Brevet FR2931880A3 — publié le 20091204

FR 2931880 A3 20091204 FR 0853623 A 20080602 B07-4735FR û FZ/EVH Projet PJ 8643 Société par actions simplifiée dite : RENAULT s.a.s. Moteur deux temps à soupapes d'admission et d'échappement Invention de : Cédric SERVANT Nicolas QUECHON Philippe OBERNESSER Moteur deux temps à soupapes d'admission et d'échappement L'invention concerne les moteurs deux temps à soupapes d'admission et d'échappement, et plus particulièrement la forme de la chambre de combustion permettant la maîtrise des écoulements de gaz à l'intérieur du cylindre moteur. Le cycle à deux temps 2T d'un moteur à combustion interne diffère des cycles quatre temps 4T car il s'effectue en seulement un tour de vilebrequin au lieu de deux. De ce fait, le temps disponible afin d'effectuer la vidange du cylindre puis son remplissage est fortement réduit. Afin de ne pas pénaliser le rendement, l'ouverture de la soupape d'échappement doit intervenir suffisamment tardivement au cours de la course descendante du piston. Pour les mêmes raisons, la fermeture de la soupape d'admission ne doit pas s'effectuer trop tardivement au cours de la phase ascendante du piston. De ce fait, il est nécessaire d'effectuer une partie de l'admission et de l'échappement simultanément. Cette phase est usuellement appelée balayage . De la maîtrise du balayage dépendent les performances au sens large du moteur. Afin de quantifier l'efficacité du transvasement sur un moteur 2T, on définit usuellement deux indicateurs, à savoir : - un rendement de livraison, qui est le rapport de la masse de gaz frais retenue dans le cylindre sur la masse de gaz frais totale, ce rendement de livraison caractérisant le court-circuitage des gaz frais vers l'échappement, et - un rendement de balayage qui est le rapport de la masse de gaz frais retenue dans le cylindre sur la masse totale de gaz dans la chambre de combustion, le rendement de balayage caractérisant quant à lui la vidange des gaz brûlés et le remplissage de la chambre de combustion par des gaz frais. L'architecture habituelle des moteurs 4T, avec soupapes d'admission et d'échappement, n'est pas très favorable à un fonctionnement sur cycle 2T. La très grande majorité des moteurs 2T dispose d'une architecture différente : - lumière de transfert, lumière d'échappement sur les petits moteurs 2T (motoculture, 2 roues légers), - lumière de transfert, soupapes d'échappement sur des gros moteurs sur les gros moteurs 2T (moteurs marins). Ces architectures sont plus favorables du point de vue du balayage pour les raisons suivantes : - les orifices d'admission et d'échappement sont spatialement très distincts, ce qui évite le court-circuitage direct de la chambre par les gaz frais par effet de proximité, - les lumières de transfert permettent une bonne orientation du flux gazeux entrant de manière à effectuer le balayage. Ces caractéristiques permettent d'assurer un bon rendement de livraison, toutefois ces architectures disposant de lumière de transfert posent d'importants problèmes, en particulier des problèmes de fiabilité du fait du passage de la segmentation sur la lumière de transfert. Ces architectures à lumière provoquent également en général des problèmes de lubrification ainsi qu'une consommation d'huile importante. L'utilisation d'une architecture à soupapes permet de s'affranchir de ces problèmes, toutefois, cette architecture n'est pas très favorable en terme de balayage puisque le flux d'air frais a naturellement tendance à se diriger directement vers l'échappement du fait de la faible distance séparant les soupapes d'échappement de celles d'admission et de la forme mêmes des soupapes qui ont tendance à imposer à l'écoulement une forte composante de vitesse radiale. De manière à éviter que l'air admis ne passe directement à l'échappement mais aille plutôt chercher le fond de la chambre, une solution consiste à masquer la portion des soupapes d'admission la plus proche des soupapes d'échappement. Une telle solution est notamment décrite dans la demande de brevet allemand n° 40 12 500 et dans la demande de brevet allemand n° 40 30 920. Une autre solution consiste à orienter le flux en amont des soupapes d'admission vers la zone la plus éloignée des soupapes d'échappement, par un conduit de forme adaptée. Ceci est notamment décrit dans la demande de brevet allemand n° 40 12 492. En imposant localement cette forte perte de charge, il est possible d'empêcher le court-circuitage direct de gaz frais vers l'échappement. Toutefois, ces solutions engendrent une perte de charge importante qui est néfaste au remplissage du moteur en air frais. Une autre solution décrite dans la demande de brevet EP 406 078 consiste à orienter le flux d'air admis par un système à boisseaux rotatifs. Outre les inconvénients déjà mentionnés, toutes ces solutions s'avèrent incompatibles avec une utilisation en grande série de ce type de motorisation. De ce fait, il n'existe pas à l'heure actuelle sur le marché de moteurs deux temps à soupapes d'admission et d'échappement. L'invention vise à apporter une solution à ce problème. Un but de l'invention est de permettre l'échappement des gaz brûlés et l'admission des gaz frais en évitant le court-circuitage direct des gaz frais vers l'échappement. Un autre but de l'invention est de créer une aérodynamique interne au cylindre au voisinage du point mort haut favorable à la combustion. L'invention a encore pour but d'offrir un net gain en perméabilité par rapport à l'utilisation de masques. Selon un mode de recherche de l'invention, il est ainsi proposé, afin de réaliser le balayage dans la chambre de combustion deux temps, une forme particulière située juste en aval du siège de soupape d'admission. Ce déflecteur, qui peut être solidaire de la culasse ou du siège de soupape d'admission, permet non pas de bloquer une partie du flux entrant au niveau de la zone de proximité des soupapes d'échappement, mais de réorienter ce flux de manière à ce que l'air frais se dirige vers le bas de la chambre de combustion plutôt que vers les soupapes d'échappement. On crée de la sorte une boucle de balayage inversée. Ce déflecteur peut s'appliquer à une culasse à deux soupapes par cylindre ou plus, par exemple une culasse à quatre soupapes par cylindre. Selon un aspect de l'invention, il est ainsi proposé un moteur à deux temps comprenant une culasse avec au moins un cylindre, un piston ménageant avec le cylindre une chambre de combustion, au moins un conduit d'admission équipé d'une soupape d'admission et au moins un conduit d'échappement équipé d'une soupape d'échappement. Le moteur comprend en outre un déflecteur d'air situé au voisinage aval d'une partie au moins du siège de la soupape d'admission, et agencé de façon à diriger le flux d'air arrivant par le conduit d'admission vers la partie inférieure de la chambre de combustion. Le déflecteur peut être solidaire de la culasse ou du siège de la soupape d'admission. De façon à ce que le déflecteur puisse jouer son rôle tout au long du processus de balayage, il est préférable que la hauteur du déflecteur soit au moins sensiblement égale à la levée maximale de la soupape d'admission, voire légèrement supérieure à ladite levée maximale. Ainsi, cette hauteur peut être par exemple égale à ladite levée maximale augmentée de 1 à 2 mm. Un interstice est avantageusement ménagé entre le déflecteur et la soupape d'admission, et la valeur de cet interstice est ajustée de façon à autoriser le passage du flux d'air tout en générant une accélération du flux d'air au passage de cet interstice. En d'autres termes, l'écartement entre le déflecteur et la soupape d'admission doit être suffisant pour permettre au gaz frais de passer par cet interstice mais aussi suffisamment faible de façon à accélérer l'écoulement dans cette zone afin de générer un décollement en aval du déflecteur. L'homme du métier saura ajuster la valeur de cet interstice compte tenu des dimensions des différents éléments de façon à obtenir l'avantage ainsi recherché. A titre indicatif, la largeur de cet interstice peut être de l'ordre de 1 à 2 mm. Le déflecteur est avantageusement disposé au niveau de la zone de proximité maximale entre la soupape d'admission et la soupape d'échappement. Ainsi, à titre indicatif, le déflecteur agira en pratique sur un quart à un tiers de la périphérie de la soupape d'admission. L'avantage de cette solution est un net gain en perméabilité par rapport à l'utilisation de masques, ce qui permet de limiter le surcoût énergétique d'une solution 2T à soupapes d'admission et d'échappement. Dans le cas d'une chambre de combustion de type Diesel à injection directe, ce type de déflecteur peut être compliqué à mettre en oeuvre car il est relativement intrusif dans la chambre de combustion. Une solution possible afin de former ce déflecteur est d'incliner les soupapes d'admission d'une dizaine de degrés de sorte que le déflecteur ne dépasse pas du plan de joint de la culasse. Par ailleurs, quel que soit le type de chambre de combustion (essence ou Diesel), cette solution permet d'éviter de brider le débit admis dans la zone de proximité soupape admission/fût en éloignant la soupape de ce dernier lorsque la levée augmente. En libérant de la section autour de la soupape d'admission, on limite ainsi les pertes de charges et donc le coût énergétique de la compression des gaz frais. Du point de vue de la structuration de l'écoulement dans la chambre de combustion, on cherche usuellement à générer dans les chambres de combustion Diesel, un mouvement de swirl (tourbillon longitudinal) qui favorise le mélange du carburant avec l'air tout au long de l'injection et de la combustion. Ce mouvement de rotation de la charge dans le cylindre est imprimé par un dessin spécifique des conduits d'admission. Sur un moteur 2T à soupapes, le fait de vouloir réaliser un balayage de type boucle inversée est incompatible avec la génération d'un swirl fort. Par ailleurs, le phasage du transvasement avec la cinématique piston est tel que les gaz admis ne bénéficient pas d'une mise en mouvement par le piston comme sur un moteur 4T. L'aérodynamique interne dans la chambre est donc naturellement très réduite et peu favorable à la combustion. Un moyen de recréer de l'aérodynamique pour la combustion est d'exploiter les effets de chasse créés par la proximité du piston avec la culasse au voisinage du PMH (Point Mort Haut). De sorte à maximiser la surface de chasse, la face supérieure du piston ne doit pas être plane car la proximité entre le piston et la culasse dans la zone située au voisinage des soupapes d'admission n'est pas suffisante pour générer un effet de chasse important. Une solution consiste donc à réaliser un piston dont la face supérieure est à l'image de la face inférieure de la culasse. Au niveau de la zone située sous les soupapes d'admission, il est donc avantageux de créer une forme s'insérant dans la culasse lorsque le piston est au voisinage du PMH afin de maximiser la proximité piston/culasse et donc l'effet de chasse. On obtient alors un mouvement aérodynamique radial intense orienté vers l'intérieur de la chambre de combustion, agissant avant et pendant la combustion afin de mélanger le carburant avec les gaz frais. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à l'examen de la description détaillée de modes de réalisation, nullement limitatifs, et des dessins annexés sur lesquels - les figures 1 à 5 illustrent de façon schématique des vues différentes d'un mode de réalisation d'un moteur deux temps selon l'invention. Sur la figure 1, le bloc moteur 1 comporte de façon classique une culasse 2 dans laquelle est ménagé au moins un cylindre 3, à l'intérieur duquel coulisse un piston 4 ménageant avec le cylindre 3 une chambre de combustion 5. I1 convient de noter que sur la figure 1, le piston 4 est représenté en position haute dans le cylindre 3. Le bloc moteur comporte par ailleurs au moins un conduit d'admission 6 et au moins un conduit d'échappement 7. En fait, dans l'exemple qui est décrit, et comme illustré sur les figures 2 et 3, la culasse est une culasse à quatre soupapes par cylindre, bien que l'invention puisse s'appliquer d'une façon générale à une culasse à deux soupapes par cylindre ou plus. Chaque conduit d'admission comporte une soupape d'admission 8 pouvant coulisser le long d'un axe Axs. De même, chaque conduit d'échappement comporte une soupape d'échappement 9 pouvant également coulisser autour d'un axe qui est ici un axe sensiblement vertical. Une bougie 10 débouche également dans la chambre de combustion 5. Outre les éléments qui viennent d'être décrits, le bloc moteur comprend en outre un déflecteur d'air 11 situé au voisinage aval d'une partie au moins du siège 80 de chaque soupape d'admission. Ce déflecteur, qui est solidaire ici de la culasse 2, est agencé de façon à diriger le flux d'air arrivant par le conduit d'admission vers la partie inférieure de la chambre de combustion 5. Lors de la phase d'admission, la soupape d'admission 8 coulisse le long de son axe Axs selon la flèche F puis revient à sa position illustrée sur la figure 1. Lors de ce déplacement, qui permet au gaz frais de pénétrer dans la chambre de combustion, il se crée un interstice 111 entre le déflecteur 11 et le bord du siège de la soupape. L'écartement, c'est-à-dire la largeur de l'interstice, entre le déflecteur et la soupape d'admission, est ajusté pour être suffisant de façon à permettre au gaz frais de passer par cet interstice, mais suffisamment faible de façon à accélérer l'écoulement dans la zone du déflecteur afin de générer un décollement en aval du déflecteur. Typiquement, la valeur de cet interstice 111 est de l'ordre de 1 à 2 mm par exemple. De manière à ce que le déflecteur puisse jouer son rôle tout au long du processus de balayage, il est préférable que la hauteur du déflecteur 11 soit du même ordre de grandeur que la levée maximale de la soupape d'admission. On pourra par exemple prendre une hauteur du déflecteur égale à la valeur de la levée maximale augmentée de 1 à 2 mm. Comme illustré sur la figure 1, mais aussi sur les figures 2 et 3, le déflecteur est avantageusement disposé au niveau de la zone 110 de proximité maximale entre la soupape d'admission 6 et la soupape d'échappement 7. Plus précisément, le déflecteur d'air effectue un masquage partiel du pourtour des soupapes d'admission dans la zone de proximité 110. Typiquement, ce masquage partiel s'effectue sur environ 20 à 30% de la périphérie de la soupape d'admission. De façon à simplifier la mise en oeuvre du déflecteur, en particulier dans le cas d'une chambre de combustion de type Diesel à injection directe, il est préférable d'incliner les soupapes d'admission de quelques degrés, de sorte que le déflecteur ne dépasse pas du plan de joint de la culasse 2. En d'autres termes, l'axe Axs de chaque soupape d'admission fait un angle de quelques degrés avec l'axe Ax vertical du cylindre 3. Pour maximiser la surface de chasse, la face supérieure du piston 4 est préférentiellement à l'image de la face inférieure 20 de la culasse au niveau de la zone 41 située sous les soupapes d'admission, comme illustré sur les figures 1, 4 et 5. En d'autres termes, la face supérieure du piston située sous la soupape d'admission comporte une zone 41 comportant une forme 40 complémentaire de celle de la zone correspondante de la face inférieure 20 de la culasse. Ainsi, cette forme 40 va s'insérer dans la culasse lorsque le piston sera au voisinage du point mort haut afin de maximiser la proximité piston/culasse et donc l'effet de chasse. On obtient alors un mouvement aérodynamique radial intense orienté vers l'intérieur de la chambre de combustion, agissant avant et pendant la combustion, afin de mélanger le carburant avec les gaz frais. Ceci est particulièrement intéressant pour les chambres de combustion Diesel pour lesquelles un mouvement de tourbillon longitudinal ( Swirl selon une dénomination anglo-saxonne habituellement utilisée) est recherché. REVENDICATIONS1. Moteur deux temps, comprenant une culasse (2) avec au moins un cylindre (3), un piston (4) ménageant avec le cylindre une chambre de combustion (5), au moins un conduit d'admission (6) équipé d'une soupape d'admission (8) et au moins un conduit d'échappement (7) équipé d'une soupape d'échappement (9), caractérisé en ce qu'il comprend en outre un déflecteur d'air (11) situé au voisinage aval d'une partie au moins du siège (80) de la soupape d'admission (8) et agencé de façon à diriger le flux d'air arrivant par le conduit d'admission vers la partie inférieure de la chambre de combustion (5). 2. Moteur selon la revendication 1, dans lequel le déflecteur (11) est solidaire de la culasse ou du siège de la soupape d'admission. 3. Moteur selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la hauteur du déflecteur (11) est au moins sensiblement égale à la levée maximale de la soupape d'admission. 4. Moteur selon la revendication 3, dans lequel la hauteur du déflecteur (11) est légèrement supérieure à ladite levée maximale, par exemple de l'ordre de 1 à 2 mm. 5. Moteur selon l'une des revendications précédentes, dans lequel un interstice (111) est ménagé entre le déflecteur (11) et la soupape d'admission et la valeur de cet interstice est ajustée de façon à autoriser le passage du flux d'air tout en générant une accélération du flux d'air au passage de cet interstice. 6. Moteur selon la revendication 5, dans lequel la largeur de cet interstice (111) est de l'ordre de 1 à 2 mm. 7. Moteur selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le déflecteur (11) est disposé au niveau de la zone de proximité maximale (110) entre la soupape d'admission et la soupape d'échappement. 8. Moteur selon la revendication 7, dans lequel le déflecteur (11) entoure environ un quart de la périphérie du siège de la soupape d'admission. 9. Moteur selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le déflecteur (11) est agencé de façon à ne pas dépasser le plan de joint de la culasse. 10. Moteur selon la revendication 9, dans lequel l'axe (Axs) de la soupape d'admission est incliné de quelques degrés par rapport à l'axe du cylindre. 11. Moteur selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la face supérieure du piston située sous la soupape d'admission comporte une zone (41) possédant une forme (40) complémentaire de celle de la zone correspondante de la face inférieure (20) de la culasse.