Brevet FR2768177A1 — publié le 19990312

La présente invention concerne un dispositif permettant d'améliorer le rendement, de réduire le nombre de pièces nécessaires et de limiter la pollution de certains moteurs thermiques. Les moteurs qui sont concernés sont des moteurs qui doivent fonctionner suivant le cycle à 4 temps classique (admission, compression, détente et échappement) et dont l'alimentation en carburant se fait directement dans la chambre de combustion, comme par exemple le moteur diesel. Les moteurs traditionnels à 4 temps comportent au moins deux soupapes par cylindre, au moins une soupape pour l'admission d'air et au moins une autre soupape pour l'échappement des gaz brûlés. Ces moteurs sont limités en performances par la place limitée que peuvent occuper ces soupapes même lorsqu'elles sont au nombre de deux par cylindre, d'où résultent une alimentation difficilement complète du cylindre en air, un effet insuffisant de chasse des gaz brûlés et une pollution du fait d'une combustion incomplète. L'emploi de plus de deux soupapes par cylindre ne remédie que partiellement à ces défauts, et cela au prix d'une complexité technique accrue. On a bien proposé de réaliser des moteurs à 4 temps n'ayant qu'une seule soupape par cylindre mais alors des dispositifs supplémentaires destinés à masquer temporairement les conduits d'amenée et/ou ceux de refoulement des fluides de travail doivent être prévus tels que des clapets ou des distributeurs rotatifs, si bien que l'avantage de la soupape unique est réduit sinon annulé par la plus grande complexité technique. Le moteur selon l'invention qui remédie au défaut de la technique antérieure et peut donc fonctionner sans dispositif supplémentaire est un moteur à combustion interne à 4 temps comportant au moins un cylindre (1) et un piston (2) à mouvement alternatif, fonctionnant par auto allumage ou par allumage commandé avec injection (4) de combustible dans une chambre de combustion communiquant avec le cylindre, au moins un conduit d'alimentation en air (a et 7b) et au moins un conduit d'échappement des gaz brûlés (6), caractérisé en ce qu'il ne comporte qu'une seule soupape (3) par cylindre, ladite soupape mettant en communication le cylindre et la chambre de combustion avec une chambre intermédiaire (8) elle-même en libre communication à la fois avec au moins un conduit d'amenée d'air (7a et 7b) et au moins un conduit d'échappement (6) pour les gaz brûlés, le conduit d 'échappement s'ouvrant à partir de la chambre intermédiaire, dans une direction sensiblement identique et commune à la direction générale suivie par les gaz d'échappement lors de leur sortie du cylindre lors du temps d'échappement, la soupape étant ouverte, tandis que le conduit d'amenée d'air débouche dans la chambre intermédiaire dans une direction différente de la précédente et faisant donc un angle non nul avec la direction du conduit d'échappement, la commande de la soupape étant telle que celle-ci reste au moins partiellement ouverte pendant la totalité des temps d'échappement et d'admission, soit sur environ un tour du moteur. Le moteur peut être réalisé de plusieurs façons utilisés indépendamment les unes des autres ou en combinaison lorsque cela est possible. La soupape occupe avantageusement la position qu'occupe habituellement une soupape d'échappement, a savoir sa tige est sensiblement dans l'axe d'entrée du conduit d'échappement, donc ici a la fois dans l'axe de la chambre intermédiaire et dans l'axe de l'entrée du conduit d'échappement. Toutefois, du fait de l'absence de la seconde soupape habituelle des moteurs classiques, cette soupape unique peut être de taille nettement accrue pour faciliter le passage des fluides. La chambre intermédiaire peut être de forme incurvée, par exemple sphérique, hémisphérique, cylindrique, ovaloïde ou analogue. On évitera les formes anguleuses qui pourraient perturber l'écoulement des fluides. Ses dimensions sont avantageusement faibles mais toutefois suffisantes pour permettre un passage aussi peu freiné que possible à l'air et aux gaz brûlés. Son diamètre moyen peut être par exemple celui de l'entrée du conduit d'échappement. De préférence le diamètre moyen du guide de soupape (14) est infé rieur aux diamètres moyens à la fois de la chambre intermédiaire et de l'entrée (15) du conduit d'échappement, afin notamment de faciliter un balayage d'air du circuit d'amenée d'air vers le conduit d'échappement au cours du temps d'échappement. On a donc alors un fonctionnement de type éjecteurs avec balayage d'air frais Selon une forme de réalisation avantageuse les directions générales respectivement du conduit d'air et du conduit d'échappement, au voisinage de leur communication avec la chambre intermédiaire, font un angle entre elles compris entre 60 et 1200, de préférence entre 85 et 950, les directions étant celles suivies par l'air et les gaz d'échappement, respectivement. Cet angle est le plus avantageusement sensiblement égal à 900. Lors du fonctionnement du moteur, la soupape unique reste ouverte approximativement tout le temps que durent à la fois l'échappement et l'admission, soit environ un tour moteur, à ceci près que l'ouverture peut précéder quelque peu le point mort bas de fin de la détente et la fermeture suivre quelque peu le point bas de fin d'admission du cycle à 4 temps, de façon à obtenir l'avance à l'ouverture et le retard à la fermeture, par analogie avec les moteurs classiques à deux soupapes. La came commandant l'ouverture de la soupape pourra avoir une forme permettant le maintien de la soupape à pleine ouverture tout le temps que durent l'échappement et l'admission. Toutefois s'il y a un risque de collision entre la soupape ouverte et le piston au point mort haut de fin d'échappement, on pourra soit modifier la forme de la tête du piston en y ménageant par exemple un creux (voir figure 2) soit refermer partiellement la soupape au voisinage du point mort haut de fin d'échappement en adoptant un profil adapté pour la came de commande de la soupape. Cette adaptation est de la compétence d'un homme de métier et ne sera donc pas davantage décrite. Dans un mode de réalisation préféré, l'alimentation en air, dans le conduit d'amenée d'air est une alimentation forcée (19),de préférence obtenue par refoulement d'une turbine alimentée en air et prélevant son énergie sur le véhicule. L'emploi d'une turbine alimentée en air mais prélevant son énergie sur les gaz d'échappement serait peu avantageux du fait du freinage de ces gaz qui en résulterait. Dans un autre mode de réalisation préféré, l'expulsion des gaz brûlés, dans le conduit d'échappement, est une expulsion forcée (20), de préférence obtenue par aspiration à l'aide d'une turbine prélevant son énergie sur le moteur. L'entraînement des turbines peut être obtenu par tout moyen électrique ou mécanique tirant son énergie du moteur, à l'exclusion, de préférence, des gaz d'échappement, comme expliqué plus haut. Un moyen électrique serait par exemple la batterie d'accus ou un alternateur. Un moyen mé- canique est par exemple l'entraînement par la courroie de distribution ou la courroie d'alternateur (ou dynamo), les deux turbines pouvant être sur un arbre commun portant une poulie entraînée par une courroie. Il est évident, en ce qui concerne l'air d'admission, que sa compression doit être positive, permettant d'assurer un balayage d'air vers la chambre intermédiaire et la conduite d'échappement, au cours du temps d'échappement, et un bon remplissage du cylindre, lors de l'admission, mais non excessive afin de ne pas créer une contre-pression qui nuirait à la bonne évacuation des gaz brûlés hors du cylindre lors de l'échappement. Le moteur de l'invention se caractérise donc - par une grande simplicité : une soupape au lieu de deux soupapes, ou davantage, dans les moteurs classiques avec simplification simultanée de l'arbre à cames, des culbuteurs, etc... - par un meilleur remplissage du cylindre et une meilleure expulsion des gaz brûlés, du fait de la possibilité d'avoir une soupape de grand diamètre - par une réduction de la pollution, de l'air frais étant aspiré dans la conduite d'échappement lors de l'échappement et contribuant ainsi à oxyder certains résidus imbrûlés - par une réduction d'usure du tuyau d'échappement, l'apport d'air précité abaissant la température des gaz d'échappement - par une réduction du bruit à l'échappement grâce à un écoulement plus régulier des gaz d'échappement. Le moteur et son fonctionnement sont expliqués par les figures 1 à 10 données à titre illustratif mais non limitatif. La figure la représente schématiquement en coupe verticale les parties caractéristiques du moteur de l'invention. Les pièces plus classiques telles que le vilebrequin, l'arbre à cames (la came a toutefois été modifiée comme expliqué plus haut),etc ... ne sont pas représentées. Le moteur comporte une chemise de cylindre (1), un piston (2), une soupape (3), un injecteur dont la position est schématiquement représentée par son axe (4). Dans la culasse (5), on trouve le conduit d'échappement (6), la chambre intermédiaire (8) et le ou les conduits d'admission (ici a et 7b). Annexée à la figure la, est une figure lb représentant en coupe transversale AA, vue de dessus, la chambre intermédiaire (8) et les conduits d'admission 7a et 7b. On aperçoit la tête de la soupape (3) de forme circulaire. Sur cette figure, la chambre intermédiaire est circulaire et a un diamètre égal à celui du début de conduit d'échappement, lequel est également de section circulaire. Ces formes circulaires sont préférées mais non obligatoires. Sur la figure la, on a représenté un évidement de la tête de piston, permettant le maintien de la soupape en position ouverte au point mort haut du piston. Le premier temps de cycle de fonctionnement est traditionnellement l'admission. Dans le cas de cette invention, ce premier temps admission ne sera pas répétitif dans les cycles suivants. Ce premier temps est illustré par la figure (2). La soupape (3) est ouverte, le piston (flèche 11) descend et par la dépression ainsi créée, des flux d'air (flèches telles que 9a,9b,10a,10b) provenant du conduit d'échappement et des conduits d'admission pénètrent dans le cylindre. Le second temps (compression) est illustré par la figure 3. La soupape, peu après le point mort bas se referme, le piston remontant (flèche 12) comprime le volume d'air situé à sa partie supérieure, ce qui va créer une très forte augmentation de la température de l'air contenu dans le cylindre. Peu avant le point mort haut, injection du carburant au moyen de l'injecteur (4), d'où auto inflammation, ou inflammation par allumage commandé du mélange carburé créant une très forte augmentation de pression à l'intérieur du cylindre et chassant le piston vers le bas. Le début de la détente est illustré par la figure 4, le piston descend selon la flèche 13. Juste avant le point mort bas, ouverture de la soupape puis, début de la remontée du piston. Le temps échappement sera décomposé en deux parties, figures 5 et 6 respectivement. La première partie, figure 5, débute du point mort bas et dure un quart de tour de moteur environ. Durant cette période, le piston (flèche 16) subit une très forte accélération, passant d'une vitesse nulle au point mort bas à une très grande vitesse (12 mètres / seconde linéaires sont habituellement admis). Comme le démontre la figure 5, le flux des gaz d'échappement est calibré par le diamètre (14) du guide de soupape ; sous l'effet de sa très grande vitesse, donc de sa très forte inertie, ce flux pénètre dans le conduit d'échappement (flèches 17a et 17b). Ce conduit d'échappement étant d'un diamètre (15) plus grand que le diamètre du guide de soupape, un phénomène de succion (flèches 18a et 18b) va prendre naissance dans les conduits d'admission (7a et 7b) - ce principe est utilisé dans certaines pompes à vide, ou dans les pistolets à peinture par exemple La seconde partie du temps échappement se situe durant le dernier quart de tour, environ, avant le point mort haut. Durant cette période, le piston subit une très forte décélération, passant de 12 mètres / seconde, par exemple, a une vitesse nulle. Comme le montre la figure 6, la veine gazeuse des gaz brûlés (17a et 17b) ayant subi une très forte accélération durant la première partie de la remontée du piston, va être animée d'une vitesse très élevée donc d'une forte inertie. Cette forte inertie, suite à l'arrêt du piston au point mort haut, va provoquer un phénomène d'entraînement d'air (18a et 18b) dans les conduits d'admission (7a et 7b) en direction du conduit d'échappement (6). Le temps admission , suivant le temps échappement (décrit ci-dessus) est un peu différent du premier temps admission décrit plus haut. Comme le démontre la figure 7, le piston amorce sa descente, l'inertie créée par la veine d'échappement dans la deuxième partie du temps échappement a induit un flux de gaz frais (air) des conduits d'admission vers le conduit d'échappement. La dépression créée par le mouvement descendant (11) du piston va perturber le flux d'air s'étant établi de l'admission vers l'échappement comme décrit plus haut. Cette dépression créée par la descente du piston aura pour conséquence d'aspirer préférentiellement le flux d'air frais (18a et 18b) provenant des conduits d'admission et dont l'inertie et la direction sont favorables, plutôt que d'aspirer le flux d'air provenant du conduit d'échappement dont la direction et l'inertie sont totalement contraires à cette aspiration. La veine gazeuse d'échappement sera donc ralentie, stoppée, ou légèrement inversée. Le comportement de cette veine gazeuse est fonction du dessin des conduits d'admission, de celui d'échappement et du mode d'aspiration choisi. La version de l'invention compressée ou soufflée (important gavage d'air en volume sans pression très élevée, dans les conduits d'admission) améliore encore le fonctionnement de celle-ci, de même que la version avec turbine créant une aspiration à l'échappement. La figure 8 illustre le mode de réalisation avec turbines à la fois sur l'admission d'air (19) et sur l'échappement (20). Ces deux turbines sont actionnées ici par une courroie (21), par exemple la courroie de l'alternateur. Les flèches 22 et 23 représentent respectivement l'aspiration d'air, venant du filtre à air, et le refoulement d'air, tandis que les flèches 24 et 25 représentent respectivement l'aspiration et le refoulement des gaz d'échappement. La figure 9 illustre en coupe un mode de réalisation du conduit d'échappement. Le sens normal d'écoulement des gaz d'échappement est de A vers B. la forme intérieure équivaut à celle de l'empilement de troncs de cônes, chacun de section progressivement réduite dans le sens normal d'écoulement des gaz brûlés, le passage d'un tronc de cône au suivant étant marqué par un brusque élargissement de la section du passage des gaz. L'écoulement des gaz est donc aisé de A vers B mais rendu plus difficile dans le sens contraire ; on rend ainsi plus difficile le retour des gaz d 'échappement vers le cylindre au cours du temps d'aspiration. Bien entendu, l'angle de rétrécissement de chacun des troncs de cône doit être faible de façon à ne pas réduire exagérément le passage des gaz au niveau du sommet de chacun des troncs de cône. Les figures 10 et 11 illustrent des variantes de la coupe AA de la figure 1. Dans ces deux cas, l'air frais est amené par un conduit (7 - figure 10) ou par quatre conduits (7a 7b 7c 7d - figure 11) à la chambre intermédiaire, ces conduits pouvant être les branches d'un conduit initialement commun d'admission. REVENDICATIONS 1 - Moteur thermique à combustion interne à quatre temps comportant au moins un cylindre (1) et un piston (2) à mouvement alternatif, fonctionnant par auto-allumage ou par allumage commandé avec injection (4) de combustible dans une chambre de combustion communiquant avec le cylindre, au moins un conduit d'alimentation en air (7, ou 7a 7b) et au moins un conduit d'échappement des gaz brûlés (6), caractérisé en ce qu'il ne comporte qu'une seule soupape (3) par cylindre, ladite soupape mettant en communication le cylindre et la chambre de combustion avec une chambre intermédiaire (8) elle-même en libre communication à la fois avec au moins un conduit d'amenée d'air (7a et 7b) et au moins un conduit d'échappement (6) pour les gaz brûlés, le conduit d'échappement s'ouvrant, à partir de la chambre intermédiaire, dans une direction sensiblement identique et commune à la direction générale suivie par les gaz d'échappement lors de leur sortie du cylindre, lors du temps d'échappement, la soupape étant ouverte, tandis que le conduit d'amenée d'air débouche dans la chambre intermédiaire dans une direction différente de la précédente et faisant donc un angle non nul avec la direction du conduit d'échappement, la commande de la soupape étant telle que celle-ci reste au moins partiellement ouverte pendant la totalité des temps d'échappement et d'admission, soit sur environ un tour du moteur. 2 - Moteur selon revendication 1, dans lequel le diamètre moyen (14) du guide de soupape est inférieur aux diamètres moyens à la fois de la chambre intermédiaire et de l'entrée (15) du conduit d'échappement, afin notamment de faciliter un balayage d'air du conduit d'amenée d'air vers le conduit d'échappement au cours du temps d'échappement. 3 - Moteur selon la revendication 1 ou 2, dans lequel les directions générales respectivement du conduit d'air et du conduit d'échappement, au voisinage de leur communication avec la chambre intermédiaire, font un angle entre elles compris entre 60 et 120 ", de préférence entre 85 et 95 , les directions étant celles suivies par l'air et les gaz d'échappement, respectivement. 4 - Moteur selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel l'alimentation an air, dans le conduit d'amenée d'air est une alimentation forcée (19), de préférence obtenue par refoulement d'une turbine prélevant son énergie sur le moteur. 5 - Moteur selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel l'expulsion des gaz brûlés, dans le conduit d'échappement, est une expulsion forcée (20), de préférence obtenue par aspiration à l'aide d'une turbine prélevant son énergie sur le moteur. 6 - Moteur selon la revendication 5, comportant à la fois une turbine d'alimentation en air (19) et une turbine d'expulsion des gaz brûlés (20), ces deux turbines étant montées sur un même arbre entraîné par une courroie (21) du moteur. 7 - Moteur selon l'une des revendications 1 à 6, dans lequel le conduit d'échappement présente une forme intérieure qui équivaut à l'empilement d'une série de troncs de cônes de section progressivement réduite dans le sens normal d'écoulement des gaz brûlés. 8 - Moteur selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le profil de la came de commande de la soupape est tel que la soupape puisse se refermer partiellement au voisinage du point mort haut de fin d' échappement.