au refroidissement des pièces en mouvement. Cette huile est également mise en circulation au moyen d'une pompe à huile (non représentée) comme dans tous les moteurs actuellement en service. A la partie supérieure du cylindre 1 est fixée une culasse 7 dans laquelle aboutit une tubulure 8 d'amenée de l'air comburant jusqutau cylindre 1. La partie supérieure du cylindre et la culasse sont représentées en coupe avec plus de détails à la figure 2. Le piston 5 comporte de façon connue les segments d'étanchéité 5a et un segment racleur 5b logé dans des gorges réservées à sa périphérie. Le piston est par exemple du type de ceux qui comportent un évidement à leur partie supérieure pour obtenir, lorsque le piston 5 est au point mort haut, le volume de la chambre et le taux de compression requis. La culasse 7 est fixée au cylindre au moyen de goujons et d'écrous (non représentés) par l'intermédiaire d'un joint de culasse 9. Elle comporte à droite du cylindre 1 une dépression 7a qui forme avec l'évidement 5c du piston la chambre de combustion. Coaxialement au cylindre i et par voie de conséquence au piston 5, la culasse comporte une large ouverture circulaire 7b d'un conduit 7c relié à la tubulure d'air comburant 8. Ladite ouverture circulaire 7b comporte un siège conique 7d, sur lequel siège s' appuie une soupape 10. La culasse 7 comporte un prolongement cylindrique 7e s'étendant dans le conduit 7c et relié à la partie supérieure de la culasse, lequel prolongement 7e comporte un conduit cylindrique 7f dans lequel est montée la tige iOa de la soupape. Le conduit 7f débouche dans un logement cylindrique coaxial 7g, dans lequel se prolonge la tige iOa de la soupape. Ladite tige comporte une butée il à son extrémité, laquelle butée est constituée par une coupelle maintenue en position par une vis 12.Entre la coupelle i1 et le fond du logement 7g est monté un ressort de compression 13 qui a pour fonction de fermer la soupape 10 sur son siège 7d lorsque le moteur est à l'arrêt. Ce ressort est d'une faible force de sorte que la soupape 10 s'ouvre sous l'effet de la circulation de l'air comburant élevé en pression au moyen d'un compresseur 14. Autour de la soupape 10, la culasse comporte deux logements cylindriques 71, 72, équidistants de la soupape et qui aboutissent dans le cylindre 1. Le logement 71 se prolonge par un trou taraudé 71a pour déboucher dans ladite dépression 7a de la culasse. Dans ce logement est monté un injecteur 15, dont la partie filetée 15a est vissée dans un trou taraudé 71a. Ledit injecteur fonctionne de la même façon que ceux qui équipent les moteurs actuels, toutefois son clapet conique 15a coopère avec un siège 15b dont les génératrices convergent sur un point situé dans le cylindre 1, de telle sorte que l'injection se produit lorsque le clapet 15a est repoussé à l'intérieur de l'injecteur pour vaincre la force d'un ressort antagoniste 15c. L'extrémité de l'injecteur 15 est sensiblement au niveau de la face interne de la chambre 7a. Le logement 72 se prolonge par un trou taraudé 72a pour déboucher dans la dépression 7a de la culasse 7. Dans ce logement, est monté un contacteur 16 en ferronickel et dont les parties isolantes sont par exemple en céramique pour résister aux fortes températures du moteur qui, comme l'on sait, sont de l'ordre à 450 à 650 C. Ledit contacteur 16 comporte un contact fixe 16a relié à un conducteur électrique 16b qui traverse un noyau isolant 16c et comportant une cosse 16d à sa partie supérieure. Il comporte en outre un contact mobile 16e repoussé par un ressort 16f et dont la tige 16g coulisse étroitement dans une borne cylindrique 16h, laquelle est reliée à une autre cosse 16j par un autre conducteur 16k qui traverse ledit noyau isolant 16c. Le contact mobile 16e est sensiblement au niveau de la face interne de la chambre 7a. La bougie d'allumage n'est pas représentée à la figure 2 pour des questions de clarté du dessin, du fait que le montage de cet organe est réalisé de façon tout à fait conventionnelle, ses électrodes étant mises dans l'ambiance du mélange air/carburant. Elle est toutefois représentée très schématiquement à la figure 1 sous la référence 17. Tel que cela est illustré sur cette figure, l'injecteur 15 est relié à une rampe d'injection 18, elle-même reliée à la pompe d'injection 19 par une tubulure 20. La bougie 17 mise à la masse de façon conventionnelle est reliée par un câble électrique antiparasité 21 à une des cosses, par exemple à la cosse 16d du contacteur 16. L'autre cosse 16j est reliée par un fil conducteur 22 à l'enroulement secondaire d'une bobine 23 ou du circuit haute tension d'un transformateur d'un allumage électronique. L'enroulement ou le circuit primaire de la bobine ou dudit transformateur est connecté à une batterie d'accumulateur 24 par un câble électrique 25, laquelle batterie 24 est reliée à la masse du véhicule par un câble 26. Selon l'invention, le piston 5 comporte à sa partie supérieure des ergots-poussoirs se présentant sous la forme de petits bossages tronconiques. Un de ces ergots-poussoirs 5d est situé au centre du piston 5 pour agir sur la soupape 10 lorsque le piston arrive au point mort haut du cycle de fonctionnement. Ledit ergot-poussoir 5d est obtenu par moulage lors de la fabrication du piston et s'étend à partir du fond de l'évidement 5c pour émerger à l'extérieur de celui-ci et rencontrer à ce stade du cycle, la soupape 10 pour la plaquer contre son siège 7d et assurer ainsi la fermeture totale de l'admission de l'air comburant. Le piston comporte également deux autres ergots-poussoirs eux aussi obtenus par moulage 5e/5f, lesquels sont équidistants de l'ergot-poussoir central 5d, sont rapprochés du bord périphérique du piston et sont sensiblement coaxiaux, l'un 5e à l'injecteur 15, l'autre 5f au contacteur 16. Lesdits ergots-poussoirs 5e/5f émergent à la partie supérieure du piston, sont usinés et actionnent l'injecteur 15 et le contacteur 16 à la fermeture de l'admission de l'air comburant au moyen dudit ergot-poussoir central 5d. L'échappement des gaz brûlés est réalisé de façon connue dans les moteurs à deux temps par une lumière latérale réservée dans la paroi du cylindre. Selon l'invention et dans le but de réaliser l'évacuation des gaz de façon optimale, le cylindre comporte une série de lumières 27 se présentant sous la forme de fentes parallèles entre elles et aux génératrices du cylindre. Ces lumières sont de petite longueur et sont d'une section rectangulaire à bords arrondis. Elles sont toutes de même longueur et sont toutes situées à une même hauteur, leur bord inférieur 27a étant sensiblement dans le plan de la calotte 5g du piston 5 lorsque celui-ci est au point mort bas du cycle de fonctionnement. Lesdites lumières 27 sont par exemple réparties sur une partie de la paroi du cylindre et la somme des sections de passage des gaz est ainsi nettement supérieure à la section d'une seule lumière, ce qui garantit un balayage total et rapide des gaz et améliore le refroidissement du moteur. Les gaz sont collectés à l'extérieur du cylindre 1 par un collecteur semi-annulaire 28 fixé au bloc cylindre et raccordé à une tubulure d'échappement 29. Le moteur qui vient d'être décrit est un moteur à deux temps fonctionnant à l'essence de pétrole. Dans les versions Diesel, la structure du moteur est bien entendu adaptée aux efforts auxquels sont soumis de tels moteurs compte tenu de leur taux de compression élevé. Par contre, leur équipement est simplifié du fait que de tels moteurs dits à combustion ne comportent pas de bougie d'allumage. L'homme du métier sera à même de comprendre à partir de cette description quel est l'équipement d'un tel moteur fonctionnant au gazole qui ne nécessite en fait que le système d'injection du carburant dans le cylindre et exclut donc le contacteur d'allumage. Le moteur pourra de façon connue comporter une bougie de préchauffage pour en faciliter le démarrage. Compte tenu de l'importante circulation d'air frais qui améliore considérablement le refroidissement du moteur, celui-ci comporte un système de refroidissement à eau par circulation forcée de moindre importance, ou à air par un nombre réduit d'ailettes, voire même aucun moyen de refroidissement. REVENDICATIONS 1. Moteur thermique à piston alternatif (5) se déplaçant dans un cylindre (1) dont l'air comburant du mélange inflammable est admis à travers une tubulure (8) fermée par une soupape soumise à l'action d'un ressort, dans une chambre de combustion (7a/5c) située à la partie supérieure dudit cylindre (1), laquelle chambre est délimitée à sa partie inférieure par ledit piston (5) et dont les gaz brûlés sont évacués à travers au moins une lumière (27) réservée dans la paroi du cylindre et par un collecteur d'échappement (28/29) et dont le carburant est admis dans ladite chambre par un injecteur relié à une pompe d'injection caractérisé en ce que la soupape (10) d'admission de l'air comburant coopère avec un siège (7d) réservé dans une paroi (7) obturant la partie supérieure du cylindre (1) lequel siège (7d) et ladite soupape (10) étant disposés perpendiculairement à l'axe longitudinal dudit piston (5), dont l'ouverture de la soupape est obtenue sous l'effet d'une circulation d'air à une pression supérieure à la force du ressort (13) de la soupape, en ce que l'injecteur (15) est parallèle audit axe du piston (5) et à son extrémité située à proximité de la face interne de la paroi (7) qui délimite ladite chambre et en ce que le piston (5) comporte à sa partie supérieure des ergots-poussoirs (5d/5e), dont l'un (5d) agit sur la soupape (10) pour la plaquer sur son siège (7d) et obturer l'arrivée de l'air, au point mort haut du piston (5) et dont l'autre (5e) agit simultanément sur l'injecteur (15) pour admettre dans ladite chambre la dose de carburant qui compose le mélange inflammable. 2. Moteur selon la revendication 1, dont la soupape (10) comporte une tige cylindrique (lova) et est montée à coulissement dans une culasse (7) où est réservé le siège (7d) de la soupape (10) et qui constitue ladite paroi qui obture le cylindre (1) à sa partie supérieure, caractérisé en ce que ledit siège (7d) délimite une large ouverture d'admission de l'air comburant dans le cylindre (1) et en ce que la soupape (10) est fermée par un ressort de compression (13) qui entoure ladite tige (lova) et qui est disposée dans un logement (7g) réservé à la partie supérieure de la culasse (7) entre le fond dudit logement (7g) et une butée (11) fixée à l'extrémité de la tige (iOa). 3. Moteur selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le siège (7d) et la soupape (10) sont disposés coaxialement au piston (5) et en ce que la soupape (10) est appliquée sur son siège (7d) à la fermeture de l'admission de l'air comburant par un ergot- poussoir (5d) coaxial au piston (5) et à la soupape (10) et émergeant à la partie supérieure du piston. 4. Moteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'air comburant est admis sous pression dans le cylindre (1) par des moyens compresseurs (14) pour ouvrir la soupape (10) et admettre l'air frais dans le cylindre et favoriser le balayage des gaz à l'intérieur du cylindre (1) lors de la phase d'échappement. 5. Moteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dont l'injecteur (15) est monté dans la culasse (7) et comporte un orifice calibré (15a) coopérant avec un clapet de fermeture conique (15b), caractérisé en ce que les génératrices de la paroi de l'orifice calibré (15a) et du clapet (15b) convergent sur un point situé à l'intérieur du cylindre (1) et en ce que l'injection du carburant dans le cylindre est obtenue au moyen d'un ergot-poussoir (5e) émergeant à la partie supérieure du piston (5) et repoussant le clapet (15b) de l'injecteur au point mort haut du piston. 6. Moteur selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'injecteur (15) est situé à la périphérie de la soupape (10) d'admission de l'air comburant et que l'ergot-poussoir (5e) est sensiblement dans l'axe du clapet (15a) de l'injecteur et corrélativement est rapproché du bord périphérique du piston (5). 7. Moteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dont le carburant est de l'essence de pétrole et comportant une bougie d'allumage (16) alimentée en haute tension par une bobine (23) dont les électrodes de la bougie sont mises dans l'ambiance des gaz inflammables, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un contacteur (16) inséré dans le circuit électrique reliant la bobine (23) à la bougie (16) et émergeant dans la chambre de combustion (5c/7a) lequel contacteur (16) est actionné par un ergot-poussoir (5f) émergeant à la partie supérieure du piston (5), lorsque celui-ci est au point mort haut du cycle de fonctionnement pour alimenter la bougie (16) et déclencher l'étincelle de mise à feu des gaz inflammables. 8. Moteur selon la revendication 7, caractérisé en ce que ledit contacteur (16) est monté dans la culasse (7), est dans une position parallèle à l'axe longitudinal du piston (5), émerge dans ladite chambre de combustion (5c/7a) et est sensiblement coaxial audit ergot-poussoir (5f) du piston. 9. Moteur selon l'une quelconque des revendications 7 et 8, caractérisé en ce que ledit contacteur (16) est situé à la périphérie de ladite soupape (10) d'admission de l'air comburant et que corrélativement ltergot-poussoir (5f) est rapproché du bord périphérique du piston (5). 10. Moteur selon l'une quelconque des revendications 7 à 9, caractérisé en ce que lesdits ergots-poussoirs (5e/5f) qui actionnent l'injecteur (15) et le contacteur (16) sont équidistants de l'ergot- poussoir central (5d) qui agit sur la soupape (10) pour obturer l'orifice d'admission de l'air comburant. 11. Moteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce qu'il comporte sur tout ou partie de la paroi du cylindre des lumières (27) constituées par de courtes fentes parallèles entre elles et de même longueur, lesquelles sont situées toutes à la même hauteur, sont parallèles aux génératrices du cylindre (1) et par lesquelles fentes sont évacués les gaz brûlés, lesquels sont collectés par un collecteur (28) qui entoure en tout ou partie le cylindre et qui est raccordé à une tubulure d'échappement (29).