Brevet FR2712926A1 — publié le 19950602

SYSTEME D'ECHAPPEMENT POUR MOTEUR A DEUX TEMPS La présente invention se rapporte à un système d'échappement pour un moteur à deux temps et, plus particu- lièrement, à un système d'échappement apte à réduire la con- centration en hydrocarbures des gaz d'échappement sans impli- quer, pour autant, une diminution notable de la puissance de sortie du moteur à deux temps. Un moteur à deux temps récupère la pression pulsatoire des gaz d'échappement pour augmenter la puissance de sortie; en d'autres termes, lorsque le piston, accomplissant une course ascendante après avoir dépassé le point mort bas, ob- ture tout d'abord l'orifice de balayage, puis l'orifice d'échappement, la pression positive des gaz d'échappement pulsatoires agit sur l'orifice d'échappement pour empêcher le contournement de la nouvelle charge. Du fait que le moteur à deux temps est conçu de façon telle que l'impulsion des gaz d'échappement soit en synchro- nisme avec la course du piston lorsque le moteur à deux temps fonctionne à grande vitesse, l'impulsion des gaz d'échappe- ment perd son synchronisme avec la course du piston lorsque ledit moteur fonctionne à faible vitesse et, en conséquence, il peut advenir qu'une pression négative agisse sur l'orifice d'échappement avant que cet orifice d'échappement soit fermé, ce qui favorise un contournement. Si un contournement sur- vient alors que l'ouverture du papillon d'étranglement est faible, un raté d'allumage est susceptible de se produire du fait que la quantité de charge nouvelle, aspirée dans le mo- teur à deux temps, est faible lorsque l'ouverture du papillon d'étranglement est faible, ce qui implique une augmentation de la consommation de carburant et un accroissement de la concentration des gaz d'échappement en hydrocarbures. Pour résoudre un problème de ce genre, un dispositif régulateur de la puissance de sortie d'un moteur, exposé dans la demande de modèle d'utilité japonais n 60-72925, fait usage d'une tubulure d'échappement raccordée à l'orifice d'échappement d'un moteur, présentant une chambre de régula- tion et équipée d'un clapet du type papillon supporté à pivo- tement dans la chambre de régulation, un interstice étant ré- servé entre le clapet et la paroi de la chambre de régula- tion, ledit clapet étant en liaison interactive avec le pa- pillon d'étranglement du moteur. Ce clapet du type papillon, c'est-à-dire un clapet li- miteur, est destiné à obstruer le flux des gaz d'échappement de manière à réduire la concentration de ces gaz d'échappe- ment en hydrocarbures, afin d'épurer les gaz d'échappement. Toutefois, le fait de munir la tubulure d'échappement d'un tel clapet limiteur en liaison interactive avec le papillon d'étranglement ne constitue pas un moyen impeccable pour ré- duire la concentration des gaz d'échappement en hydrocarbu- res, car des moteurs présentant des cylindrées respectivement différentes réclament, respectivement, des tubulures d'échap- pement différentes et des gaz d'échappement évacués de masses différentes. Comme le clapet limiteur accroît la résistance s'oppo- sant au flux des gaz d'échappement, et comme la chambre rem- plit la fonction d'une chambre d'expansion engendrant une on- de réfléchie dans la tubulure d'échappement, la puissance de sortie du moteur s'en trouve réduite. La présente invention dispose un clapet limiteur en un emplacement optimal dans la tubulure d'échappement et donne, à une chambre de régulation conçue pour loger le clapet limi- teur, une configuration optimale pour exercer un effet d'épu- ration des gaz d'échappement sans impliquer, en contrepartie, une réduction notable de la puissance de sortie. La présente invention fournit un système d'échappement pour un moteur à deux temps, comprenant une tubulure d'échap- pement munie d'une zone renflée servant de chambre de régula- tion, et un clapet limiteur logé dans la chambre de régula- tion et en prise interactive avec le papillon d'étranglement du moteur à deux temps, de manière à réduire la section transversale du passage des gaz d'échappement lorsque l'ou- verture du papillon d'étranglement est faible, système dans lequel le clapet limiteur est disposé en un emplacement sa- tisfaisant à une relation d'inégalité 1 ' Kv ' 5 dans laquel- le Kv est le rapport existant entre la cylindrée du moteur à deux temps et le volume de l'espace interne d'un segment de la tubulure d'échappement compris entre la surface du cylin- dre du moteur à deux temps et le clapet limiteur, et la cham- bre de régulation présente une section transversale satisfai- sant à une relation d'inégalité 1,1 la chambre de régulation et la section transversale de la tu- bulure d'échappement. La concentration des gaz d'échappement en hydrocarbu- res peut être considérablement réduite lorsque le moteur à deux temps fonctionne à faible vitesse avec faible ouverture du papillon d'étranglement, lorsque l'emplacement du clapet limiteur satisfait à la relation d'inégalité 1 ' Kv ' 5, et la diminution de la puissance de sortie dudit moteur peut être efficacement empêchée lorsque la section transversale de la chambre de régulation satisfait à la relation d'inégalité 1,1 L'invention va à présent être décrite plus en détail, à titre d'exemple nullement limitatif, en regard des dessins annexés sur lesquels: la figure 1 est une élévation latérale d'un cycle à moteur du type "scooter", équipé d'un système d'échappement conforme à la présente invention; la figure 2 est une coupe schématique d'un segment d'une tubulure d'échappement muni d'un clapet limiteur; la figure 3 est une élévation latérale fragmentaire de la tubulure d'échappement pourvue du clapet limiteur; la figure 4 est une coupe selon la ligne IV-IV de la figure 3; la figure 5 est une élévation latérale schématique du moteur et des éléments constitutifs associés du cycle moto- risé; la figure 6 est une illustration schématique contri- buant à expliciter un rapport Kv; la figure 7 est un graphique représentant la variation du taux de réduction des hydrocarbures en fonction du rapport Y,; la figure 8 est un graphique représentant la variation d'un taux maximal de puissance de sortie en fonction d'un rapport Ka; la figure 9 est un graphique illustrant la manière dont le taux maximal de puissance de sortie dépend du déca- lage de l'axe médian de la chambre de régulation par rapport à celui de la tubulure d'échappement; et la figure 10 est une vue schématique illustrant les positions relatives de la tubulure d'échappement et de la chambre de régulation. La figure 1 est une élévation latérale d'un cycle à moteur du type "scooter", équipé d'un système d'échappement selon une forme de réalisation préférentielle de la présente invention. Un châssis comprend un corps antérieur 1, un corps postérieur 2 et un repose-pieds surbaissé 3 s'étendant entre le corps antérieur 1 et le corps postérieur 2. Un cadre prin- cipal 4, représentant une structure principale du châssis, s'étend vers le bas dans le corps antérieur 1, vers l'arrière au-dessous du repose-pieds 3, puis vers le haut et vers l'ar- rière dans le corps postérieur 2. Un siège 5 est monté sur le corps postérieur 2 et un fronton de direction 7, pourvu d'un guidon 6, est placé au sommet du corps antérieur 1. Une fourche frontale 8 est en appui sur le corps anté- rieur 1, une roue avant 9 est supportée par la fourche fron- tale 8 et le guidon 6 est manoeuvré en vue d'un braquage. Une console 10 est soudée à la surface inférieure d'une région postérieure du cadre 4, de manière à dépasser vers l'arriè- re; un bloc unitaire oscillant 12 est en appui sur la conso- le 10, par l'intermédiaire d'une biellette 11, pour effectuer un mouvement oscillant dans un plan vertical; et une roue arrière 13 est supportée par un essieu arrière 14 prenant ap- pui contre l'extrémité postérieure du bloc 12. Un amortisseur arrière 15 est interposé entre l'extrémité postérieure du bloc 12 et la région supérieure postérieure du cadre 4. Un moteur 16 est intégré dans la région antérieure du bloc unitaire oscillant 12, afin d'entrainer la roue arrière 13 par l'intermédiaire d'un mécanisme de transmission de puissance,logé dans ledit bloc 12. Un réservoir de carburant 17 est relié de manière fixe au cadre 4, au-dessous du repo- se-pieds 3. Le moteur 16 est un moteur à deux temps. Un mélange air-carburant est introduit à partir d'un carburateur 18, en empruntant une tubulure d'admission 19, dans le carter de vi- lebrequin du moteur 16. De l'air frais est aspiré dans le carburateur 18 en traversant un filtre à air 20. Une tubulure d'échappement 22, raccordée à un orifice d'échappement 21 du moteur 16, s'étend vers le bas devant le bloc unitaire oscil- lant 12 et vers l'arrière le long du côté droit de la surface inférieure de ce bloc 12, et elle est reliée à un silencieux 23 disposé du côté droit du chassis. La longueur de la tubulure d'échappement 22 est sélec- tivement déterminée de façon telle que l'impulsion des gaz d'échappement empêche le contournement d'une charge nouvelle lorsque le moteur 16 fonctionne à grande vitesse; en d'au- tres termes, la longueur de la tubulure 22 est déterminée de façon que la pression pulsatoire des gaz d'échappement à l'orifice d'échappement 21 atteigne une valeur positive, au stade final de la course de balayage, afin d'empêcher le con- tournement de la charge nouvelle. Cependant, le synchronisme existant entre l'impulsion des gaz d'échappement et la course de balayage est supprimé lorsque le moteur 16 fonctionne à faible vitesse, et une pression négative est prédominante à l'orifice d'échappement 21 au stade final de la course de ba- layage, favorisant ainsi le contournement de la charge nou- velle, ce qui augmente la quantité d'hydrocarbures imbrûlés dans les gaz d'échappement. De surcroît, étant donné que la quantité de charge nouvelle délivrée au moteur est modeste lorsque l'ouverture du papillon d'étranglement est faible, un raté d'allumage est susceptible de se produire et la concentration des gaz d'échappement en hydrocarbures est accrue davantage encore. Dans cette forme de réalisation, un clapet limiteur 24 est implanté à l'extrémité postérieure de la tubulure d'échappement 22 de telle sorte que ce clapet limiteur 24 ré- duise la section transversale du passage d'échappement, lors- que l'ouverture du papillon d'étranglement est faible, pour opposer une résistance au flux des gaz d'échappement. Etant donné que, de la sorte, le niveau de la pression des gaz d'échappement peut être augmenté, la pression négative pou- vant être engendrée à l'orifice d'échappement 21, au stade final de la course de balayage, est accrue jusqu'à devenir une pression positive, ce qui permet d'empêcher le contourne- ment de la charge nouvelle. Comme illustré sur la figure 2, le clapet limiteur 24 est disposé à l'intérieur d'une chambre de régulation 41 à laquelle donne naissance un renflement de l'extrémité posté- rieure de la tubulure d'échappement 22. Cette tubulure 22 est reliée à une région antérieure infundibuliforme 23a du silen- cieux 23. Sur la figure 2, des pointillés symbolisent l'ex- trémité postérieure d'une tubulure d'échappement classique, non pourvue de la chambre de régulation 41 et raccordée à la région infundibuliforme 23a du silencieux 23. La figure 3 est une élévation latérale de la chambre de régulation 41, la figure 4 étant une coupe selon la ligne IV-IV de la figure 3. Le clapet limiteur 24 est un clapet du type papillon, calé rigidement sur une broche 25 s'étendant transversalement en travers de la chambre de régulation 41. Une poulie 26 est assujettie à l'une des extrémités de la broche 25, faisant saillie au-delà de la paroi latérale de la chambre 41. Une protubérance 27 dépasse radialement, vers l'extérieur, au-delà de la circonférence de la poulie 26. Des butées 28 et 29 conçues pour limiter, à 90 , la plage de mou- vements angulaires de la poulie 26 sur la broche 25, font saillie de la surface externe de la paroi de la chambre 41. La protubérance 27 se trouve dans la zone comprise entre les butées 28 et 29. De ce fait, la poulie 26, la broche 25 et le clapet limiteur 24 sont en mesure de tourner dans une plage angulaire d'environ 90 , entre une position dans laquelle la protubérance est en contact avec la butée 28, et une position dans laquelle cette protubérance touche l'autre butée 29. Un ressort de torsion 30 est interposé entre la poulie 26 et la paroi de la chambre de régulation 41, de manière à solliciter la poulie 26 vers une position dans laquelle la protubérance 27 est en contact avec la butée 28, comme repré- senté sur la figure 3. Lorsque la protubérance 27 est en con- tact avec la butée 28, le clapet limiteur 24 s'étend pour l'essentiel perpendiculairement aux axes de la tubulure d'échappement 22 et de la chambre 41. Le diamètre extérieur du clapet 24 est plus petit que le diamètre de la chambre 41. Ainsi, cette chambre 41 n'est pas totalement fermée par le clapet 24 et un interstice 32 est réservé, entre le clapet 24 et la paroi de la chambre 41, lorsque la protubérance 27 est appliquée contre la butée 28. Un câble 31 est enroulé autour de la poulie 26 par l'une de ses régions extrêmes, et présente une extrémité 31a assujettie à ladite poulie 26. Lorsque le câble 31 est tiré dans la direction de la flèche a (figure 3) de telle sorte que ce câble 31 soit déroulé de la poulie 26, une rotation d'environ 90 est imprimée à la poulie 26 jusqu'à ce que la protubérance 27 vienne se plaquer contre l'autre butée 29, auquel cas le clapet limiteur 24 s'étend parallèlement à l'axe de la tubulure d'échappement 22, afin d'ouvrir intégra- lement cette tubulure 22. La figure 5 est une vue typique du moteur et des élé- ments constitutifs associés. Les gaz d'échappement, évacués dans la tubulure d'échappement 22 en provenance du moteur 16, accusent une expansion dans une chambre d'expansion 33 du si- lencieux 23 et sont ensuite déchargés vers l'arrière du si- lencieux 23, en traversant un diffuseur 34. Le câble 31 par- court un tube fixe de guidage 35 (figure 3), avec faculté de coulissement, et l'autre extrémité du câble 31 est reliée à un attache-câble 36 assujetti au châssis en un emplacement approprié. L'attache-câble 36 est doté de poulies 37a et 37b, re- liées coaxialement l'une à l'autre en vue d'une rotation con- jointe. Le câble 31 est relié à une pièce de liaison 31b so- lidaire de la poulie 37a. Un câble d'étranglement 38a est re- lié, par l'une de ses extrémités, à une poignée d'étrangle- ment non illustrée, montée sur le guidon 6, l'autre extrémité dudit câble étant reliée à une pièce de liaison 38c assujet- tie à la poulie 37b. L'une des extrémités d'un second câble d'étranglement 38b est reliée, par une pièce de liaison 38d, à l'autre extrémité du câble d'étranglement 38a, l'autre extrémité de ce second câble étant reliée à un papillon d'étranglement 39 du carburateur 18. Lorsque la poignée d'étranglement est actionnée de ma- nière à tirer le câble d'étranglement 38a dans la direction de la flèche a, le câble d'étranglement 38b est tiré dans la direction de la flèche a et le papillon d'étranglement 39 est amené à une position repérée par un pointillé, afin de provo- quer une large ouverture dudit papillon 39, ce qui implique que le moteur 16 fonctionne à grande vitesse. Lorsque le câ- ble d'étranglement 38a est tiré de la sorte, la poulie 37a tourne dans le sens anti-horaire en considérant la figure 5, en même temps que la poulie 37b, pour tirer le câble 31 dans la direction de la flèche a (figure 3), jusqu'a ce que la protubérance 27 soit mise au contact de la butée 29. Le cla- pet limiteur 24 est ainsi placé dans une position d'ouverture intégrale, telle qu'illustrée par un trait plein sur la figu- re 5, de manière à exploiter en bonne et due forme la pres- sion pulsatoire des gaz d'échappement, en vue d'augmenter la puissance de sortie du moteur. Lorsqu'une rotation de la poignée d'étranglement est autorisée dans la direction opposée, les câbles d'étrangle- ment 38a, 38b et le câble 31 sont déplacés, par des ressorts de rappel, dans une direction opposée à la direction de la flèche a. Le papillon d'étranglement 39 est en conséquence ouvert faiblement, et le clapet limiteur 24 est amené à une position de restriction telle qu'indiquée par un pointillé sur la figure 5. De ce fait, l'ouverture du clapet limiteur 24 varie en fonction de l'ouverture du papillon 39, et réduit la section transversale du passage d'échappement lorsque l'ouverture dudit papillon 39 est faible. A la place de l'attache-câble 36, il est possible d'utiliser un dispositif comprenant un détecteur d'étrangle- ment conçu pour détecter l'ouverture du papillon d'étrangle- ment 39, ainsi qu'un servomoteur destiné à entraîner le cla- pet limiteur 24 conformément à la position dudit papillon 39. Les auteurs de la présente invention ont établi que l'effet exercé par le clapet limiteur 24 sur la réduction de la concentration des gaz d'échappement en hydrocarbures, lorsque l'ouverture du papillon d'étranglement 39 est faible et lorsque le moteur fonctionne à faible vitesse, est forte- ment dépendant de la valeur de Kv, comme décrit ci-dessous. La figure 6 illustre, schématiquement, un cylindre 40 du moteur 16, la tubulure d'échappement 22 raccordée audit cylindre 40 (la chambre de régulation 41 n'étant pas repre- sentée) et le clapet limiteur 24 prévu dans ladite tubulure 22. Kv = D/C, expression dans laquelle C est la capacité de refoulement du cylindre 40 (si la tubulure 22 est raccordée à une pluralité de cylindres, C est la somme des capacités de refoulement respectives de la pluralité de cylindres), et D désigne le volume de l'espace interne d'un segment de la tubulure 22 compris entre la surface du cylindre, c'est-à- dire l'orifice d'échappement 21 de ce cylindre, et le clapet limiteur 24. La figure 7 est un graphique représentant la variation du taux de réduction des hydrocarbures (taux d'épuration), calculé sur la base de la concentration mesurée des gaz d'échappement en hydrocarbures, c'est-à-dire le rapport, ex- primé en pourcentage, entre la quantité d'hydrocarbures ré- duite grâce à l'effet exercé par le clapet limiteur 24, et la quantité d'hydrocarbures renfermée par les gaz d'échappement lorsque le clapet limiteur 24 n'est pas utilisé pour trois moteurs présentant des cylindrées respectivement différentes, graphique sur lequel Kv est mesuré sur l'axe de l'abscisse et le taux de réduction des hydrocarbures est mesuré sur l'axe de l'ordonnée. Les courbes E, F et G se rapportent, respecti- vement, aux moteurs précités. La cylindrée du moteur corres- pondant à la courbe E est la plus grande, et celle du moteur correspondant à la courbe G est la plus petite. Comme le met en évidence la figure 7, le taux de ré- duction des hydrocarbures est fortement dépendant de la va- leur de Kv, et la valeur de Kv doit être comprise dans la plage de 1 à 5 pour réduire efficacement la concentration en hydrocarbures à un taux de réduction de 20 % ou plus. Le clapet limiteur 24 disposé dans la tubulure d'échappement 22 limite le flux des gaz d'échappement, de façon à augmenter la résistance à l'échappement, et l'onde de pression des gaz d'échappement est réfléchie à l'extrémi- té de décharge de la tubulure d'échappement 22 débouchant dans la chambre de régulation 41, si bien que la puissance de sortie du moteur est diminuée. Les auteurs de la présente invention ont établi que le degré de diminution de la puissance de sortie du moteur est fortement tributaire de la valeur de Ka. Ka = B/A, expression dans laquelle A est la section transversale de la tubulure d'échappement 22, et B désigne la section transversale de la chambre de régulation 41 (figure 2). La figure 8 est un graphique représentant la variation du taux maximal de puissance de sortie exprimant, en pourcen- tage, le rapport existant entre la puissance de sortie maxi- male de chacun des moteurs susmentionnés lorsque la tubulure d'échappement 22 est équipée du clapet limiteur 24, et la puissance maximale de sortie des mêmes moteurs lorsque la tu- bulure 22 n'est pas équipée dudit clapet 24, avec la présence de Ka. Comme le révèle clairement la figure 8, le taux de di- minution de la puissance de sortie est de 5 % ou moins, pour tous les moteurs, lorsque Ka se situe dans la plage comprise entre 1,1 et 1,35. De ce fait, conformément à la présente invention, la tubulure d'échappement 22 et la chambre de régulation 41 sont conçues de telle manière que 1 ' Kv s 5 et que 1,1 Sur la figure 9, l'abscisse indique la valeur du déca- lage, le point central zéro représentant l'alignement de l'axe médian C1 avec C2; le côté gauche indique, par le si- gne "-", la valeur du décalage e vers le bas; et le côté droit indique, par le signe "+", la valeur du décalage e vers le haut. Comme le met en lumière la figure 9, la puissance ma- ximale de sortie du moteur décroît au fur et à mesure de l'augmentation du décalage de l'axe médian C2 de la chambre de régulation 41 par rapport à l'axe médian C1 de la tubulure d'échappement 22. C'est pourquoi il est souhaitable que les axes médians C1 et C2 soient mutuellement alignés. Conformément à la présente invention, comme le révèle la description qui précède, dans un moteur à deux temps ti- rant parti de la pression pulsatoire des gaz d'échappement pour accroitre la puissance de sortie lorsque ledit moteur fonctionne à grande vitesse, l'augmentation de la concentra- tion des gaz d'échappement en hydrocarbures, susceptible de se produire lorsque l'ouverture du papillon d'étranglement est faible et lorsque le moteur fonctionne à faible vitesse, peut être supprimée sans n'impliquer aucune diminution nota- ble de la puissance de sortie. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au système décrit et représenté, sans sortir du cadre de l'invention. -R E V E N D I C A T I ON- j- Système d'échappement pour un moteur à deux temps, comprenant une tubulure d'échappement (22) munie d'une zone renflée servant de chambre de régulation (41), et un clapet limiteur (24) logé dans la chambre de régulation (41) et en prise interactive avec le papillon d'étranglement (39) du moteur (16) à deux temps, de manière à réduire la section transversale du passage des gaz d'échappement lorsque l'ou- verture du papillon d'étranglement (39) est faible, système caractérisé par le fait que le clapet limiteur (24) est dis- posé en un emplacement satisfaisant à une relation d'inégali- té 1 ' Kv ' 5 dans laquelle Kv est le rapport existant entre la cylindrée du moteur (16) à deux temps et le volume de l'espace interne d'un segment de la tubulure d'échappement (22) compris entre la surface du cylindre (40) du moteur (16) à deux temps et le clapet limiteur (24), et la chambre de ré- gulation (41) présente une section transversale satisfaisant à une relation d'inégalité 1,1 ' Ka s 1,35 dans laquelle Ka est le rapport existant entre la section transversale (B) de la chambre de régulation (41) et la section transversale (A) de la tubulure d'échappement (22).