Brevet FR2741668A1 — publié le 19970530

-1- 4 Perfectionnements aux moteurs alternatifs à combustion interne/ 6 ceux-ci comportant des culasses à soupapes concentriques La présente invention concerne une culasse de moteur alternatif à combustion 11 interne équipée d'une soupape d'admission et d'une soupape d'échappement 12 par cylindre. Les soupapes sont concentriques entre elles et le cylindre. 13 La soupape d'échappement est logée à l'intérieur de la soupape d'admission et 14 s'appuie sur celle-çi pour assurer l'étanchéité aux gaz du cylindre. La soupape d'échappement, de forme annulaire, coulisse sur un poteau central 16 qui sert de logement à l'injecteur de combustible pour les moteurs diesel ou à la 17 bougie d'allumage pour les moteurs "otto". 18 Le déplacement des deux soupapes est obtenu à l'aide d'une seule came par 19 cylindre et par l'intermédiaire d'un volume d'huile alimenté sous pression. 21 Domaine de l'invention. 23 L'invention concerne en général des moteurs alternatifs à combustion interne 24 fonctionnant selon le cycle à 4 temps équipés de culasses comportant des sou- papes d'admission et des soupapes d'échappement. 26 En particulier, elle concerne des culasses équipées d'une soupape d'admission 27 et d'une soupape d'échappement par cylindre et dont la soupape d'échappe- 28 ment est concentrique à la soupape d'admission et logée à l'intérieur de celle-çi. 29 La commande des deux soupapes pouvant être obtenue par une seule came. 31 Techniaue antérieure. 33 Dans la quasi totalité des moteurs alternatifs à combustion interne en cours de 34 production et fonctionnant selon le cycle à 4 temps, les soupapes d'admission et d'échappement sont séparées et s'appuient sur des sièges logés dans la culas- 36 se. Les déplacements des soupapes d'admission et d'échappement sont com- 37 mandés séparément. 38 Cette disposition pose des problèmes concernant: 39 la dissymétrie des déformations mécaniques et thermiques. la difficulté à orienter les flux de gaz dans le cylindre. 41 la difficulté à maitriser une stratification des gaz dans le cylindre. 42 la forme de la tête du piston par rapport au déplacement des soupapes. 43 les pertes de chaleur par les parois. 44 Tous ces problèmes sont simplifiés grâce à la présente invention. 46 Avantaaes de l'invention 48 * L'ensemble cylindre, soupapes, chambre de combustion est axisymétrique et 49 offre peu de surface refroidie. Les contraintes mécaniques et thermiques sont plus uniformes et créent donc moins de distorsions mécaniques et de concen- 51 trations de contraintes. Les pertes de chaleur par les parois sont réduites, ce qui 52 améliore le rendement global du moteur. La forme du conduit d'admission peut 53 engendrer un mouvement tournant de l'air qui est admis dans le cylindre. 2 -2- L'air frais, plus dense que les gaz de combustion qui peuvent rester dans le 6 cylindre, aura tendance à lécher les parois extérieures par effet de centrifugation, 7 limitant ainsi les pertes de calories aux parois. A la fin de la course de compres- 8 sion, les gaz chauds résiduels à faible teneur en oxygène, formeront un noyau 9 chaud central favorable à la rapidité de la combustion et à la réduction de pro- duction de NOx. 11 * La section du conduit d'échappement situé entre le diamètre extérieur de la 12 soupape d'échappement et le diamètre intérieur de la soupape d'admission peut 13 constituer un diffuseur qui optimise l'écoulement des gaz. 14 * La disposition de la soupape d'échappement est telle que sa fermeture peut être retardée après le point mort haut sans qu'il soit nécessaire de creuser un 16 logement dans la tête de piston. Il devient ainsi possible d'augmenter la quantité 17 de gaz brûlés qui resteront dans le cylindre et, en particulier, sur les moteurs à 18 2,4,8,16 cylindres pour lesquels une disposition appropriée des conduits 19 d'échappement permettra d'utiliser les pulsations de pression dûes au bouffées d'échappement d'autres cylindres. Cette augmentation de la quantité de gaz re- 21 cycles est favorable à la réduction de la production de NOx. 22 * Cette disposition des soupapes convient bien à des moteurs sur lesquels 23 I'arbre à cames serait muni d'un système de variation de calage angulaire en 24 cours de fonctionnement Ce système permet d'obtenir un taux de compression élevé au démarrage et un taux de compression réduit pour le fonctionnement à 26 forte puissance. 28 Description du fonctionnement. (voir fig nI 1) Un arbre à cames muni d'une came par cylindre pousse un " piston hydraulique 31 de commande " qui actionne les soupapes par l'intermédiaire d'un "volume 32 d'huile de commande alimenté sous pression. 33 Une partie de la course du piston de commande correspond au déplacement de 34 I'ensemble des soupapes tandis que l'autre partie de la course du piston com- mande le déplacement de la soupape d'échappement seule, la soupape d'ad- 36 mission reposant alors sur son siège. 37 Lorsque le piston de commande se trouve dans la position qui correspond à la 38 fermeture des deux soupapes, ( c'est la position représentée par la figure n 1) 39 celui-çi découvre une alimentation en huile sous pression qui a pour but de com- penser les fuites éventuelles du circuit, et surtout d'engendrer une force d'appui 41 sur la soupape d'échappement suffisante pour assurer l'étanchéité du siège 42 sans pour autant décoller la soupape d'admission du sien. Cette alimentation fait 43 également office de compensation des dilatations et des usures des pièces. La figure n 1 représente les soupapes en position fermées prêtes pour la com- 46 bustion et la détente. 48 1) Compression, combustion, détente motrice. 49 La soupape d'admission est appuyée sur son siège grâce à un système de rap- pel ( ressort mécanique ou pneumatique). 51 La soupape d'échappememt est appuyée sur la soupape d'admission qui lui sert 52 de siège. La force d'appui est assurée par une alimentation en huile sous pres 2 -3- sion qui engendre une force suffisante pour assurer l'étanchéité sans excéder la 6 force de rappel de la soupape d'admission. 7 Dans cette position, les positions respectives du piston de commande et de la 8 soupape d'échappement sont déconnectées. Il y a rattrapage automatique des 9 dilatations et des usures. 11 2) Ouverture de la soupape d'échappement. 12 Le piston de commande suit le profil de la came et isole le volume d'huile de 13 commande de l'alimentation sous pression. La pression de l'huile de commande 14 chute et la soupape d'échappement se soulève de son siège par l'effet du sys- tème de rappel de la soupape d'échappement ( ressort mécanique ou pneuma- 16 tique) et de la pression des gaz dans le cylindre. 17 Lorsque le piston de commande atteint sa butée de fin de course, la soupape 18 d'échappement est complètement levée. Les efforts sur le galet et la came sont 19 annulés par un jeu qui facilite le renouvellement des films d'huile. 21 3) Fermeture de la soupape d'échappement et ouverture de la soupape d'admis- 22 sion. 23 La came repousse le piston de commande. Dans la première partie de sa cour- 24 se, le piston de commande repousse la soupape d'échappement jusqu'au mo- ment o il met le volume d'huile de commande en communication avec l'alimen- 26 tation sous pression. La soupape d'échappement s'appuie sur la soupape d'ad- 27 mission qui lui sert de siège. En poursuivant sa course, le piston de commande 28 ferme à nouveau la communication avec l'alimentation en huile sous pression et 29 provoque ainsi l'ouverture de la soupape d'admission, la soupape d'échappe- ment étant évidemment toujours en contact avec la soupape d'admission. 32 4) Fermeture de la soupape d'admission. 33 Lorsque le profil de la came permet au piston de commande de reculer, le sys- 34 tème de rappel de la soupape d'admission repousse l'ensemble des deux sou- papes jusqu'à la position initiale: soupapes fermées. Le piston de commande 36 peut être muni d'un système de rappel mécanique ou pneumatique qui a pour 37 effet de limiter les efforts de rappel des soupapes. Description de la réalisation Dréférée 42 Selon un mode préféré de réalisation représenté par la figure n 1, 43 - La soupape d'admission de forme annulaire est rappellée sur son siège par un 44 ressort métallique. Le siège de la soupape est une pièce rapportée qui comporte le passage d'arrivée d'air muni d'ailettes directionnelles, cette pièce pouvant être 46 obtenue par un procédé de fonderie de précision. Un refroidissement et une lu- 47 brification des segments d'étanchéité entre les gaz d'échappement et l'air d'ad- 48 mission sont assurés par une circulation d'huile mise en vitesse par des gicleurs 49 tangentiels. La soupape d'admission comporte un siège sur lequel s'appuie la soupape d'échappement. 51 - La soupape d'échappement de forme annulaire coulisse sur un poteau central 52 qui comporte en son centre un logement pour l'injecteur d'un moteur diesel ou 53 diesel-gaz ou pour une bougie d'allumage pour un moteur "otto". 2 -4- circulation d'huile. Le ressort métallique de rappel est refroidi par un débit d'air 6 prélevé sur l'alimentation en air de suralimentation. La soupape d'échappement 7 est appuyée sur son siège par une pression d'huile. Le diamètre intérieur du 8 siège d'échappement est plus petit que le diamètre de guidage de la soupape 9 de telle façon que, plus la pression des gaz dans le cylindre est élevée, plus forte est la pression d'appui de la soupape d'échappement sur son siège. Le ressort 11 de rappel a une force suffisante pour vaincre la force qui résulte de la pression 12 des gaz dans le cylindre à la fin de la course de détente. La loi de levée de la 13 soupape d'échappement est rapide, car dès le décollement de la soupape, la 14 pression des gaz s'ajoute à la force du ressort. L'espace situé entre l'extérieur de la soupape d'échappement et l'intérieur de la 16 soupape d'admission forme le conduit d'échappement. La section de ce conduit 17 est réalisée de telle façon qu'il constitue un diffuseur qui optimise l'écoulement 18 des gaz. 19 L'unique came par cylindre actionne les deux soupapes par l'intermédiaire d'un "piston hydraulique de commande" et d'un "volume d'huile de commande". 21 Ce piston est lui aussi muni d'un ressort métallique de rappel. Il a une butée de 22 fin de course qui permet de créer un jeu entre le piston, le galet et la came lors- 23 que la soupape d'échappement est en position d'ouverture maximum. 24 Lorsque la levée du piston de commande correspond à la fermeture des deux soupapes, (ce qui est le cas dans la figure n 1), le piston met le volume de com- 26 mande en communication avec un circuit d'alimentation en huile sous pression. 27 Cette pression est suffisante pour assurer l'étanchéité initiale de la soupape 28 d'échappement, mais reste insuffisante pour vaincre la force du ressort de rappel 29 de la soupape d'admission. 32 Variantes 34 * Dans une variante représentée par la figure n" 2, les rappels des soupapes sont réalisés par une pression d'air. Cette pression d'air peut être rendue propor- 36 tionnelle au déplacement des soupapes et du piston si les volumes de rappel 37 sont munis de clapets anti-retour. 39 * Dans une variante représentée par la figure n 3, le diamètre intérieur de la soupape d'échappement est plus grand que le diamètre de guidage de la sou- 41 pape de telle façon la pression des gaz dans le cylindre a toujours tendance à 42 décoller la soupape de son siège. Dans cette configuration, la pression d'alimen- 43 tation en huile doit être suffisamment élevée pour assurer l'étanchéité aux gaz, 44 même à la pression maximale de combustion. La force de rappel de la soupape d'admission doit donc être augmentée en conséquence. Etant donné que la 46 pression des gaz du cylindre a toujours tendance à ouvrir la soupape d'échap- 47 pement, il pourra être envisagé, dans certains cas, de ne pas munir cette soupa- 48 pe de système de rappel. * Dans une variante représentée par la figure n 4, I'arbre à cames est situé au 51 dessus de la culasse. Cette variante peut être équipée de ressorts mécaniques 52 ou pneumatiques. 2 -5- Revendications 1) Culasse de moteur alternatif à combustion interne fonctionnant selon le cycle 11 à 4 temps caractérisée en ce qu'elle comporte, pour chaque cylindre, deux sou- 12 papes de forme annulaire, concentriques entre elles et le cylindre. La soupape 13 d'échappement est logée à l'intérieur de la soupape d'admission et est guidée 14 par un poteau central. Celui-çi laisse la place en son centre au logement soit de I'injecteur de combustible pour un moteur diesel ou gaz-diesel, soit de la bougie 16 d'allumage pour un moteur " Otto ". La soupape d'admission s'appuie sur un 17 siège logé dans la culasse et comporte le siège sur lequel s'appuie la soupape 18 d'échappement. Le déplacement des deux soupapes est commandé par une 19 seule came par cylindre. 21 2) Dispositif selon la revendication n 1 caractérisé en ce que le déplacement 22 des deux soupapes est commandé par une interface hydraulique ("volume 23 d'huile de commande") entre un "piston de commande hydraulique" et la sou- 24 pape d'échappement. Le "piston de commande" est actionné par une came d'un arbre à cames entrainé en synchronisme avec le vilebrequin du moteur. 27 3) Dispositif selon les revendications n 1,2 caractérisé en ce que le "piston de 28 commande hydraulique" met en communication le "volume d'huile de comman- 29 de" avec un circuit d'alimentation d'huile sous pression lorsque sa position cor- respond à la fermeture des deux soupapes. 32 4) Dispositif selon les revendications n 2,3 caractérisé en ce que la pression du 33 circuit d'huile qui alimente le "volume d'huile de commande" est suffisante pour 34 assurer l'étanchéité du siège de la soupape d'échappement, mais est insuf- fisante pour vaincre la force de rappel de la soupape d'admission. 37 5) Dispositif selon la revendication n 2 caractérisé en ce que le piston de com- 38 mande hydraulique a une butée de fin de course qui correspond à l'ouverture 39 maximale de la soupape d'échappement. 41 6) Dispositif selon la revendication n 1 caractérisé en ce que le siège de la sou- 42 pape d'admission est réalisé en une pièce rapportée dans la culasse et com- 43 porte le conduit de passage de l'air d'admission ainsi que des ailettes direc- 44 tionnelles. Cette pièce pouvant être obtenue par un procédé de fonderie de pré- cision.