Brevet FR2962163A1 — publié le 20120106

Les moteurs à explosion sont capables d'une grande vitesse de rotation et développent une puissance en conséquence mais, devant fonctionner à des régimes variables, c'est-à-dire avec air comburant admis à pression modulée, le taux de compression moyen est médiocre et le rendement qui en dépend, de même. La combustion ne pouvant s'y effectuer avec excès d'air est incomplète et il s'ensuit d'autant perte de rendement et rejet de gaz polluants. Les moteurs à combustion sont capables d'un fort couple à bas régime, ce qui leur confère une souplesse avantageuse, mais leur puissance est limitée par leur vitesse qui doit permettre à chaque cycle à l'injection-combustion de se dérouler. Leur rendement 14 est pénalisé par le fait que la combustion s'effectue par principe, à pression constante, progressivement sur la course motrice du piston. La combustion y est également incomplète. L'invention vise à réaliser un moteur doté des caractéristiques positives respectives aux deux types de moteurs cités et d'un rendement amélioré à tous les régimes. 15 Selon l'invention, le moteur opère la combustion de la plus grande quantité de carburant sur un mélange air-carburant élaboré avec excès d'air pendant l'aspiration ou la compression et porté dans le cylindre, au point mort haut, au voisinage le plus proche des conditions de l'auto-allumage, celui -ci étant provoqué par une explosion partielle produite au moment adéquat dans une chambre attenante au haut de cylindre. 20 Selon l'excès d'air, une injection-combustion peut être effectuée une fois le point mort haut franchi, accroissant le travail fourni par le piston sans accroître la contrainte des pièces mécaniques sollicitées. Le volume dans lequel a lieu la dite combustion est, dans le cas le plus simple, délimité par les parois du cylindre, de la culasse, et du piston. Il peut être 25 partiellement, voire majoritairement, constitué par une chambre localisée dans la culasse ou le piston, en particulier dans les cas ou une injection-combustion complémentaire ou alternative, est pratiquée. Ce volume est nommé par la suite chambre de combustion. La chambre attenante au cylindre, siège de l'explosion partielle préalable, amorçant la 3o précédente combustion, est un compartiment plus ou moins isolé, logé dans la culasse dans lequel est élaboré un mélange dans des proportions le rendant tonnant et ou il sera confiné le temps nécessaire pour son explosion. Y sont implantés un injecteur spécifique pour injecter la quantité complémentaire de carburant afin d'y constituer le mélange tonnant, et une bougie pour y provoquer l'inflammation. Ce compartiment 33` est nommé par la suite chambre d'explosion. Le transfert des gaz brûlés de la chambre d'explosion à la chambre de combustion s'effectue spontanément par le passage resté libre entre la culasse et le piston dont les fonnes concernées sont conçues fonctionnellement Les conditions d'une bonne combustion sont satisfaites, celle-ci s'opérant sur un mélange homogène, sous forte turbulence, à volume constant et avec excès d'air. Les conditions d'un bon rendement sont satisfaites, la combustion étant achevée au point mort haut, le taux de compression restant constant quelque soit le régime de fonctionnement. Le principe de fonctionnement requiert que le mélange à enflammer soit porté par la compression à une pression et une température proches de celles provoquant l'auto - allumage, sans que celui ci risque d'être initié. On conçoit qu'il est possible, par un dimensionnement suffisant de la chambre 1Q d'explosion, d'enflammer le mélange dans la chambre de combustion, quel que soit l'écart de l'état de celui ci par rapport au seuil d'auto-allumage. Ce principe, de part sa simplicité constitue la solution de base. Il autorise une admission directe de l'air à la pression atmosphérique, sans modulation la pression. Cependant, si l'on veut optimiser le rendement, il convient de réduire à la fois le 15 volume des gaz brûlés produisant l'amorçage de la combustion principale et l'écart entre la température du mélange comprimé et celle nécessaire à son auto -allumage. Or, pour un carburant donné, ces conditions sont fonction de paramètres tels que : richesse du mélange, pression, température et humidité de l'air comburant, température du moteur etc.... 20 Pour prendre en compte ces données, deux solutions plus élaborées sont proposées. La première consiste à moduler la pression de l'air admis dans le cylindre par le moyen d'un papillon disposé dans la tubulure d'admission et dont la position angulaire est donnée par un actionneur recevant ses consignes d'un calculateur qui les élabore partir des paramètres déterminant le seuil d'auto-allumage tels qu'évoqués 1s précédemment et supposés captés. De la sorte, la pression d'admission est au plus égale à la pression atmosphérique. La deuxième consiste à moduler dans les mêmes conditions la pression de l'air, celui ci provenant d'un dispositif de suralimentation. De la sorte , la pression d'admission est au moins égale à la pression atmosphérique. 0 Dans ce dernier cas, il est possible, moyennant la mise en oeuvre d'un dispositif permettant une montée subite de la pression d'alimentation, de faire fonctionner le moteur temporairement comme un moteur à combustion conventionnel, l'air étant porté en fin de compression, à une température suffisante pour que le carburant injecté s'enflamme spontanément. 35 Compte tenu du flux de gaz traversant le moteur, il est avantageux d'y accoupler un dispositif de récupération de l'énergie véhiculée par les dits gaz, combiné ou non avec un dispositif de suralimentation en air. Des dispositifs répondant à ces options sont proposés dans le cadre de l'invention. On peut faire concorder la marche au ralenti avec l'explosion préalable seule. ~Q Il est possible de faire fonctionner le moteur avec un carburant lourd, dont l'inflammation est difficile, étant entendu que l'explosion préalable nécessite un carburant inflammable par une étincelle électrique. La figure 1 représente la configuration type d'une tête de cylindre répondant au principe de base. Les figures 2, 3 et 4 représentent des configuration rendant possible une injection - combustion complétant ou se substituant temporairement à la combustion principale. La figure 5 représente un moyen d'ajuster au montage le taux de compression dans chaque cylindre. La figure 6 représente un dispositif à papillon permettant de moduler la pression de l'air admis à partir de la pression atmosphérique. Les figures 7 et 8 représentent un principe combiné de récupération de l'énergie 10 véhiculée par les gaz brûlés et de suralimentation en air. En se reportant à la figure 1, on trouve une tête de cylindre qui comporte: - dans le bloc (1), le cylindre (2) dans lequel se meut le piston (3) - dans la culasse (4), une soupape d'admission (5) et une soupape d'échappement (7). En amont de (5), dans la tubulure d'admission (13), se trouve l'injecteur (6). L'espace délimité au point mort haut par les parois du cylindre (2), de la culasse (4), et de la tête de piston (3), constitue la chambre de combustion principale (8). Au titre de l'invention, est ajoutée dans la culasse (4), la chambre (9), dite d'explosion, dans laquelle sont implantés un injecteur (10) et une bougie (11) et Io qui communique avec (8) par le goulot cylindrique (105 dans lequel pénètre, au point mort haut en laissant un libre passage aux gaz, le bossage ou faux piston (12) réalisé sur la tête du piston (3). Le fonctionnement est comme suit : pendant la course descendante du piston (3), la soupape d'admission (5) étant ouverte et la soupape d'échappement (7) fermée, l'air 2 5 extérieur est admis directement dans le cylindre (2) et l'injection de la quantité de carburant nécessaire à la combustion principale requise par le régime de fonctionnement assigné, est effectuée par l'injecteur (6). Au point mort bas du piston (3), le cylindre (2) est rempli du mélange air carburant et la soupape (5) se ferme. Au ralenti , (6) peut être inactif. 30 Le piston remontant et s'approchant de son point mort haut, le volume de la chambre d'explosion (9) devient de plus en plus isolé par la pénétration dans le goulot (105 du faux piston (12). Au voisinage du point mort haut, la pression, égale dans (8) et (9), étant proche de celle d'auto - allumage, l'injecteur (10) injecte dans la chambre d'explosion (9) une quantité de carburant complémentaire rendant le mélange y étant 35 contenu tonnant. La bougie (11) produit son étincelle et provoque l'explosion dans (9), générant une quantité de gaz brûlés qui, spontanément, par le passage existant entre (105 et (12), se détend dans la chambre de combustion principale (8) et y produit un accroissement immédiat de pression et de température avec forte turbulence, provoquant l'inflammation du mélange contenu. Le piston ayant entre temps franchi q son point mort haut entreprend sa course motrice qui sera suivie de l'échappement comme dans un moteur classique. Le faux piston (12) réalisé sur la tête du piston (13) est optionnel. Il permet d'isoler de façon positive la chambre d'explosion (9) de façon à ce qu'y soit confiné le mélange tonnant, tout en limitant sa différence de pression avec (8) et donc la turbulence au moment ou se produit l'étincelle. La figure 2 représente une solution permettant une injection - combustion complémentaire avec la chambre de combustion (15) logée dans le piston . L'injecteur (18), implanté en face de (15) assure la carburation de la combustion principale et de la combustion complémentaire. La chambre d'explosion (19) avec son injecteur (10) et sa bougie (11) est disposée latéralement et le canal (21), débouchant dans le goulot (20), la relie à la chambre (15). Dans cette solution, l'injection correspondant à la combustion principale peut être effectuée par l'injecteur (18) pendant l'aspiration, la compression ou les deux. La figure 3 représente une solution permettant une injection - combustion Io complémentaire avec la chambre de combustion (25) logée latéralement dans la culasse. Elle est de forme sphérique et communique avec le cylindre par le goulot (26) et le canal (27). Elle reçoit l'injecteur (18). La chambre d'explosion, non représentée, est du type de celles représentées sur les autres figures. 15 La figure 4 représente une solution permettant une injection-combustion complémentaire avec la chambre de combustion (30) logée dans la culasse à un endroit occupé normalement par une soupape. Elle est en forme de tonneau aplati dont le fond supérieur reçoit la soupape (32), en principe d'échappement. Elle communique avec le haut de cylindre par le goulot (31) 2 0 qui permet par ailleurs l'usinage du logement la mise en place du siège de (32). L'injecteur (18) est implanté latéralement. La chambre d'explosion, non représentée, est du type de celles représentées sur les autres figures. La figure 5 représente un dispositif permettant d'ajuster , dans chaque cylindre, le volume de la chambre de combustion afin d'obtenir la pression requise au point mort 25 haut dans des conditions données. Un bouchon épaulé (41) occupe un alésage réalisé dans la culasse ou le bloc cylindre et débouchant dans la chambre de combustion (42). Sa position axiale détermine le volume dévolu à la chambre (42). Sa tête (43) est plaquée sur le siège (44) par l'intermédiaire de la rondelle (45) dont l'épaisseur est choisie au montage pour obtenir 30 la pression requise au point mort haut et assure l'étanchéité. Une vis annulaire (46), vissée dans le support plaque le tout sur le siège (44). La figure 6 représente un dispositif à papillon destiné à moduler la quantité d'air admis à partir de la pression atmosphérique, en fonction des paramètres déterminant le seuil d'auto-allumage et qui peut être justifié par ailleurs, pour obtenir un ralenti 755 suffisamment bas. Dans la tubulure d'admission (50), est disposé un papillon (51) qui oscille autour de l'axe fixe (52) et dont la position angulaire est donnée par l'actionneur (53) qui reçoit ses consignes d'un calculateur, lequel les élabore dans le cas le plus simple, en fonction de la pression de l'air ambiant, ou dans une version plus élaborée, des autres 4 b paramètres déterminant le seuil d'auto-allumage tels que cités plus haut. La figure 7 représente le principe d'un système permettant de récupérer sur le vilebrequin moteur, une partie de l'énergie véhiculée par le flux de gaz traversant le moteur tout en assurant une suralimentation en air. Un arbre (61) portant deux turbines (62) et (63) est relié par un système réducteur au .15- vilebrequin (64). La turbine (62) est rendue motrice par le flux de gaz brûlés la traversant en se détendant et amenés par la tubulure d'échappement (65). La turbine (63) aspire l'air extérieur et le refoule sous pression dans la tubulure d'admission (60). L'arbre (61) est relié au vilebrequin moteur (64) par une chaîne cinématique comportant, coaxialement à (61) un réducteur épicycloïdal (67) constitué d'un carter (68) portant intérieurement la couronne (70), le planétaire (69) solidaire de (61) et les satellites (71) solidaires de l'arbre porte satellites (72). (69), (70), (71), sont montés sous précontrainte et s'entraînent par friction. (72) est relié à (64) par une chaîne cinématique constituée ici du jeu de poulies (73)-(74) liées par la courroie (75). Si le couple transmis le justifie, les planétaires et satellites peuvent être des engrenages. De même la courroie (75) peut être une chaîne ou un train d'engrenages. La turbine (63) est optionnelle, une suralimentation en air n'étant pas forcément associée à un système de récupération d'énergie Le système est complété par la boucle de retour (76) reliant l'entrée et la sortie de la turbine de suralimentation (63) sur laquelle on trouve, à l'entrée le clapet anti-retour (77) et à l'embranchement avec la tubulure (60) conduisant à la soupape d'admission, le papillon (78) modulant par sa position angulaire donnée par l'actionneur (79), la pression requise dans (60). La figure 8 représente un dispositif complémentaire du précédent, destiné à accroître instantanément la pression de l'air admis, indépendamment de la vitesse du moteur. Il consiste en un moteur-frein (81), en principe électrique, lié par le jeu de poulies (82)-(83) et la courroie (84) au carter du réducteur (85) devenu tournant autour de son axe. La vitesse de l'arbre porte satellites (72) peut être accrue de celle du carter du réducteur (85) lorsque le moteur (81) tourne. Le frein de (81) permet d'immobiliser (85) en marche normale. Ce dispositif peut s'imposer pour permettre le démarrage du moteur dans une option 2 5 consistant à le faire fonctionner en permanence avec une pression de l'air admis supérieure à la pression atmosphérique ou pour produire une montée en pression subite pour passer temporairement en mode injection- combustion classique. Les turbines représentées sont du type axial. Elles peuvent être du type radial ou mixte, avec un variateur interposé entre les arbres (61) et (64) pour rendre compatibles 3 4 leurs vitesses respectives avec un rendement correct. Elles peuvent être complétées, voire remplacées par des machines volumétriques REVENDICATIONS1 . Moteur à explosion - combustion caractérisé par un cycle qui opère la combustion de la plus grande quantité de carburant, dite combustion principale, sur un mélange air carburant élaboré avec excès d'air pendant l'aspiration par un injecteur (6) implanté dans une tubulure d'admission (13), et porté dans une chambre de combustion (8), délimitée au point mort haut par un cylindre (2), une culasse (4) et un piston (3), au voisinage le plus proche des conditions de l'auto -allumage, celui-ci étant provoqué par une explosion partielle produite au moment adéquat dans une chambre (9) attenante, dite chambre d'explosion, dans laquelle sont implantés un injecteur (10) pour injecter la quantité complémentaire de carburant de façon à rendre le mélange y étant contenu tonnant, et une bougie (11) pour initier l'explosion, et qui communique avec la chambre de combustion (8) par un goulot cylindrique (10') dans lequel pénètre, au point mort haut, un bossage optionnel (12) réalisé sur la tête du piston (3). 2 . Moteur à explosion- combustion selon la revendication 1 caractérisé par une chambre d'explosion (19) logée latéralement dans la culasse et une chambre de combustion (15) logée dans le piston en face de laquelle un injecteur (18) effectue, d'abord pendant les phases admission ou compression, l'injection correspondant à la combustion principale, puis une injection complémentaire éventuelle relayant la première, ou s'y substituant, une fois le point mort haut franchi. 3 . Moteur à explosion-combustion selon la revendication 1 caractérisé par une chambre de combustion (25) logée latéralement dans la culasse, communiquant avec le cylindre par un goulot (26) et recevant un injecteur (10). 4 . Moteur à explosion-combustion selon la revendication 1 caractérisé par une chambre de combustion (30) logée dans la culasse, communiquant avec le cylindre par un goulot (31) et qui reçoit, sur son fond supérieur une soupape (32) et latéralement un injecteur (18). 5 . Moteur à explosion-combustion selon la revendication 1 caractérisé par un bouchon épaulé (41) occupant un alésage réalisé dans la culasse ou le bloc cylindre et débouchant dans la chambre de combustion (42) et dont la tête (43) est plaquée sur un siège (44) par l'intermédiaire d'une rondelle (45) dont l'épaisseur est choisie au montage pour obtenir la pression requise au point mort haut et qui assure l'étanchéité. 6 . Moteur à explosion-combustion selon la revendication 1 caractérisé par un papillon (51) implanté dans la tubulure d'admission (50) et qui occupe autour de l'axe (52) une position angulaire donnée un l'actionneur (53) qui reçoit ses consignes d'un calculateur, lequel les élabore en fonction des paramètres déterminant les conditions de l'auto-allumage du mélange admis dans le cylindre de façon à ce que, en fin de compression, celui-ci soit au voisinage le plus proche des conditions critiques d'auto-allumage. 7 . Moteur à explosion-combustion selon la revendication 1 caractérisé par un système de récupération de l'énergie véhiculée par les gaz traversant le moteur et de suralimentation en air constitué par un arbre (61) portant une turbine (62) rendue motrice par les gaz d'échappement du moteur et une turbine (63) aspirant l'air de l'extérieur et le refoulant dans la tubulure d'admission (60), relié au vilebrequin moteur par une chaîne cinématique comportant un réducteur épicycloïdal (67) à planétaires et satellites s'entraînant par friction et un jeu de poulies (73)-(74) et une courroie (75), une boucle de retour (76) reliant l'entrée et la sortie de la turbine (63) , comportant, à l'entrée, le clapet anti- retour (77) et, à l'embranchement avec la tubulure d'admission (60), un papillon (78) modulant par sa position angulaire, donnée par l'actionneur (79), la pression requise dans la tubulure d'admission (60). 8 . Moteur à explosion-combustion selon la revendication 7 caractérisé par un moteur frein (81), lié par un jeu de poulies (82)-(83) et une courroie (84) au carter du réducteur épicycloïdal (85) tournant autour de son axe permettant d'accroître instantanément la pression de l'air admis.