Brevet FR2733792A1 — publié le 19961108

L'invention concerne un dispositif pour l'admission et l'échappement dans un moteur thermique à quatre temps, ainsi qu'un moteur thermique à quatre temps équipé d'un tel dispositif. Un moteur thermique à quatre temps traditionnel comprend généralement un bâti comportant une pluralité de cylindres moteurs dans lesquels coulissent des pistons moteurs, ces pistons moteurs étant reliés par l'intermédiaire de bielles à un vilebrequin moteur. L'admission en air de combustion ou en mélange de combustion est effectuée au niveau de la culasse par des soupapes d'admission généralement rappelées par ressort, qui sont actionnées en ouverture par l'intermédiaire d'un arbre à cames entraîné en rotation depuis le vilebrequin en fonction du cycle moteur. De manière analogue, I'échappement s'effectue par un ensemble de soupapes d'échappement généralement rappelées par ressort, qui sont commandées par le même arbre à cames ou un second, en fonction du cycle moteur. Un inconvénient de tels dispositifs d'admission/échappement par soupapes est la nécessité de conserver à l'intérieur du cylindre, au niveau de la culasse, un espace minimum nécessaire à la course de la soupape. Cet impératif constructif limite la course du piston, et donc le taux de compression qui peut être obtenu en position extrême haute du piston (point mort haut PMH). Un autre inconvénient est lié aux turbulences défavorables engendrées par la tête de soupape dans le flux admis à l'intérieur de la chambre de combustion. Ces turbulences sont particulièrement difficiles à prévoir et à contrôler, ce qui entraîne souvent une répartition irrégulière du mélange combustible dans la chambre de combustion. Notamment, on ne parvient à obtenir un remplissage satisfaisant de la chambre de combustion que sur une plage limitée du régime moteur. La même observation est valable pour le flux d'échappement des gaz brûlés, avec comme conséquence une évacuation incomplète de ces gaz brûlés. En outre, le mécanisme d'actionnement des soupapes comprend un nombre élevé de pièces qui se trouvent en position excentrée par rapport à l'axe principal moteur défini par le vilebrequin, et notamment des éléments de transformation d'un mouvement rotatif en mouvement translatif des soupapes. Cette construction provoque notamment des vibrations, une usure relativement élevée des pièces, et la nécessité de réglages délicats renouvelés. Jusqu'à présent, on a cherché à réduire tout ou partie des inconvénients de ce type de dispositif soit en multipliant le nombre de soupapes, soit en modifiant le dispositif d'actionnement des soupapes, par exemple au moyen d'un actionnement par double arbre à cames (un pour ouvrir, un second pour fermer). Ces évolutions n'ont pas permis de réduire au-delà d'une certaine mesure les inconvénients mentionnés ci-dessus du dispositif d'admission/échappement par soupapes. Un des buts de l'invention est de proposer un dispositif d'admission et d'échappement pour un moteur thermique à quatre temps qui élimine les inconvénients cités ci-dessus, et permette de réaliser une distribution rapide et égale du mélange combustible, une compression améliorée, un échappement plus rapide et plus complet des gaz brûlés. Un autre but de l'invention est de simplifier l'entraînement d'un tel dispositif, de réduire les vibrations et l'usure du dispositif. Un autre but de l'invention est de proposer un moteur à quatre temps équipé d'un dispositif d'admission et d'échappement offrant de telles performances. A cet effet, le dispositif d'admission et d'échappement pour un moteur thermique du type à quatre temps selon l'invention, moteur dans lequel au moins un piston moteur coulisse dans un cylindre moteur, le piston comportant un axe sur lequel est montée à rotation une bielle de liaison avec un vilebrequin commun, le cylindre étant relié à une voie d'alimentation en air de combustion et à une voie d'échappement des gaz brûlés, est caractérisé par le fait que le cylindre moteur communique par au moins une fenêtre d'admission avec un cylindre d'admission, luimême relié à la voie d'alimentation en air de combustion, dans lequel coulisse un piston d'admission, et par au moins une fenêtre d'échappement avec un cylindre d'échappement, lui-même relié à la voie d'échappement des gaz brûlés, dans lequel coulisse un piston d'échappement, les pistons d'admission et d'échappement étant actionnés dans les cylindres d'admission et d'échappement depuis le vilebrequin par un mécanisme d'actionnement de façon à obturer ou libérer les fenêtres d'admission et d'échappement en fonction du cycle moteur. Les cylindres d'admission et d'échappement sont généralement disposés accolés latéralement au cylindre moteur parallèlement à celui-ci. Les fenêtres d'admission et d'échappement sont de préférence situées dans la paroi cylindrique du cylindre moteur. De préférence, les fenêtres présentent des montants orientés selon la direction de déplacement du piston moteur. Egalement, les bords latéraux des fenêtres et/ou des montants peuvent être dirigés perpendiculairement à la paroi du cylindre moteur, ou bien suivant une corde de la paroi du cylindre moteur, selon l'effet recherché. Notamment, une forme de réalisation préférée prévoit que l'admission se fait suivant une corde et l'échappement de manière radiale. Les bords latéraux des fenêtres et/ou des montants peuvent en outre être incurvés en forme de déflecteurs. De préférence, la tête des pistons d'admission est en forme de déflecteur. La tête des pistons d'échappement peut également être en forme de déflecteur. Selon une forme de réalisation préférée, le mécanisme d'actionnement de chaque piston d'admission ou d'échappement consiste en une bielle articulée par une extrémité sur un axe du piston et présentant à son extrémité opposée un doigt latéral qui est inséré et maintenu mobile à l'intérieur d'une came creusée dans une roue dentée entraînée par un pignon solidaire du vilebrequin, la came définissant un tracé en forme de boucle. Le tracé défini par la came est généralement une boucle régulière convexe et excentrée. La roue dentée est avantageusement montée libre en rotation sur un palier-support solidaire du bâti du moteur. Les parois latérales de la came peuvent être inclinées et convergentes de la surface vers le fond de la came, et le doigt est alors de forme tronconique. Le doigt peut en outre être équipé d'un ou plusieurs roulements il s'agit de préférence d'un roulement unique à aiguilles tronconiques. La bielle des pistons d'admission et d'échappement est avantageusement maintenue par un guide comprenant des butées en positions latérales et en position opposée à la came, dites butées latérales et butée arrière, de façon à conserver en permanence la liaison fonctionnelle entre la came et le doigt latéral. Ces butées peuvent être par exemple des roulements latéraux et arrières, le roulement arrière étant monté sur un axe fixe et les roulements latéraux étant montés sur des axes amortis élastiquement, de façon à compenser les mouvements de balancier de la bielle au cours d'un cycle moteur et à les transformer en un mouvement de translation. Avantageusement, chaque roue dentée comporte une came sur chacune de ses faces, la roue dentée étant commune au mécanisme d'actionnement de deux pistons d'admission et/ou d'échappement. L'invention concerne également un moteur thermique à quatre temps dont les cylindres moteurs sont équipés d'un dispositif d'admission et d'échappement selon l'invention. On comprendra mieux l'invention à la lecture de la description suivante d'un exemple de réalisation effectuée en référence aux dessins accompagnants parmi lesquels la figure 1 est une vue en plan partielle en coupe transversale d'un cylindre d'un moteur équipé d'un dispositif d'admission et d'échappement à pistons selon l'invention;; la figure 2 est une vue en coupe transversale suivant la ligne ll-ll de la figure 1 de ce cylindre la figure 3 est une vue en coupe transversale suivant la ligne 111-111 de la figure 1 de ce cylindre, montrant un mécanisme d'actionnement des pistons d'admission et d'échappement la figure 4 est une vue frontale de ce mécanisme la figure 5 est une vue frontale en coupe transversale suivant la ligne V-V de la figure 3 de ce mécanisme la figure 6 est une vue de détail en plan en coupe transversale suivant la ligne VI-VI de la figure 5 de ce mécanisme. Les figures 1 à 3 présentent un exemple d'application d'un dispositif d'admission et échappement par pistons selon l'invention à un moteur thermique à quatre temps. Ce moteur comprend de manière traditionnelle une pluralité de cylindres moteurs tels que 1, dans lesquels coulissent des pistons moteurs tels que 2, ces pistons moteurs 2 comportant un axe 3 sur lequel sont montées par une de leurs extrémités des bielles moteur 4 dont l'autre extrémité est montée sur un arbre moteur ou vilebrequin 5 commun. Les cylindres moteurs 1 sont généralement orientés perpendiculairement à l'axe du vilebrequin 5 ou axe principal 6 du moteur, comme représenté. On désigne par 7 la paroi cylindrique ou chemise du cylindre moteur 1 et par 8 sa culasse, par 9 le toit du piston moteur 2 et par 10 sa paroi périphérique ou jupe de coulissement. L'allumage est effectué au niveau de la culasse 8 de chaque cylindre 1 par une bougie 11, qui est généralement placée en position centrale. Les éléments du moteur n'intervenant pas directement dans le fonctionnement du dispositif selon l'invention n'ont pas été représentés (notamment, le système d'injection du combustible). Pour une description plus détaillée du moteur en tant que tel, autre que pour la partie se rapportant à l'objet de la présente invention, on pourra se référer aux ouvrages spécialisés. Chaque cylindre moteur 1 est relié à une voie d'alimentation en air ou en mélange de combustion désignée par la flèche 12 et une voie d'évacuation des gaz brûlés désignée par la flèche 13 (figure 2). Plus précisément, le cylindre moteur 1 communique par deux fenêtres d'admission 14A et 15A avec deux cylindres d'admission 16A et 17A reliés à la voie d'alimentation en air de combustion 12, dans chacun desquels coulisse un piston d'admission respectivement 18A et 19A, et par deux fenêtres d'échappement 14E et 15E avec deux cylindres d'échappement 16E et 17E reliés à la voie d'évacuation des gaz brûlés 13, dans chacun desquels coulisse un piston d'échappement respectivement 18E et 19E. Les fenêtres d'admission et d'échappement 14, 15 sont ménagées dans la paroi latérale 7 du cylindre moteur 1. Cette disposition libère totalement la culasse 8 de tout élément du dispositif d'admission et d'échappement. Celle-ci peut ainsi être rapprochée de la position extrême haute du piston moteur 2 (point mort haut PMH), de telle sorte que l'on peut augmenter considérablement le taux de compression. Egalement, lorsque l'injection du combustible a lieu directement dans la chambre de combustion, la culasse 8 peut être pourvue de plusieurs points d'injection et/ou d'allumage répartis sur l'ensemble de sa surface. Chaque piston d'admission 18A, 19A est mobile entre une position de fermeture obturant totalement la fenêtre d'admission 14A, 15A, représentée en trait interrompu sur la figure 2, et une position d'ouverture libérant totalement la fenêtre d'admission 14A, 15A, représentée en trait continu. De manière analogue, chaque piston d'échappement 18E, 19E est mobile entre une position de fermeture obturant totalement la fenêtre d'échappement 14E, 15E, représentée en trait continu sur la figure 2, et une position d'ouverture libérant la fenêtre d'échappement 14E, 15E, représentée en trait interrompu. On précise que la liaison avec les voies d'alimentation 12 et d'évacuation 13 s'effectuant par le haut des cylindres d'admission et d'échappement 16, 17, la position de fermeture correspond au point mort haut (PMH) des pistons 18, 19 et la position d'ouverture correspond au point mort bas (PMB). Les cylindres d'admission et d'échappement 16, 17 sont disposés latéralement au cylindre moteur 1, parallèlement à celui -ci. Cette disposition permet une construction compacte, et simplifie l'actionnement des pistons d'admission et d'échappement 18, 19 comme il sera décrit plus loin. De préférence, les deux cylindres d'admission 16A, 17A sont disposés en position symétrique à celle des deux cylindres d'échappement 16E, 17E de part et d'autre de l'axe principal 6 du moteur (voir figure 1). En variante, les cylindres d'admission 16A et 17A d'une part, et les cylindres d'échappement16E et 17E d'autre part, pourraient être au contraire en position symétrique par rapport au cylindre moteur. La disposition correspondante des fenêtres d'admission et d'échappement respectivement 14A et 15A, 14E et 15E permet d'assurer dans la chambre de combustion une bonne répartition du mélange gazeux dans la phase d'admission, et une bonne évacuation des gaz brûlés dans la phase d'échappement. Les fenêtres d'admission et d'échappement 14, 15 présentent des montants tels que 20 de préférence sensiblement parallèles au sens de déplacement du piston moteur 2. Ces montants 20 permettent notamment de contenir les segments du piston moteur 2. On notera que les segments du piston moteur doivent être bloqués en rotation, comme c'est le cas pour les moteurs deux temps, afin de ne pas accrocher les bords 21, 22 des fenêtres 14, 15. Il en va de même, le cas échéant, pour les segments des pistons d'admission et d'échappement 17. Par ailleurs, la forme particulière des segments sera choisie selon le cas parmi les différents types de segments destinés aux moteurs deux ou quatre temps. Egalement, les montants 20 des fenêtres d'admission et/ou d'échappement 14, 15, ainsi que les bords 21, 22 des fenêtres, peuvent être conformés de manière à engendrer une turbulence verticale ou horizontale. Ainsi, en alternative à la conformation de la figure 1, les montants 20 et les bords 21, 22 pourraient être orientés en forme de déflecteurs suivant une corde du cylindre moteur, en vue de créer un effet de turbulence, en étant plans ou incurvés. En effet, il pourrait par exemple s'avérer avantageux d'orienter le flux d'admission suivant une corde et le flux d'échappement de manière radiale. La hauteur des fenêtres 14, 15 est toujours inférieure à la course des pistons d'admission et d'échappement 18, 19. De préférence, les fenêtres 14, 15 sont comprises entre les segments du piston 18, 19 correspondant, de façon à rendre le fonctionnement plus silencieux. De manière générale, les paramètres dimensionnels (hauteur, largeur, position, orientation des bords) des fenêtres 14, 15 sont définis en fonction du choix du diagramme de distribution et du rapport alésage/course. La tête des pistons d'admission 18A, 19A est en forme de déflecteur orienté depuis le côté opposé de la paroi du cylindre d'admission 16A, 17A vers la fenêtre 14A, 15A dans le sens de l'admission. Le but poursuivi est de favoriser l'entrée de l'air de combustion vers la chambre de combustion, ainsi que de créer une turbulence verticale. La forme particulière, plane ou incurvée de manière régulière ou non, peut être déterminée par calcul et/ou expérimentation en fonction de l'effet recherché. De plus, on obtient l'effet complémentaire suivant, que le piston 18A, 19A oppose moins de résistance à la colonne d'air au moment de la fermeture, diminuant ainsi les effets d'onde de choc. La tête des pistons d'échappement 18E, 19E peut être plate, ou bien également en forme d'un déflecteur, orienté depuis la fenêtre d'échappement 14E, 15E vers le côté opposé de la paroi du cylindre d'échappement 16E, 17E dans le sens d'échappement, comme représenté. Un avantage important du dispositif selon l'invention est que les fenêtres d'admission 14A, 15A peuvent être totalement libres au moment où le piston moteur 2 commence sa course du PMH au PMB, de manière à conjuguer l'effet de dépression des pistons d'admission avec celui du piston moteur, et à obtenir ainsi une vitesse d'entrée plus importante de l'air de combustion et un remplissage optimal du cylindre. Un effet analogue peut être obtenu avec les pistons d'échappement 18E, 19E au moment de l'échappement. De manière générale, le dispositif selon l'invention permet d'obtenir un remplissage optimal du cylindre moteur et donc un rendement thermodynamique élevé sur une plage élargie du régime moteur et notamment pour des régimes lents. Dans l'exemple de réalisation présenté, les pistons d'admission et d'échappement 18, 19 sont entraînés à partir du vilebrequin 5 du moteur par un mécanisme d'actionnement qui est représenté plus en détail sur les figures 3 à 6. Ce mécanisme d'actionnement est constitué, pour chaque piston 18, 19 comportant un axe 23, par une bielle 24 dont une extrémité est montée à rotation sur l'axe 23 du piston 18 ou 19, et l'autre extrémité présente un doigt latéral 25 qui est guidé à l'intérieur d'une came 26 creusée dans une roue dentée 27, elle -même entraîné par un pignon 28 solidaire du vilebrequin 5 du moteur. La roue dentée 27 est logée dans un palier-support 29 solidaire du bâti du moteur. L'entraînement par le pignon 28 se fait suivant un rapport réducteur 2/1 (un tour pour deux tours du vilebrequin). La came 26 définit un tracé en boucle, qui est déterminé théoriquement ou expérimentalement selon le mouvement recherché pour le piston d'admission ou d'échappement 18, 19 correspondant en fonction du cycle moteur. Ce tracé présente généralement une forme régulière convexe et excentrée. Comme il est visible sur la figure 5, la came 26 présente des parois latérales inclinées convergentes de son ouverture vers son fond, et le doigt 25 de la bielle 24 correspondante est de forme tronconique s'emboîtant précisément dans la came 26 (figures 5 et 6). En outre, le doigt 25 présente un ensemble de roulements ou un roulement unique à aiguilles 30 destiné à faciliter le déplacement du doigt le long de la came 26. Afin d'assurer en permanence la liaison fonctionnelle entre le doigt 25 et la came 26, la tige de chaque bielle 24 est maintenue dans un guide 31 comportant des butées en positions latérales et en position opposée à la came 26, dites butées latérales et arrière. Ces butées sont ici des roulements respectivement latéraux 32, 33 et arrière 34, le roulement arrière 34 étant monté sur un axe fixe 38, et les roulements latéraux 32, 33 étant montés sur des axes 35, 36 amortis élastiquement par des ressorts 37, de façon à permettre les oscillations de la tige de bielle au cours du mouvement et à absorber les vibrations liées aux changements de sens des efforts exercés au cours du mouvement du doigt dans la came, tout en assurant le transfert du mouvement rotatif de la came 26 en mouvement de translation de la bielle 24. De manière préférée, une même roue dentée 27 porte une deuxième came 39 sur son autre face de façon à entraîner un deuxième piston d'admission ou d'échappement 18, 19, comme on peut le voir sur les figures 4 et 5. Une telle conformation, qui est notamment facilitée par la disposition symétrique des cylindres d'admission et d'échappement 16, 17, permet de réduire encore le nombre de pièces en mouvement, et de réaliser une construction encore plus compacte. Bien entendu, le tracé de la deuxième came 39 est indépendant du tracé de la première came 26. Le dispositif selon l'invention ne nécessite pas de réglage délicat. Au contraire, un réglage initial de la position du toit des pistons d'admission dans les positions d'extrémités est suffisant. Le mécanisme d'actionnement des pistons d'admission et d'échappement comprend un nombre de pièces peu élevé. Sa conformation libère un espace maximal pour la conformation de la came. Egalement, les masses statiques et en mouvement sont situées à proximité de l'axe de rotation principal du vilebrequin, ce qui réduit les vibrations. De manière générale, L'ensemble est plus compact, et le barycentre disposé plus bas. Le refroidissement est amélioré du fait que les cylindres d'admission et d'échappement sont directement entourés par le circuit de refroidissement, autorisant un dégagement de chaleur accru. REVENDICATIONS 1. Dispositif d'admission et d'échappement pour un moteur thermique à quatre temps, moteur dans lequel au moins un piston moteur (2) se déplace dans un cylindre moteur (1), le piston (2) comportant un axe (3) sur lequel est montée à rotation une bielle (4) de liaison avec un vilebrequin commun (5), le cylindre (1) étant relié à une voie d'alimentation (12) en air ou mélange de combustion et à une voie d'évacuation (13) des gaz brûlés, caractérisé par le fait que le cylindre moteur (1) communique par au moins une fenêtre d'admission (14A, 15A) avec un cylindre d'admission (16A, 17A), lui-même relié à la voie d'alimentation (12) en air ou mélange de combustion, dans lequel coulisse un piston d'admission (18A, 19A) et par au moins une fenêtre d'échappement (14E, 15E) avec un cylindre d'échappement (16E, 17E), lui-même relié à la voie d'évacuation (13) des gaz brûlés, dans lequel coulisse un piston d'échappement (18E, 19E), les pistons d'admission et d'échappement (18, 19) étant entraînés dans les cylindres d'admission et d'échappement (16, 17) depuis le vilebrequin (5) par un mécanisme d'actionnement de façon à obturer ou libérer les fenêtres d'admission et d'échappement (14, 15) en fonction du cycle moteur. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les cylindres d'admission et d'échappement (16, 17) sont disposés accolés latéralement au cylindre moteur (1) parallèlement à celui ci. 3. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé par le fait que les fenêtres d'admission et d'échappement (14, 15) sont situées dans la paroi cylindrique du cylindre moteur (1). 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que les fenêtres (14, 15) présentent des montants (20) dirigés selon la direction de déplacement du piston moteur (2). 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que les bords latéraux des fenêtres d'admission (14) et/ou des montants (20) de ces fenêtres (14) sont dirigés suivant une corde de la paroi du cylindre moteur (1). 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait que les bords latéraux des fenêtres d'échappement (15) et/ou des montants (20) des ces fenêtres (15) sont dirigés perpendiculairement à la paroi du cylindre moteur ( 1 ) . 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé par le fait que les bords latéraux des fenêtres (14, 15) et/ou des montants (20) sont incurvés en forme de déflecteur. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé par le fait que la tête des pistons d'admission (18A, 19A) est en forme de déflecteur. 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé par le fait que la tête des pistons d'échappement (18E, 19E) est en forme de déflecteur. 10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé par le fait que le mécanisme d'actionnement de chaque piston d'admission ou d'échappement (18, 19) consiste en une bielle (24) articulée par une extrémité sur un axe (23) du piston (18, 19) et présentant à son extrémité opposée un doigt latéral (25) qui est inséré et maintenu mobile à l'intérieur d'une came (26) creusée dans une roue dentée (27) entraînée par un pignon (28) solidaire du vilebrequin (5), la came (26) définissant un tracé en forme de boucle. 11. Dispositif selon la revendication 10, caractérisé par le fait que le tracé défini par la came (26) est une boucle régulière convexe et excentrée. 12. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 10 à 11, caractérisé par le fait que la roue dentée (27) est monté libre en rotation sur un palier-support (29) solidaire du bâti du moteur. 13. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 10 à 12, caractérisé par le fait que les parois latérales de la came (26) sont inclinées et convergentes depuis l'ouverture vers le fond de la came (26), et le doigt (25) est de forme tronconique. 14. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 10 à 13, caractérisé par le fait que le doigt (25) est muni d'un ensemble de roulements. 15. Dispositif selon les revendications 13 et 14, caractérisé par le fait que le doigt est muni d'un roulement unique (30) à aiguilles tronconiques. 16. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 10 à 15, caractérisé par le fait que la bielle (24) est maintenue par un guide (31) comprenant des butées en positions latérales et en position opposée à la came, dites butées latérales (32, 33) et butée arrière (34), de façon à conserver en permanence la liaison fonctionnelle entre le doigt latéral (25) et la came (26). 17. Dispositif selon la revendication 16, caractérisé par le fait que les butées sont des roulements latéraux (32, 33) et arrière (34), le roulement arrière (34) étant monté sur un axe fixe (38) et les roulements latéraux (32, 33) étant montés sur des axes (35, 36) amortis élastiquement. 18. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 10 à 17, caractérisé par le fait que la roue dentée (27) comporte une came (26, 39) sur chacune de ses faces, cette roue dentée (27) étant commune au mécanisme d'actionnement de deux pistons d'admission et/ou d'échappement. 19. Moteur thermique à quatre temps, caractérisé par le fait que ses cylindres moteurs (1) sont équipés d'un dispositif d'admission et d'échappement selon l'une quelconque des revendications précédentes.