Brevet FR2739412A1 — publié le 19970404

La présente invention concerne un moteur 2 temps dont la consommation et la pollution seraient ramenées à un niveau sensiblement égal à celles des moteurs à 4 temps tout en conser -vant la simplicité inérante aux moteurs 2 temps et en particulier à ceux du type carter-pompe. Les moteurs 2 temps à carter-pompe fonctionnent ainsi: le piston sert de soupape d'admission et d'échappement. Après 11 explosion du -mélange air-essence, le piston descend et découvre des ouvertures pratiquées dans le cylindre et appelées "lumières d'échappement". Ces "lumières" restent découvertes tant que le piston termine sa descente, passe au point mort bas et remonte enfin les recouvrir avant de commencer la compression. Le découvrement des "lumières d'admission" se produit peu de temps après le découvrement des "lumières d'échappement" et se termine peu de temps avant le recouvrement de ces mêmes "lumières d'échappement". Cette remarquable simplicité induit un inconvénient important: pendant tout le temps de l'admission, les lumières d'échappement sont grandes ouvertes et une importante partie du mélange air-essence s'enfuit dans le tuyau d'échappement sans avoir été brûlé; d'où consommation et.pollution élevées. Evidemment, pour résoudre ces problèmes, on a eu l'idée d'installer des systèmes de soupapes conventionnelles, rotatives, on a pensé à installer des clapets à divers endroits, à injecter de l'air sous pression mais tout ceci en perdant la simplicité, la compacité, qualités entre autres qui font les avantages des moteurs 2 temps. La présente invention propose d'ajouter au mouvement de translation verticale du piston un mouvement de pivotement autour de son axe vertical permettant ainsi une gestion plus efficace de la circulation des gaz à l'intérieur du cylindre. Pour obtenir ce résultat, il nous faut: 1) créer un mouvement de pivotement du piston qui sera décrit plus loin, et 2) modeler la forme du piston, en lui donnant un moyen d'obturation de sorte que celui-ci ouvre et ferme divers orifices ou ouvertures pratiquées dans le cylindre permettant la circulation des gaz et profitant de ce mouvement de pivotement. Ce moyen d'obturation peut être réalisé de plusieurs façons différentes. Exemple, sur les figures 1 et 2, nous dotons le piston d'une couronne (1) qui, rapportée ou taillée dans la masse, sera percée de fentes ou ouvertures verticales (2) coincidant en fonction de l'angle de pivotement et de la position verticale du piston avec d'autres ouvertures "lumières" qui, elles, seront pratiquées dans le cylindre, sélectionnant donc les conduits échappement (3), ou admission (4) ou d'autres conduits donnant dans le cylindre. On peut tailler ou placer sur le piston de simples rajouts de matière que nous appellerons crénelures par exemple, qui joueront le même rôle que la couronne (fig.3 et fig.6).Il est possible, également de percer la jupe du piston (fig.7) ou de la doter de canaux qui profiteront aussi du mouvement de pivote ment du piston pour alimenter la chambre ou des sous-chambres, facilitant la distribution des gaz. Cependant pour une meilleure compréhension de l'invention, l'inventeur a arbitrairement choisi l'exemple de la couronne tout au long de l'explication suivante. Comment provoquer le pivotement du piston ? Il existe plusieurs moyens différents pour y parvenir. Le moyen choisi dans le présent brevet vise à utiliser le mouvement latéral que produit la bielle lorsque celle-ci passe d'un côté à l'autre de l'axe du vilbrequin aux alentours du point mort bas (et du point mort haut, bien sûr). Pour se faire, l'axe qui relie la bielle au piston doit être solidarisé avec la bielle, grâce à une échancrure par exemple (13), taillée dans le pied de bielle et correspondant avec une autre taillée dans l'axe lui-même, de telle sorte que cet axe pivote sur son axe de rotation suivant donc le mouvement de la bielle lorsque celle-ci produit son mouvement latéral. Habituellement, cet axe est cylindrique, il traverse l'un des flancs du piston (11), traverse ensuite le pied de bielle, puis enfin le flanc opposé du piston (12). Il va s'agir ici de munir les 2 extrémités de cet axe de cames (6 et 7).Ces cames rapportées ou taillées dans cet axe, et solidarisées grâce, par exemple également à des échancrures (14), vont donc porter directement ou par l'intermédiaide 2 bagues de réception (15 et 16, fig.1 et fig.2) dans les flancs du piston donc de chaque côtés de celui-ci. La forme des cames et leur position sur l'axe du piston conditionnent de la façon la plus importante toutes les caracteris -tiques de puissance, de couple, de frottement, de fiabilité, donc de rendement de ce moteur. Sur les figures contenues dans le présent brevet, les cames possèdent une forme qui n'a été choisie qu'à titre d'exemple. Le but de ces 2 cames est de pouvoir exercer une poussée sur les flancs du piston, dans un sens, puis en sens opposé, de sorte que le frottement des cames, sur les flancs de ce piston (ou sur les bagues réceptrices placées dans les flancs du piston dans l'intention de diminuer l'usure des flancs (fig .1 et 2, 15 et 16) provoque une poussée horizontale sur chaque flanc. Sur l'exemple de la figure 1, on peut constater que l'une des cames (6) est orientée vers le haut du piston tandis que l'autre came (7) est orientée vers le bas, les points d'appuis des bagues réceptrices, eux, sont disposés en vis à vis et horizonta lement. Lorsque, comme on le voit sur la figure 2, la bielle est passée de l'autre côté de l'axe du vilbrequin, les cames (6 et 7) par l'intermédiaire de l'axe du piston se retrouvent dans une position horizontale et poussent chaque flanc du piston (8) en sens opposé l'un par rapport à l'autre, provoquant une rotation du piston autour de son axe vertical (9). Sur les figures 3 et 4, on peut facilement distinguer que l'arrière des cames (18) est dessiné de sorte que lors du pivotement qui se produira au point mort haut (PMH) du piston, au moment où la bielle passera à nouveau d'un côté à l'autre de l'axe du vilbrequin, les 2 cames exerceront à nouveau une poussée sur les flancs opposés du piston, en sens inverse de celle obtenue au point mort bas (PMB). Précisons que plus les points d'appui donc de poussée des cames sur les flancs du piston seront situés à proximité de l'axe vertical du piston (8), et plus d'amplitude de pivotement provoquée sera grande et inversement. La disposition alternée ou pas des lumières d'admission et d'échappement, leur taille, leur position angulaire par rapport au centre du piston, leur position par rapport à la hauteur du cylin -dre, leur distance les unes par rapport aux autres, ainsi que leur forme (rectangulaires, étroites, en forme de S...), de même que les caractéristiques des ouvertures dans la couronne, est laissé à la discrétion du constructeur et dépend directement du rendement et de l'application choisie pour le moteur (fig.3 et fig.4). Ajoutons qu'il est aussi possible de pratiquer des ouvertures dans la couronne de telle sorte que certaines lumières pratiquées dans le cylindre restent ouvertes pendant tout le cycle de distribution. Ces lumières peuvent par exemple servir au soufflage des différents gaz ou à leur aspiration. Fonctionnement : Après explosion du mélange, le piston descend. Arrivé à proximité du point mort bas (fig.1), le piston commence son pivotement au moment où les ouvertures (2) pratiquées dans la couronne du piston coïncident avec celles pratiquées dans le cylindre (fig.1), qui sont reliées au conduit d'échappement (3): les gaz en surpression sortent. Le piston pendant ce temps, ralenti son mouvement vertical et accélère son pivotement: à l'instant où les lumières d'échappement (3) se trouvent obturées par la matière séparant les ouvertures situées sur la couronne (1), d'autres ouvertures (2) de la couronne vont, elles, venir coïncider avec les lumières d'admission (4) provoquant la rentrée des gaz (fig.2). Le piston termine son mouvement de pivotement et commence à remonter, obturant, à leur tour, les lumières d'admission et commençant la compression. Un premier point important est que le mouvement de pivotement du piston qui se produit en bas va aussi se produire en haut du cylindre et en sens inverse. En fait, si l'on désigne un point situé à la surface de la jupe du piston, ce point va décrire une trajectoire en forme d'élipse verticale au cours du cycle de fonctionnement du moteur. Le pivotement supérieur peut s'avérer utile dans la mesure où il peut provoquer une agitation supplémentaire des gaz en explosion et ainsi accroitre le rendement du moteur. On aura intérêt à prendre cette particularité en compte à la conception de la couronne de façon à accroître le phénomène. Le deuxième important est l'effort que subit la bielle pendant le fonctionnement du moteur. En effet, c'est elle qui va supporter l'inertie et le poids du piston lors de ses pivotement successifs. Ces efforts vont induire des torsions principalement à hauts régimes provoquant une mauvaise distribution des gaz puis une fragilisation de la bielle. Cependant ces efforts peuvent être minimisés des manières suivantes: Tout d'abord en renforçant la bielle et surtout sa tête; deuxièmement: il est évident que moins le piston pivote sur lui-même, moins la bielle et les autres pièces concer -nées souffrent et plus les frottements sont réduits. Il faut donc arriver à pratiquer des ouvertures dans la couronne, ainsi que dans le cylindre, les plus étroites et nombreuses possibles (fig.3). De toute façon, l'amplitude du mouvement latéral de la bielle va être beaucoup plus grande que l'amplitude de pivotement du piston, le couple de levier produit par la bielle protégera donc efficacement les organes internes de ce moteur. Un autre point important concerne le soufflage d'un moteur équipé de cette distribution pivotante: le type de soufflage choisi dépend de l'application visée par chaque moteur. Voici d'ailleurs deux exemples extrêmes: 1) Adaptation du système sur un moteur type carter-pompe avec conservation du balayage des gaz d'échappemenet par les gaz d'admission. Fonctionnement: lorsque le piston descend, la position angulaire à ce moment du piston, c'est-à-dire son angle de pivotement, permet aux ouvertures pratiquées dans la couronne d'arriver directement en face des lumières d'échappement situées dans le cylindre, et donc, la partie la plus importante de la suppression des gaz s'échappe seule, puis grâce à une disposition géomètrique soignée des lumières et des ouvertures taillées dans la couronne, certaines lumières d'admission se découvrent pendant que des lumières d'échappement restent en même temps ouvertes au moment où le piston commence à pivoter. Puis progressivement, les lumières d'échappement se ferment en plus grand nombre que les lumières d'admission. Ce principe revient à créer un système d'obturation variable pour les différents gaz. L'explication est simple: Imaginons que ce moteur possède 10 lumières d'échappement et 10 lumières d'admission; la position et le nombre ainsi que la taille des ouvertures pratiquées dans la couronne sur le piston permettent d'envisager le déroulement suivant 1) découvrement direct des 10 lumières d'échappement, 2) fermeture de deux lumières d'échappement et ouverture de deux lumières d'admis -sion, 3) on continue, grâce au pivotement et la couronne, à fermer 2 lumières d'échappement et ouvrir 2 lumières d'admission jusqu'à obtenir 10 lumières d'admission ouvertes et toutes celles d'échappement fermées.Bien sûr; ce principe risque quand même de laisser sortir des gaz d'admission avec les gaz d'échappement mais dans des proportions bien moins importantes, puisque l'échappement ne se produit plus après l'admission. 2ème exemple de réalisation: un moteur diésel 2 temps à injection et turbo-compresseur. 1) le piston descend et découvre directement les lumières d'échappement les gaz en surpression sortent et vont entrainer la turbine collectrice du turbo. 2) le piston commence à pivoter; des lumières d'échappement restent ouvertes pendant que des lumières d'admission s'ouvrent, laissant rentrer dans le cylindre de l'air sans carburant provenant du turbo-compresseur, ainsi des gaz sortent et rentrent dans le moteur en même temps que des gaz sous pression rentrent et sortent du turbo compresseur. 3) les dernières lumières d'échappe -ment se ferment, les gaz d'échappement ont été à la fois aspirés et soufflés par le turbo; l'inertie du turbo continue de comprimer l'air qui finit de rentrer dans le cylindre en même temps que l'injection de carburant diésel se fait dans le conduit d'adrsission 4) le piston finit son pivotement, obture donc toutes les lumières et commence sa compression... Le système conforme à l'invention permet de construire des moteurs 2 temps beaucoup plus petits et simples dans leur conception que les moteurs à cycle 4 temps, tout en conservant un rendement supérieur. La pollution étant réduite à des niveaux comparables à celle des moteurs 4 temps, on peut envisager de produire des moteurs 2 temps de plus forte cylindrée pouvant équiper des voitures dans le but de rendre ces dernières plus performantes que les voitures équipées de moteurs 4 temps. REVENDICATIONS 1 - Distribution par piston pivotant améliorant la circulation des gaz à l'intérieur de la chambre d'un moteur deux temps, au moyen d'une part: d'une mise en pivotement du piston, dans un sens lorsque celui-ci passe par le point mort bas (PMB) et en sens inverse lorsqu'il passe par le point mort haut (PMH), s'ajoutant au mouvement vertical de celui-ci; et d'autre part, en modelant la forme du piston de façon à profiter, en plus du mouvement vertical habituel de celui-ci, du mouvement de pivotement créé pour obturer ou découvrir des ouvertures situées dans le cylindre et ainsi permettre de déclencher précisément et indépendamment le moment où les différents gaz rentrent ou sortent de la chambre. 2 - Distribution selon la revendication 1 caractérisée par la transmission du mouvement pendulaire que produit la bielle (19) chaque fois que celle-ci passe d'un côté à l'autre de l'axe du vilbrequin au PMB et au PMH, à l'axe (10) reliant au pied de bielle au piston au moyen d'une solidarisation de la bielle à cet axe grâce à une ou plusieurs échancrures. 3 - Distribution selon la revendication 1 caractérisée par l'ajout de deux cames (6 et 7), chacune à une extrémité de l'axe 10 reliant le pied de bielle au piston (8) et solidarisé à cet axe dans son mouvement au moyen d'une ou plusieurs échancrures. 4 - Distribution selon la revendication 1 caractérisée en ce que les deux cames (6 et 7) vont venir traverser et prendre appui dans les flancs opposés de la jupe du piston (8), et assurer de fait la liaison entre la bielle et le piston par l'intermédiaire de l'axe de piston 10. 5 - Distribution selon la revendication 1 caractérisée en ce que la came n06 est disposée sur l'axe de piston (10) de façon à créer une poussée horizontale sur le flanc (12) du piston où elle vient se loger; et, la came n07 est disposée sur l'axe du piston (10) de sorte à créer une poussée horizontale sur le flanc (11) du piston; l'addition des poussées horizontales obtenues sur chaque côtés du piston devant générer une rotation de de quelques degrés du piston autour d'un axe vertical fictif passant par son centre (9). 6 - Distribution selon la revendication 1 caractéri sée en ce que les cames (6 et 7) possèdent une forme leur permettant d'exercer une poussée horizontale dans le flanc du piston où elles viennent prendre appui de sorte que lors de la rotation dans un sens de l'axe du piston (10), la poussée sur chaque flanc du piston s'exerce dans un sens, puis lors de la rotation en sens inverse de l'axe (n010) la poussée horizontale des cames sur les flancs du piston s'exerce en sens inverse. 7 - Distribution selon la revendication 1 caractéri -sée en ce que les 2 orifices pratiqués dans les flancs du piston possèdent une forme interne étudiée de sorte à recevoir une poussée horizontale dans un sens puis dans l'autre lorsque les cames (6 et 7) viennent à pivoter à l'intérieur. 8 - Distribution selon la revendication 3 caractéri -sée en ce que les cames peuvent être rapportées ou taillées dans la masse de l'axe du piston (n08). 9 - Distribution selon la revendication 4 caractéri sée en ce que les cames peuvent venir prendre appui par l'inter médiaire de 2 bagues de réception (15 et 16) serties dans les flancs opposés du piston et destinées à augmenter la résistance à l'usure des flancs du piston. 10 - Distribution selon la revendication 1 caractérisée par l'adjonction à la tête du piston de parties de matière (5) séparées par des espaces vides (2), disposés en couronne, ladite couronne possédant le même alésage extérieur que celui du piston, et faisant office d'obturateur de façon à permettre l'ouverture et la fermeture d'orifices pratiqués dans le cylindre profitant du mouvement de pivotement et du mouvement de transla -tion verticale du piston (fig.6). 11 - Distribution selon la renvendication 6 caracté -risée par la mise en relation des diverses ouvertures pratiquées dans le cylindre avec les différents conduits de circulation des gaz, situés à l'extérieur du cylindre. 12 - Distribution selon la revendication 5 caractérisée par la possibilité de percer la jupe du piston de manière à bénéficier du système de distribution par pivotement et ainsi augmenter le rendement du moteur (fig.7). 13 - Distribution suivant la revendication 5 caractérisée par la possibilité de conserver pour certaines ouvertures pratiquées dans le cylindre la possibilité d'obturation ou de découvrement n'utilisant que le principe de translation vertical du piston. 14 - Distribution selon la revendication 10 caracté risée en ce que les parties de matière et les espaces les sépa -rant n'occupent pas la totalité du pourtour (fig.7) de la tête du piston.