Brevet FR2771135A1 — publié le 19990521

La présente invention concerne un dispositif destiné à produire dans un moteur thermique de la vapeur d'eau surchauffée en injectant de l'eau dans une chambre cylindrique centrale solidaire du piston dans le but de 1) refroidir le piston, 2) de contribuer à augmenter l'efficacité de dépollution du catalyseur; Actuellement les moteurs 2 temps sont par principe très polluants. Les moteurs 4 temps sont de plus en plus équipés de pots catalytiques dont les coûts sont trés élevés et dont l'efficacité impose une surconsommation de carburant. Le principe selon l'invention permet de réduire l'importance du pot catalytique du fait d'une contribution importante à la dépollution des gaz brûlés de par l'apport de vapeur d'eau surchauffée dans les gaz d'échappements sans que l'intérieur du moteur n'en souffre puisqu'au contraire la vaporisation de l'eau injectée dans la chambre centrale solidaire du piston refroidit celle-ci ainsi que le cceur du piston. Jusqu'à présent les moteurs 3 temps (c'est-à-dire 4 temps moins le 4" spécifique de l'expulsion des gaz brûlés, expulsion qui dans le cas du 3 temps est simultanée au transfert des gaz frais) possédaient une tige centrale solidaire du piston qui comme les tiroirs latéraux de moteurs plus anciens obturaient automatiquement la tubulure d'échappement centrale et la dégageaient en PMB. La présence de cette tige centrale a permis de découvrir et de profiter des avantages de la chambre de combustion annulaire avec 2 , voire 3 injecteurs multijets. La présente architecture propose désormais que ses injecteurs (4) multijets soient placés latéralement autour de la chambre de combustion (9) annulaire et non plus verticalement sur la tête de culasse (16). Ceci libère l'espace autour de la cheminée d'échappement (12) dans laquelle coulisse la chambre cylindrique centrale (1) solidaire du piston (5). Ainsi l'ancienne tige centrale augmente de diamètre de façon importante ce qui favorise l'évacuation rapide des gaz brûlés par les lumières d'échappement du fait de l'augmentation de la section du conduit. Ceci crée une véritable chambre cylindrique dans laquelle il est désormais possible d'injecter de l'eau. L'injecteur (2) sera placé au sommet dans l'axe de cette chambre. Au contact des parois de cette chambre centrale (1), I'eau se vaporise instantanément en refroidissant celles-ci. Cette vapeur surchauffée se mélange aux gaz brûlés en remontant dans la cheminée centrale. Au sommet un espace suffisant répartit ces gaz en annea de manière à ce qu'ils redescendent au travers de la structure catalytique qui est désormais installée en anneau autour de la cheminée centrale d'échappement en tête de culasse au dessus de la chambre de combustion (9). Les gaz brûlés et la vapeur ressortent au niveau de la tête de culasse (16) après avoir traversé la structure catalytique (3) en anneau et sont recueillis par le tube annulaire (10) faisant office de pot d'échappement. Cette architecture efficace, compacte, rationnelle est la plus économe en calories. De plus, I'augmentation du diamètre de cette chambre de vaporisation centrale facilite l'utilisation de la segmentation nécessaire pour l'étanchéité entre cette chambre et la cheminée d'échappement (12) dans laquelle elle coulisse. D'autre part, I'architecture présentée évite d'avoir recours à aucune soupape ni aucun clapet destiné à permettre ou empêcher le refoulement des gaz dans la chambre de combustion ou de l'air admis sous le piston au moment de la descente de celui-ci. En effet, c'est le disque (7) de l'arbre principal (17) dont la fonction est de supporter l'axe du pignon tournant dans la couronne de diamètre double, qui est utilisé pour assurer le rôle de distribution rotative: en tournant, son échancrure (8) ouvre l'admission d'air. Du fait de la symétrie de ce moteur à deux pistons parfaitement opposés c'est la même échancrure qui 180" plus tard ouvrira l'admission d'air de l'autre piston, le temps de sa remontée et la refermera lors du passage de la section pleine de ce disque c'est-àXire pendant la phase de précompression transfert correspondant à la descente du piston. Les dessins annexés illustrent l'invention. La figure 1 représente l'architecture d'un moteur 3 temps en coupe sachant qu'il est symétrique par rapport au plan A B. Le piston (5) étant en point mort bas, les gaz brûlés s'échappent par le haut de la chambre de combustion (9) et pénètrent dans la chambre de vaporisation (1) en passant au travers des lumières (11) de section rectangulaire, usinées dans ses parois. Ils remontent jusqu'au sommet de la cheminée (12) en se mélangeant à la vapeur produite, puis redescendent au travers de structure catalytique (3) placée en couronne autour de la cheminée centrale (12). L'échancrure (8) du disque (7) va passer devant le conduit d'admission (13), permettant ainsi à l'air de pénétrer sous le piston (5) du haut alors qu'elle vient au contraire de refermer le même conduit (13) symétrique afin d'éviter le refoulement de l'air admis sous le piston du bas. La figure 2 représente le même moteur suivant une coupe perpendiculaire à celle de la figure 1 et avec le piston du haut en point mort haut. En référence à ces dessins, le présent dispositif est constitué d'une pièce cylindrique creuse (1) solidaire de la tête de piston et centrée par rapport à celle-ci c'est-à-dire se trouvant dans l'axe de la bielle(1 8). L'épaisseur des parois est renforcée à la base. II peut indifféremment être une pièce usinée séparément puis fixée sur la tête du piston ou bien être un élément à part entière du piston usinée avec celui-ci. Un revêtement spécial sera appliqué sur la surface interne de cette chambre centrale de manière à résister aux problèmes inhérents à la vaporisation d'eau sur une surface métallique chaude. La cheminée d'échappement solidaire de la tête de culasse (16) a un diamètre intérieur correspondant au diamètre extérieur de la chambre de vaporisation de manière à ce que celle-ci puisse coulisser sans effort. L'étanchéité sera assurée par une bague en céramique (14) au niveau de la tête de culasse (16) ou par un jeu de segments plus classiques. La hauteur de cette chambre de vaporisation centrale (1) devra permettre à celle-ci de rester engagée dans la cheminée d'échappement au PMB donc s'étendra légèrement au-dessus des lumières de transfert (11). Ces lumières de transfert, usinées dans les parois près du sommet passeront en dessous de la base de la cheminée centrale (12) c'est-à-dire en dessous de la tête de culasse (16) de manière à permettre aux gaz brûlés de s'échapper et de pénétrer à l'intérieur de la chambre centrale puis de remonter dans la cheminée (12). Ces lumières (11) sont de section rectangulaires et de nombre impair. Elles sont réparties régulièrement autour de cette chambre de vaporisation (1). L'épaisseur entre deux lumières consécutives et l'épaisseur au dessus de chacune d'elles, sera suffisamment importante pour éviter tout écrasement vers l'intérieur de la chambre de vaporisation dû à la pression des gaz brûlés. Ils ne peut donc pas s'agir de simples créneaux comme ceux utilisés dans certains moteurs. Une fois arrivés au sommet, les gaz brûlés avec la vapeur d'eau créée dans la chambre centrale redescendront au travers de la structure catalytique (3) en anneau placée autour de la cheminée centrale. Ils seront recueillis par une couronne constituant le pot d'échappement (10) Dans l'axe de la chambre centrale de vaporisation est fixé l'injecteur d'eau (2). L'injection dirigée vers le fond creux de cette chambre de vaporisation refroidit le coeur du piston (5). La vapeur créée est évacuée avec les gaz brûlés et favorisent de manière importante la dépollution de ceuxci en traversant la structure catalytique annulaire placée sur la tête de culasse. Le système d'injection d'eau est classique et indépendant. L'injection devrait se produire en PMB, en fin de détente, immédiatement après l'échappement mais du fait des temps d'inertie seule l'expérience permettra de déterminer le moment le plus approprié. Les injecteurs de carburant multijets (4) sont eux aussi dassiques en dehors du fait qu'ils sont placés latéralement et que l'injection se fait horizontalement en mettant à profit les particularités de la chambre de combustion annulaire (9) exploitant quatre fronts de flammes s'autocroisant. Dans le cas d'utilisation d'allumeurs, ceux-ci ont le même positionnement. Ainsi cette architecture utilisant une chambre centrale de vaporisation (1) d'eau solidaire du piston commandant l'échappement et une structure catalytique (3) en anneau placée directement sur la tête culasse autour de la cheminée d'échappement dans laquelle coulisse la chambre, permet d'apporter une solution de dépollution des gaz brûlés des moteurs thermiques 3 temps ou 2 temps à la fois simple efficace peu coûteuse et compacte offrant en plus l'avantage du refroidissement du coeur du piston. REVENDICATIONS 1 ) Chambre de vaporisation d'eau pour refroidissement et dépollution des moteurs thermiques à 3 temps caractérisée par le fait que, étant située au centre de la tête du piston (5) elle se déplace avec lui en coulissant dans la cheminée d'échappement (12) de manière à ce que lorsque ses lumières de transfert se retirent du bas de la cheminée, les gaz brûlés libérés de la chambre de combustion se mélangent à la vapeur produite par l'eau injectée à l'intérieur de cette chambre de vaporisation (1) puis traversent la structure catalytique (3) annulaire placée autour de la cheminée (12) centrale d'échappement. - 2 ) Chambre selon la revendication 1, caractérisée en que les lumières de transfert (11) usinées tout autour dans les parois de cette chambre centrale cylindrique (1) sont de section rectangulaire, en nombre impair et placées de manière à ce qu'elles transfèrent automatiquement les gaz brûlés aussitôt qu'elles sont dégagées de la base de la cheminée d'échappement (12) près du PMB et se referment automatiquement de la même manière lorsque le piston (5) donc la chambre de vaporisation (1) est suffisamment remontée dans la cheminée d'échappement centrale. - 3 ) Chambre selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'eau est injectée au moyen d'un injecteur (2) placé dans l'axe de déplacement de la chambre de vaporisation de manière à ce que son jet parvienne au coeur du piston et permette de le refroidir du fait de la vaporisation instantanée au contact des parois internes de cette chambre centrale. - 4 ) Chambre selon la revendication 1 caractérisée en ce que les parois internes de la chambre de vaporisation sont recouvertes d'un revêtement approprié destiné à éviter les problèmes inhérents à la vaporisation d'eau sur une surface métallique chaude. - 5 ) Chambre selon la revendication 1 caractérisée en ce que la cheminée d'échappement (12) dans laquelle coulisse la chambre centrale de vaporisation a à sa base un diamètre intérieur correspondant parfaitement à celui de la chambre puis un diamètre allant en s'élargissant légèrement afin d'éviter tout effort inutile du fait que l'étanchéité est assurée par bague céramique (14) ou segments classiques au niveau de la tête de culasse. - 6 ) Chambre selon la revendication 1 et 5 caractérisée en ce que la cheminée d'échappement réserve à son sommet un espace suffisant pour permettre aux gaz brûlés mélangés à la vapeur d'eau produite de se répartir en couronne afin qu'ils puissent redescendre au travers de la structure catalytique puis s'évacuer au niveau de la tête de culasse (16). - 7 ) Chambre selon la revendication 1 et 6 caractérisée en ce que la structure catalytique (3) est placée en couronne autour de la cheminée d'échappement (12) sur la tête de culasse (16) c'est-à-dire dans le prolongement de la chambre de combustion. - 8 ) Chambre selon la revendication 1 et 7 caractérisée en ce que l'installation de la structure catalytique directement au dessus de la tête de culasse impose que les injecteurs de carburant (4) soient dirigés horizontalement et exploitent au mieux les particularités de la chambre annulaire dues aux quatre fronts de flamme s'autocrnisant. - 9 ) Chambre selon les revendications précédentes prises dans leur ensemble, caractérisée en ce que cette chambre de vaporisation centrale a un quadruple rôle:I) celui de commander automatiquement l'échappement en PMB, 2) celui de refroidir le coeur du moteur, 3) de produire de la vapeur destinée à la dépollution des gaz brûlés, 4) de produire une chambre de combustion annulaire dont les particularités sont l'amélioration de la combustion de par les 4 fronts de flamme s'autocroisant du fait de la double injection ou du double allumage dans l'anneau.