Brevet FR2712921A1 — publié le 19950602

SYSTEME DE REFROIDISSEMENT POUR MOTEUR A DEUX TEMPS A ALLUMAGE PAR ETINCELLES La présente invention se rapporte à un système de re- froidissement équipant un moteur à deux temps et à allumage par étincelles, ce système ayant pour effet de provoquer, au moins au stade initial d'un mode de fonctionnement sous fai- ble charge, l'auto-inflammation d'un volume d'alimentation nouveau introduit dans la chambre de combustion dudit moteur. Un moteur classique à deux temps pour automobiles, du type à allumage par étincelles, destiné à être monté sur un cycle motorisé, présente un cylindre pourvu d'un orifice d'échappement et d'un orifice de balayage pratiqués de ma- nière à être ouverts et fermés par un piston ajusté dans l'alésage dudit cylindre. Un volume d'alimentation nouveau, comprimé dans un compartiment logeant le vilebrequin, est in- troduit dans l'alésage cylindrique en empruntant l'orifice de balayage tandis que les gaz d'échappement sont expulsés en empruntant l'orifice d'échappement, le volume nouveau compri- mé dans la chambre de combustion étant enflammé par une bou- gie d'allumage. Etant donné qu'une certaine quantité du volu- me d'alimentation nouveau doit être introduite dans le cylin- dre lors d'un fonctionnement au ralenti, une soupape de limi- tation ou d'étranglement, prévue sur un conduit d'admission, doit être ouverte jusqu'à un certain degré représentant, par exemple, une ouverture égale à 10 % ou plus de l'ouverture maximale. Lorsque, dans un tel moteur classique, un orifice d'échappement de grande dimension est ménagé dans le cylin- dre, afin d'accroître la puissance de sortie et le rendement dudit moteur en mode de fonctionnement à grande vitesse et sous forte charge, le volume d'alimentation nouveau accuse un contournement et une combustion instable lorsque le moteur fonctionne sous faible charge, ce qui augmente la concentra- tion des gaz d'échappement en hydrocarbures imbrûlés, ainsi que la consommation de carburant. Pour surmonter des problèmes de ce genre, le déposant de la présente demande a mis au point un moteur à deux temps à allumage par étincelles,et a proposé ce dernier dans la de- mande de brevet japonais n 5-187488. Ce moteur antérieure- ment proposé régule le taux d'ouverture d'une valve de com- mande de l'échappement,en fonction de la vitesse du moteur et de l'ouverture de la soupape d'étranglement, de telle sorte que la pression régnant dans le cylindre soit régulée à une valeur adéquate dans une circonstance dans laquelle l'orifice d'échappement est obturé par le piston, au moins en mode de fonctionnement sous faible charge, pour faire en sorte que le volume d'alimentation nouveau, délivré à la chambre de com- bustion, s'enflamme de lui-même à un instant d'allumage pro- pice au fonctionnement adéquat du moteur. La combustion provoquée dans une atmosphère thermique activée, en commandant efficacement le réglage de l'allumage permettant un fonc- tionnement adéquat du moteur, sera désignée par 'combustion AR" (de l'an- glais: "Activated Radical Combustion") dans le cadre du présent mémoire. Le moteur à deux temps et à allumage par étincelles, apte à provoquer une combustion AR durant un tel mode de fonctionnement sous faible charge, active le volume d'alimen- tation nouveau grâce à l'énergie thermique des gaz de combus- tion. C'est pourquoi il est malaisé de provoquer une combus- tion AR lors du démarrage du moteur, car la température de la paroi de la chambre de combustion est basse. Comme illustré en particulier sur la figure 10 des dessins annexés, un moteur traditionnel 01 à deux temps et à refroidissement par eau est muni d'un thermostat 02 qui, pré- vu dans un canal à eau de refroidissement d'une culasse 05, permet à l'eau de refroidissement de circuler à faible débit, même lorsque la température du moteur est basse; d'une pompe 03 à eau de refroidissement, directement accouplée au vile- brequin non représenté; et d'une poche d'eau 04 formant des canaux à eau de refroidissement autour d'une paroi délimi- tant un alésage cylindrique non illustré, et autour d'une paroi délimitant une chambre de combustion. De ce fait, l'eau de refroidissement emprunte le canal de circulation entourant la paroi de la chambre de combustion, afin de refroidir cette paroi même immédiatement après la mise en marche du moteur; il en résulte une suppression de l'accroissement de la tempé- rature de la paroi de la chambre de combustion, ce qui rend difficile l'amorce d'une combustion AR. La présente invention concerne des perfectionnements apportés à un moteur à deux temps à allumage par étincelles, et visant à pallier les inconvénients précités. Par consé- quent, la présente invention a pour objet de fournir un sys- tème de refroidissement équipant un moteur à deux temps et à allumage par étincelles, ce système ayant pour effet de pro- voquer, au moins en mode de fonctionnement sous faible char- ge, l'auto-inflammation d'un volume d'alimentation nouveau introduit dans la chambre de combustion dudit moteur, ledit système de refroidissement comprenant un dispositif de re- froidissement d'un cylindre; et un dispositif de refroidis- sement d'une culasse, combiné parallèlement au dispositif de refroidissement du cylindre et présentant, au stade du démar- rage du moteur à deux temps, une capacité de refroidissement inférieure à celle dudit dispositif de refroidissement du cy- lindre, système caractérisé par un moyen de régulation de la température de l'eau de refroidissement, conçu pour faire augmenter la capacité de refroidissement du dispositif de refroidissement de la culasse après que la température de l'eau de refroidissement, circulant par ledit dispositif de refroidissement, a atteint une valeur prédéterminée. Conformément à la présente invention, la température de l'eau de refroidissement circulant par le dispositif de refroidissement de la culasse croit à un rythme de loin supé- rieur au rythme d'accroissement de la température de l'eau de refroidissement circulant par le dispositif refroidissant le cylindre; immédiatement après le démarrage du moteur, la température de la paroi de la chambre de combustion atteint rapidement une valeur à laquelle une combustion AR est possi- ble, ce qui a pour résultats de diminuer la concentration des gaz d'échappement en hydrocarbures imbrûlés, et d'améliorer la consommation de carburant. Lorsque la température de l'eau de refroidissement parcourant le dispositif de refroidissement de la culasse croît jusqu'à une valeur prédéterminée, le moyen de régula- tion de la température de l'eau de refroidissement a pour ef- fet de faire augmenter la capacité de refroidissement dudit dispositif refroidissant la culasse, en vue de maintenir la paroi de la chambre de combustion à une température adéquate, même lors d'un fonctionnement sous forte charge, afin d'assu- rer le fonctionnement en douceur du moteur à deux temps à al- lumage par étincelles. L'invention va à présent être décrite plus en détail, à titre d'exemples nullement limitatifs, en regard des des- sins annexés sur lesquels: la figure 1 est une coupe longitudinale du bloc cylin- drique d'un moteur à deux temps à allumage par étincelles, équipé d'un système de refroidissement selon une première forme de réalisation de la présente invention; la figure 2 est une élévation latérale du bloc cylin- drique de la figure 1; la figure 3 est une coupe transversale par-dessus, se- lon la ligne III-III de la figure 1; la figure 4 est une élévation latérale du moteur il- lustré sur la figure 1, observé à partir d'un côté opposé à celui représenté sur la figure 1; la figure 5 est une élévation latérale schématique du système de refroidissement d'après la première forme de réa- lisation; la figure 6 est un topogramme de commande; la figure 7 est un graphique mettant en évidence la variation, en fonction de la vitesse du moteur et de la vi- tesse de déplacement, de la limite d'une pression moyenne ef- fective indiquée autorisant une combustion AR, pour différen- tes températures de l'eau de refroidissement; la figure 8 est une élévation latérale d'un moteur à deux temps à allumage par étincelles, équipé d'un système de refroidissement selon une deuxième forme de réalisation de la présente invention; la figure 9 est une élévation latérale d'un moteur à deux temps à allumage par étincelles, équipé d'un système de refroidissement d'après une troisième forme de réalisation de la présente invention; et la figure 10 est une élévation latérale d'un moteur classique à deux temps, à refroidissement par eau. Il convient tout d'abord de décrire ci-après, en se référant aux figures 1 à 5, un système de refroidissement se- lon une forme de réalisation préférentielle de la présente invention. Un moteur 1 à deux temps et à allumage par étincelles, conforme à la présente invention et pourvu d'un dispositif de commande de sa soupape d'étranglement, est monté sur un cycle motorisé non illustré. Ledit moteur 1 comprend un carter 2 de vilebrequin, un bloc cylindrique 3 assujetti audit carter 2, et une culasse 4 fixée à l'extrémité supérieure du bloc cy- lindrique 3. Un piston 6, ajusté à coulissement axial dans un alé- sage cylindrique 5 façonné dans le bloc cylindrique 3, est relié à un vilebrequin 8 par une bielle de liaison 7. Le vilebrequin 8 est mené en rotation lorsque le piston se déplace axialement dans l'alésage cylindrique 5. Une tubulure d'admission 10 est raccordée à un com- partiment 9 logeant le vilebrequin dans le carter 2, un car- burateur 11 et une soupape 13 à lamelles étant agencés en succession sur ladite tubulure 10. Par l'intermédiaire d'une attache 14 et d'une biellette 15, une soupape d'étranglement 12 du carburateur 11, configurée en un piston, est reliée à un tambour d'étranglement 16 qui est à son tour relié, par un câble non illustré, à une poignée d'étranglement. Lorsque la poignée d'étranglement est animée d'une rotation dans l'une des directions, la soupape d'étranglement 12 est soulevée pour augmenter l'ouverture de l'étranglement. Un orifice de balayage 17 et un orifice d'échappement 18 sont pratiqués dans la paroi de l'alésage cylindrique 5; l'orifice de balayage 17 communique avec le compartiment 9 du vilebrequin au moyen d'un canal de balayage 19, et l'orifice d'échappement 18 est raccordé à un canal d'échappement 20. Une cavité, ménagée dans la culasse 4, définit une chambre de combustion 21 au-dessus de l'alésage cylindrique 5 du côté de l'orifice d'échappement 18, et une bougie d'allu- mage 22 est mise en place dans cette cavité. Un mélange air- carburant (c'est-à-dire un volume d'alimentation nouveau) est introduit, par l'intermédiaire de la soupape 13 à lamelles, dans le compartiment 9 dans lequel une pression négative pré- domine alors que le piston 6 accomplit une course ascendan- te; le volume nouveau est comprimé dans le compartiment 9 alors que ledit piston 6 accomplit une course descendante; et ce volume nouveau comprimé afflue à force dans la chambre de combustion lorsque l'orifice de balayage 17 est ouvert. Une part des gaz de combustion est ensuite déchargée dans le canal de balayage 19, à partir de la chambre de combustion 21, en empruntant l'orifice de balayage 17. Une course ascen- dante du piston 6 implique tout d'abord une fermeture de l'orifice de balayage 17, puis une fermeture de l'orifice d'échappement 18, après quoi le volume nouveau est comprimé dans la chambre de combustion 21. Au stade auquel le piston 6 parvient à une position avoisinant le point mort haut, le vo- lume nouveau est enflammé par la bougie d'allumage 22 ou su- bit une auto-inflammation due à l'énergie thermique des gaz de combustion résiduels. Une valve 23 de commande de l'échappement occupe une position proche de l'orifice d'échappement 18. Cette valve de commande 23 est ajustée dans un interstice 26 de largeur uni- forme, réservé entre une région évidée 24 de section trans- versale longitudinale en arc de cercle, ménagée dans le bloc cylindrique, et une pièce 25 de délimitation du canal d'échappement, pourvue d'une section transversale longitudi- nale sensiblement identique à celle de la région évidée 24, et ladite valve est supportée à pivotement dans un plan ver- tical. Comme le montre la figure 2, une biellette d'entraîne- ment 28 est calée rigidement sur un bout d'arbre menant 27 assujetti à la valve de commande 23, et ladite biellette 28 est reliée, au moyen d'un câble d'entraînement 29, à une pou- lie 31 fixée à l'arbre de sortie d'un servomoteur 30 de com- mande de l'échappement. Ce servomoteur de commande 30 imprime une rotation verticale à la valve de commande 23, afin de ré- gler cette valve 23 sur un taux d'ouverture d'échappement 8e dans la plage comprise entre 0 % et 100 %. Des bras latéraux 23b de la valve 23 de commande de l'échappement, munis d'une section transversale horizontale en U, sont logés dans des interstices 32 s'étendant sur les côtés opposés du canal d'échappement 20, si bien que seule une partie obturatrice circulaire 23a de la valve 23, desti- née à obturer l'orifice d'échappement 18, est exposée aux gaz d'échappement, et que les bras latéraux 23b n'exercent abso- lument aucune influence négative sur le flux de ces gaz d'échappement. Comme illustré sur la figure 4, le moteur 1 à deux temps et à allumage par étincelles est muni de pompes 33, 34 à eau de refroidissement, qui sont entraînées par le vilebre- quin 8. L'extrémité d'admission d'un canal 35 à eau de refroi- dissement du cylindre est raccordée, par une tubulure 37 à eau de refroidissement, à l'orifice de décharge de la pompe 33 à eau de refroidissement; l'extrémité d'admission d'un canal 36 à eau de refroidissement de la culasse est raccor- dée, par une tubulure 38 à eau de refroidissement, à l'ori- fice de décharge de la pompe 34 à eau de refroidissement; l'extrémité de sortie du canal 35 est raccordée, par l'inter- médiaire d'un thermostat 39, à l'extrémité supérieure d'un radiateur 40 de refroidissement du cylindre; et l'extrémité inférieure de ce radiateur 40 est raccordée à l'orifice d'as- piration de la pompe 33. L'extrémité de sortie du canal 36 à eau de refroidis- sement de la culasse est raccordée, avec interposition d'une vanne 41 à trois voies, à l'extrémité supérieure d'un radia- teur 42 de refroidissement de la culasse, et l'extrémité in- férieure de ce radiateur 42 communique, par l'entremise d'un raccord tubulaire 43, avec l'orifice d'aspiration de la pompe 34 à eau de refroidissement. Lorsque la température de l'eau de refroidissement de la culasse croit au-delà d'une valeur prédéterminée, une unité centrale de traitement (CPU) 45 dé- livre un signal de commande pour actionner un servomoteur 44. Ainsi, la vanne 41 à trois voies est commutée d'une position faisant communiquer le canal 36 avec le raccord tubulaire 43 et interrompant la communication entre ce canal 36 et le ra- diateur 42, à une position faisant communiquer le canal 36 avec le radiateur 42 et interrompant la communication entre ledit canal 36 et ledit raccord 43. Comme le révèle une observation de la figure 5, mon- trant typiquement une partie essentielle du moteur 1 à deux temps et à allumage par étincelles, l'ouverture 8th de la soupape d'étranglement 12 actionnée manuellement est détectée par un capteur 46 d'ouvertures de la soupape d'étranglement, tel qu'un potentiomètre, et un signal représentant l'ouvertu- re 8th de la soupape est appliqué à la CPU 45. La CPU 45 reçoit des signaux représentant une vitesse Ne du moteur, détectée par un capteur 47 de vitesses du mo- teur; une pression d'admission Pi détectée par un capteur 48 de pressions d'admission; une température Tw de l'eau de re- froidissement, mesurée par un thermomètre 49; une pression indicatrice; un instant indicatif de la génération d'une pression maximale, ou un instant d'allumage détecté par un capteur optique 50, ou bien une pression PEC en début de com- pression; l'état fonctionnel de l'embrayage; et la vitesse de la transmission. A partir de ces signaux d'entrée, la CPU 45 évalue l'état de fonctionnement du moteur 1 à deux temps et à allu- mage par étincelles, puis délivre des signaux de commande. En mode de fonctionnement se prêtant à une combustion AR, la CPU agit sur la base d'un topogramme de commande illustré sur la figure 6, spécifiant un taux d'ouverture d'échappement 8e en fonction de la vitesse Ne du moteur et de l'ouverture eth de la soupape d'étranglement, après quoi elle applique, au servomoteur 30, un signal d'entrainement A8e pour sélection- ner un taux d'ouverture d'échappement ee spécifié dans le to- pogramme. Dans le système de refroidissement illustré sur les figures 1 à 5 et présentant l'agencement structurel exposé ci-dessus, un orifice de la vanne 41 à trois voies, communi- quant avec le raccord tubulaire 43, est ouvert pour renvoyer l'eau de refroidissement vers le raccord d'aspiration de la pompe 34 à eau de refroidissement, sans que cette eau circule par le radiateur 42 refroidissant la culasse. De ce fait, l'eau parcourant le canal 36 à eau de refroidissement de la culasse n'est pas refroidie dans ledit radiateur 42, si bien que la paroi de la chambre de combustion 21 n'est pas refroi- die de manière excessive. En conséquence, la chambre de com- bustion 21 peut être rapidement réchauffée jusqu'à une tempé- rature à laquelle une combustion AR est possible. Lorsque la température de l'eau de refroidissement, circulant par le canal 36 à eau de refroidissement de la cu- lasse, croit jusqu'à la valeur prédéterminée, il en résulte une fermeture de l'orifice de la vanne 41 à trois voies qui est relié au raccord tubulaire 43, et l'ouverture d'un ori- fice de ladite vanne qui est relié au radiateur 42 refroidis- sant la culasse, ce qui permet à l'eau de refroidissement, parcourant ledit canal 36, d'affluer dans ledit radiateur 42. Par conséquent, l'eau adéquatement refroidie dans ledit ra- diateur 42 est renvoyée audit canal 36, par la pompe 34 à eau de refroidissement, afin de maintenir la température de la chambre de combustion 21 dans une plage de températures ap- propriée, de sorte que le moteur 1 à deux temps et à allumage par étincelles est en mesure de poursuivre son fonctionnement en mode combustion normale ou en mode combustion AR. Comme le révèle une observation de la figure 7, lors- que la température de l'eau de refroidissement, circulant par le canal 36 à eau de refroidissement de la culasse, croit par exemple de 50 C à 90 C, il en résulte une baisse de la pres- sion effective moyenne indiquée Pmi propice à une combustion AR, de même qu'une diminution de la vitesse limite inférieure du déplacement. De ce fait, une combustion AR est possible même si la vitesse de déplacement diminue davantage encore, le rejet d'hydrocarbures imbrûlés peut être supprimé, et la consommation de carburant peut être améliorée. Bien que la forme de réalisation illustrée sur les fi- gures 1 à 5 soit dotée de la vanne 41 à trois voies, prévue sur le trajet reliant le canal 36 à eau de refroidissement de la culasse et le radiateur 42 refroidissant cette culasse, il est également possible, dans une autre forme de réalisation, de raccorder ledit canal 36 audit radiateur 42 avec interpo- sition d'un thermostat 51, comme le montre la figure 8 sur laquelle on a supprimé la vanne 41 à trois voies et le trajet de dérivation reliant cette vanne 41 au raccord tubulaire 43. Bien que la forme de réalisation représentée sur la figure 8 ne soit pas en mesure d'accroître la température de l'eau, circulant par le canal 36, aussi rapidement que la forme de réalisation illustrée sur les figures 1 à 5, l'effet restric- tif du thermostat 51 et la résistance s'opposant au flux de l'eau de refroidissement, supérieure à celle du canal 35 à eau de refroidissement du cylindre, se traduisent par le fait que la température de l'eau circulant par le canal 36 augmen- te à un rythme supérieur au rythme d'augmentation de la tem- pérature de l'eau circulant par le canal 35, de façon telle que la température de la paroi de la chambre de combustion augmente le plus rapidement possible jusqu'à une valeur auto- risant une combustion AR. Comme représenté sur la figure 9, il est également possible de combiner,parallèlement l'un à l'autre,le canal 35 à eau de refroidissement du cylindre et le canal 36 à eau de il refroidissement de la culasse, de telle sorte que l'eau de refroidissement parcourant lesdits canaux 35 et 36 circule à travers un unique radiateur 53, sous l'action d'une unique pompe 52 à eau de refroidissement, lorsque la température de l'eau de refroidissement est élevee; et, sous l'effet d'un organe de manoeuvre 55 actionné par un signal de commande dé- livré par la CPU 45, de fermer un robinet d'isolement 54 pré- vu dans le canal 36 à eau de refroidissement de la culasse, afin d'accroître rapidement la température de l'eau de re- froidissement parcourant ledit canal 36, lorsque la tempéra- ture de l'eau de refroidissement est basse. Il va donc de soi que de nombreuses modifications peu- vent être apportées au système décrit et représenté, sans sortir du cadre de l'invention. -R E V E N D I C A T ION- Système de refroidissement équipant un moteur (1) à deux temps et à allumage par étincelles, ce système ayant pour effet de provoquer, au moins en mode de fonctionnement sous faible charge, l'auto-inflammation d'un volume d'alimen- tation nouveau introduit dans la chambre de combustion (21) dudit moteur, ledit système de refroidissement comprenant un dispositif (35, 40) de refroidissement d'un cylindre (5); et un dispositif (36, 42) de refroidissement d'une culasse (4), combiné parallèlement au dispositif de refroidissement du cy- lindre et présentant, au stade du démarrage du moteur (1) à deux temps, une capacité de refroidissement inférieure à cel- le dudit dispositif de refroidissement du cylindre, système caractérisé par un moyen (44, 45) de régulation de la tempé- rature de l'eau de refroidissement, conçu pour faire augmen- ter la capacité de refroidissement du dispositif (36, 42) de refroidissement de la culasse (4) après que la température (Tw) de l'eau de refroidissement, circulant par ledit dispo- sitif de refroidissement (36, 42), a atteint une valeur pré- déterminée.