Brevet FR2772075A1 — publié le 19990611

La présente invention concerne un moteur thermique mono ou multicylindre dont le vilebrequin traverse le piston multiétage exploitant une détente en 2 étapes. Actuellement ce type de moteur assez récent propose un cycle ne comportant qu'une détente simple. Son architecture trés simple a l'avantage de ne posséder que 3 piéces en mouvement à savoir 1) le vilebrequin, 2) le chariot central commandant l'admission et compensant le déplacement latéral (axe des cosinus) du vilebrequin, 3) le piston particulier qui a un déplacement vertical dans sa chemise cylindrique. Sur la face supérieure du piston est fixée ou usinée une chambre cylindrique de vaporisation dotée de 4 fonctions 1) créer de la vapeur d'eau pour la dépollution des gaz d'échappement, 2) refroidir le cceur du piston, 3) commander l'échappement lorsque les lumières sortent de la cheminée centrale, 4) créer une chambre annulaire améliorant la combustion du fait du double allumage ou de la double injection. Le dispositif selon l'invention propose d'améliorer l'exploitation de l'énergie de cette combustion. En effet les gaz d'échappement sortent du moteur avec une température et une pression encore exploitable. II est donc intéressant de les utiliser dans une troisième chambre de laquelle ils ressortiront après avoir perdu leur température et leur pression. Pour ce faire il suffit que l'extrémité haute de la chambre de vaporisation possède une couronne (17) ayant fonction de piston. La périphérie de cette couronne sera équipée de segments(6) qui assureront l'étanchéité nécessaire. Les lumières (15) commandant l'échappement seront allongées sur le haut afin qu'elles permettent le transfert des gaz brûlés de la chambre de combustion(22) à la chambre de deuxième détente(21) en transitant par la chambre de vaporisation centrale(2). L'injecteur d'eau(7) installé au sommet de la cloche dans l'axe de la chambre de vaporisation cylindrique centrale sera ajusté tel un piston à l'intérieur de cette chambre centrale de vaporisation. Une étanchéité sur sa périphérie sera assurée par des segments de manière à ce que les gaz brûlés transitant dans cette chambre de vaporisation ainsi que la vapeur d'eau produite soient contraints de s'évacuer dans la chambre de détente. L'échappement final aura lieu lorsque la couronne-piston(l7) arrive en PMH en face des lumières (18) usinées tout autour de la cloche située au sommet du cylindre. Le cycle de ce moteur est donc très particulier et ne correspond plus aux cycles classiques. En effet il s'effectue sur 2 tours et demi, à savoir: admission du PMB au PMH, précompression - transfert, du PMH au PMB, détente puis transfert et vaporisation du PMH au PMB, transfert et deuxième détente du PMB au PMH. L'effet de détente se déroule donc pendant 1 tour complet du PMH au PMH. Pourtant cette architecture permet 1 explosion ou combustion par tour (à chaque PMH). Comme pour tous les autres moteurs à double détente n'utilisant qu'un jeu de lumières approprié pour assurer les différents transferts tels que les moteurs à pistons croisés, une partie des gaz d'échappement et de la vapeur reste bloquée dans la chambre de deuxième détente après l'échappement. Ainsi le volume résiduel en PMH recevant les nouveaux gaz brûlés est-il assez important afin d'éviter une recompression inutile (3 bars maximum) et surtout de faciliter le transfert des gaz brûlés sortant de la chambre de combustion. On constate que la pression dans la chambre de combustion en PMB reste importante d'où la nécessité de la précompression par la chambre d'admission. D'autre part afin d'obtenir une détente rapide et efficace il est intéressant que la surface du disque- piston(l7) soit soit importante puisque ( F = P x S ) et que le volume augmente rapidement. De ce fait le diamètre du disque- piston sera supérieur au diamètre du corps principal du piston(1). Les dessins illustrent l'invention. La figure 1 montre une coupe de l'ensemble d'un cylindre de ce moteur selon un plan vertical perpendiculaire à l'axe du vilebrequin(8), les pistons étant en PMB. La figure 2 montre une perspective du piston (1) particulier avec sa couronne (17) supérieure exploitant la deuxième détente. La figure 3 représente une coupe horizontale d'un cylindre moteur au niveau du vilebrequin, donc d'un des plans d'assemblage. En référence à ces dessins le dispositif selon l'invention comporte un piston (1) particulier possédant 3 faces actives. Deux sont les extrémités d'une partie principale possédant 3 lumières verticales usinées dans sa jupe, dont 2 (24) servent au débattement des paliers du vilebrequin et la troisième (10) à l'entrée d'air. La face inférieure est la face de la chambre d'admission (20) elle possède une lumière(9) usinée dans son épaisseur permettant à l'air de pénétrer dans la chambre d'admission. L'ouverture et la fermeture de cette lumière (9) sont commandées par le déplacement du chariot interne(3) de coulissement comme cela est décrit dans de précédents brevets. La face supérieure est la face de la chambre de combustion(22). Sur cette face et en son centre, est fixée ou usinée une chambre cylindrique (2) parfaitement alignée selon l'axe de déplacement de ce piston. Cette chambre centrale cylindrique dite de vaporisation possède une couronne de lumières (15) de transfert. Leur positionnement et leur hauteur permet l'échappement des gaz brûlés en PMB et leur transfert dans la chambre de deuxième détente (21). En effet c'est lorsque ces lumières sortent de l'alésage central usiné dans la tête de culasse (12) que les gaz brûlés peuvent pénétrer dans la chambre de vaporisation(2) où ils se mélangent à la vapeur d'eau produite par injection d'eau sur les parois internes de cette chambre, et passer ensuite dans la chambre de détente(21) située entre la face supérieure de la tête de culasse(12) et le disque - piston (17) appartenant à l'extrémité haute de la chambre de vaporisation(2). Selon un mode particulier de réalisation de cet ensemble ce disque(17) peut être usiné avec la chambre de vaporisation et fixé avec elle sur la face supérieure du piston. D'autre part la cloche supérieure dans laquelle est fixé l'injecteur d'eau(7) et la tubulure d'échappement (16) peut facilement être fixé sur la tête de culasse (12). Les injecteurs de carburant(5) ou autres allumeurs sont fixés latéralement comme c'est le cas dans les autres moteurs du même type. Le volume situé sous la cloche au dessus du piston(17) de détente et balayé par celui-ci appartient au pot d'échappement. Lorsque le disquepiston(17) remonte il souffle et chasse les gaz dans la tubulure d'échappement (16) de ce fait il est intéressant que sa face supérieure soit bombée c'est 9 dire plus épaisse au centre. Lorsque ce disque-piston (17) redescend, il peut être intéressant d'exploiter la dépression créée au dessus, en laissant pénétrer de l'air frais au travers de clapets(25) installés au sommet de la cloche, afin que cet apport d'oxygène contribue positivement à la dépollution des gaz d'échappement dans la structure catalytique placée dans la tubulure d'échappement. Ainsi le dispositif selon l'invention possède un cycle très particulier sur 2 tours 1/2 qui permet d'exploiter 1 explosion par tour avec une détente complète en deux phases sur un tour complet. Sa compacité, sa simplicité donc sa robustesse et son coût de fabrication ainsi que son rendement est destiné à remplacer les moteurs 2 et 4 temps dans chacune de leurs applications. REVENDICATIONS 1) Moteur thermique mono ou multicylindre dont le piston est traversé directement par le vilebrequin(8) caractérisé en ce que ce piston(1) comporte 3 faces actives permettant un cycle complet sur deux tours et demi, exploitant une double détente sur un tour complet. 2) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que la troisième face active de ce piston appartient à un disque(17) positionné à l'extrémité haute de la chambre centrale cylindrique de vaporisation (2). 3) Dispositif selon la revendication 1 et 2, caractérisé en ce que le diamètre de ce disque(17) est supérieur à celui du corps principal du piston afin d'assurer une détente rapide et efficace des gaz brûlés et de la vapeur avant leur échappement final. 4) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que le transfert des gaz brûlés entre la chambre de combustion(22) et la chambre de 2" détente(21) est assuré par des lumières (15) usinée dans la paroi cylindrique de la chambre de vaporisation(2). 5) Dispositif selon la revendication 1 et la 4 caractérisé en ce que les lumières (15) de transfert sont usinées dans le prolongement continu des lumières d'échappement classiques sur les moteurs 3 temps jusqu'au disque supérieur (17). 6) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'échappement final des gaz brûlés et de la vapeur d'eau se fait en PMH par des lumières périphériques (16) situées au sommet de la cloche donnant accès à la tubulure d'échappement. 7) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'étanchéité de la chambre de deuxième détente (21) est assurée 1) par des segments (6) placés en périphérie sur l'épaisseur du disque-piston (17), 2) par les segments placés dans l'alésage de la tête de culasse (12) autour de la chambre cylindrique de vaporisation, 3) par les segments situés dans l'alésage central du disque- piston, autour du corps de l'injecteur d'eau (7) dont le diamètre extérieur est parfaitement ajusté au diamètre intérieur des parois de la chambre de vaporisation (2). 8) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que c'est seulement l'épaisseur de la tête de culasse (12) qui sépare la chambre de combustion (22) de la chambre de deuxième détente (21). 9) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que des clapets (25) installés au sommet de la cloche permettent un apport d'oxygène frais aux gaz d'échappement au moment de la descente du piston afin d'améliorer leur dépollution. 10) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que le passage des gaz brûlés dans la chambre de vaporisation, donc l'apport en vapeur d'eau, se fait au moment du transfert entre la chambre de combustion( 22) et la chambre de deuxième détente(21).