Brevet FR3077842A1 — publié le 20190816

MOTEUR 2 TEMPS LUBRIFIE COUPLÉ A UN MOTEUR STIRLING PAR COUPLAGE HYDROPNEUMATIQUE Introduction Le moteur 2 temps à combustion interne présente un cycle de deux mouvements linéaires du piston au lieu de quatre pour le moteur 4 temps, et cela tout en permettant les quatre opérations : admission, compression, combustion/détente et échappement Le moteur 2 temps offre ainsi une puissance spécifique voisine de 1,7 fois celle d'un moteur quatre temps de même cylindrée, grâce à un cycle moteur par tour contre un tous les deux tours pour le moteur à quatre temps. Le cycle se décompose ainsi: 1) Compression, combustion, détente puis échappement avec transfert du mélange combustible; 2) Admission, aspiration puis compression du mélange dans la partie basse du moteur. Les différentes étapes sont les suivantes : 1 ) détente (partie motrice du cycle) : lorsque le piston est en position haute, la bougie déclenche la combustion et l'explosion du mélange chassant le piston qui descend en comprimant le mélange présent sous lui dans le carter. Le reste du cycle est mu par l'inertie du piston. admission - échappement : Lors de la descente du piston, arrivé à proximité de la position basse, les lumières d'échappement et d'arrivée de mélange dans le cylindre sont libérées. Le mélange pénètre dans le cylindre en chassant les gaz de la combustion ; 2) compression : en remontant, le piston comprime le mélange dans le cylindre. Au passage, il obstrue la sortie d'échappement et l'entrée de mélange dans le cylindre, tout en créant une dépression dans le carter qui va permettre l'arrivée du mélange air-essence par le conduit d'arrivée du mélange, libéré par le piston en position haute. Propriétés : - Moteurs simples sans distribution, pas d'arbre à cames généralement ne disposant pas de soupapes ; sauf pour certains moteurs Diesel industriels, légers, avec peu de pièces en mouvement. - Puissance spécifique voisine de 1,7 fois celle d'un moteur quatre temps - Lubrification par mélange (huile dans l'essence) ou par injection d'huile (graissage séparé), d'où émission de fumée (à remarquer que les dernières normes relatives aux huiles deux temps imposent des émissions de fumée extrêmement faibles). De part ces propriétés, les moteurs 2 temps restent polluants car l'huile mélangée au carburant est brûlée en même temps que le carburant. De plus, selon le réglage du moteur, soit des gaz de combustion restent dans le cylindre à la fin de la détente diminuant le rendement du moteur, soit une partie du mélange s'échappe par la sortie d'échappement, entrainant une surconsommation et de la pollution. Ce dernier point limite fortement l'utilisation des moteurs 2 temps pour des carburant gazeux, notamment pour le di-hydrogène. Enfin, les moteurs à 2 temps, comme tous les moteurs à combustion interne, 55 génèrent une très forte perte d'énergie thermique au niveau des gaz d'échappement. En raison du faible Volume de certains de ces moteurs, il est souvent difficile de récupérer une partie de cette énergie thermique par l'introduction d'un turbo-compresseur. 2 Au travers de cette invention, nous proposons deux améliorations du moteur 2 temps à combustion interne qui, combinées, permettent une lubrification du moteur sans l'utilisation de mélange huile-carburant et une récupération d'une 5 partie de l'énergie thermique perdue au niveau des gaz d'échappement. Pour répondre aux problèmes environnementaux que pose l'utilisation des moteurs deux temps à combustion interne, nous proposons un moteur 2 temps 10 lubrifié fonctionnant à carter fermé, disposant d'une soupape tournante permettant d'éviter la perte d'huile par l'échappement ou l'admission et un moteur Stirling permettant à la fois d'absorber l'accumulation de l'huile et des gaz derrière le piston moteur lors de la descente du piston et d'améliorer les performances du moteur. 15 1) Dans ce cadre, nous proposons un dispositif de soupape tournante 1 permettant d'obturer, selon une séquence définie, la sortie 2 d'échappement du cylindre du moteur 3 et l'entrée 4 de carburant et d'air ou du mélange carburant- 20 air. 2) dans un mode de réalisation préférentiel, le dispositif de soupape tournante comprendra un cylindre tournant ou cylindre-soupape 1, enchâssé dans le cylindre du moteur 3 de manière à reconstituer un cylindre de moteur et tel que le 25 cylindre-soupape soit muni d'au moins un orifice, et préférentiellement de deux orifices 6 tel que, en tournant les orifices puissent passer alternativement devant la sortie d'échappement et l'entrée d'air et de carburant de façon à les obstruer de manière synchronisée au déplacement du piston. 303) dans certains modes de réalisation, les orifices du cylindre-soupape seront décalés selon l'axe Z, de manière à ce que chaque orifice de la soupape tournante corresponde respectivement à l'entrée d'air et de carburant et à la sortie d'échappement, tel que chaque orifice ne puisse s'aligner et ouvrir durant leur rotation, que l'entrée d'air et de carburant ou la sortie des gaz d'échappement, 35 respectivement. 4) dans un mode de réalisation, la rotation du cylindre 1 sera indexée au mouvement de translation d'un piston 7 au travers d'un pignon d'engrenage 8 introduit en bas du cylindre couplé à un autre engrenage 9 introduit au niveau de 40 l'axe 10 de la manivelle de la bielle du piston moteur, de telle sorte que le passage de l'orifice d'échappement du cylindre devant la sortie d'échappement et le passage de l'orifice d'entrée de gaz du cylindre devant l'entrée de carburant et d'air, soient synchronisés avec le passage du piston devant la sortie de gaz d'échappement et l'entrée de carburant et d'air. 45 5) dans un mode de réalisation particulier, au moins un et préférentiellement chaque orifice du cylindre tournant ou soupape rotative ou cylindre-soupape sera muni d'une trappe 11 coulissante permettant de fermer et d'ouvrir les orifices du cylindre en fonction de la position en rotation du cylindre, de telle sorte que 50 l'ouverture et la fermeture des trappes soient indexées à la position rotative du cylindre tournant et à la position du piston. 3 6) Dans un mode de réalisation particulier, chaque trappe sera munie d'une baïonnette 12 telle que un cylindre fixe de guidage 13, soit disposé au centre du cylindre tournant et telle que sur ledit cylindre fixe au moins un sillon de guidage 5 14 permet de guider le mouvement des trappes, de sorte que la baïonnette suive la trajectoire du sillon de guidage et actionne la trappe en fonction de la position rotative du cylindre tournant. 7) Dans un mode de réalisation particulier, plusieurs sillons de guidage de 10 profondeurs différentes permettent de guider différentes trappes disposant de baïonnettes de longueurs différentes. 8) dans certains modes de réalisation, certaines baïonnettes disposent de partie plate 15 permettant de réaliser le guidage de croisements de sillons pour une 15 baïonnette donnée en suivant son propre sillon. 9) Dans un mode de réalisation particulier, un moteur Stirling sera introduit entre la sortie d'échappement 2, et le cardan 18 tel que les gaz d'échappement représentent la source chaude du moteur Stirling. 20 10) Dans un mode de réalisation particulier, une capsule enserre 19 un volume d'expansion des gaz d'échappement 20 en sortie d'échappement du cylindre, de telle sorte que la capsule et le volume d'expansion soient étanches l'un par rapport à l'autre et que la capsule 19 s'ouvre dans au moins un cylindre Stirling 16 reliant la 25 capsule 19 au cardan 18 du moteur. Le cylindre 16 reliant la capsule au cardan, comprend un piston mobile 17. Un gaz de dilatation est introduit dans la capsule de dilatation jusqu'à la face supérieure du piston mobile 17, de sorte que les gaz d'échappement échauffent la paroi du volume d'expansion, cette dernière transmet la chaleur au gaz de dilatation contenu dans la capsule, entrainant la dilatation 30 dudit gaz de dilatation qui repousse le piston mobile 17 vers le cardan. 11) Dans un mode de mise en oeuvre particulier, l'explosion du mélange dans le cylindre moteur 3 repousse le piston moteur 7. En descendant, le piston moteur 7 refoule l'huile et le gaz contenus dans le cardan 18 dans le cylindre Stirling 16 35 (action hydropneumatique) reliant le cardan 18 et la capsule 19, entrainant la remontée du piston mobile Stirling 17 et la compression du gaz de dilatation contenu dans la capsule. D'autre part, en descendant le piston moteur 7 fait tourner le cylindre tournant ou soupape tournante 1-5 grâce à l'engrenage 9 installé sur l'axe de manivelle 10. En tournant, la soupape tournante déplace la baïonnette des 40 trappes dans les sillons de guidage entrainant leur ouverture en même temps que leur alignement à la sortie d'échappement 2. Notamment, l'ouverture devant la sortie des gaz d'échappement du cylindre moteur au moment du passage de piston devant ladite sortie des gaz d'échappement 2, permet ainsi aux gaz d'échappement de pénétrer dans le volume d'expansion 20. Le passage des gaz 45 d'échappement entraine l'échauffement de la paroi dudit volume d'expansion 20 qui chauffe le gaz de dilatation contenu dans la capsule. La dilatation du gaz de dilatation repousse le piston Stirling mobile 17 qui refoule le gaz et l'huile en-dessous dudit piston contenu dans le cylindre Stirling 16, de sorte que le piston moteur remontant dans le cylindre moteur est refoulé par l'huile et le gaz comprimé 50 par le piston Stirling mobile, aidant ainsi la remontée du piston moteur. 4 Le moteur Stirling permet d'ajouter à l'inertie du piston moteur, une énergie de refoulement du moteur Stirling en utilisant la chaleur des gaz d'échappement. Dans certains modes de réalisation, le piston mobile Stirling 22 comprend un piston étanche 23 et un piston non étanche 24 centré sur le piston étanche et 5 séparé du piston étanche par un ressort 25, de telle sorte que les pistons étanche et non étanche puissent se rapprocher sous l'écrasement du ressort. 12) dans certains modes de réalisation, la capsule contenant le gaz d'expansion du moteur Stirling enserre tout ou partie du cylindre du moteur. 10 13) dans certains modes réalisation, le piston du moteur Stirling ne sera pas libre mais relié par un système bielle-manivelle axe, au piston du moteur figure 4. 14) dans certains modes de réalisation, l'injection du carburant et de l'air dans le 15 cylindre mettra en oeuvre au moins un système de compresseur 21 ou de pompe, couplé à au moins un accumulateur à gaz. 15) dans certains modes de réalisation, le compresseur sera une machine à piston tournant 22 capable de compresser et ou pomper séparément un gaz et un 20 carburant tel que de l'air et du dihydrogène sans les mélanger. 25 LEGENDES DE L'ENSEMBLE DES FIGURES 1) soupape tournante,cylindre tournant formant le cylindre soupape 302) sortie d'échappement du cylindre du moteur 3) cylindre du moteur 4) entrée de carburant et d'air ou du mélange carburant air 5) cylindre tournant formant le cylindre soupape 6) orifice de la soupape tournante 35 7) piston moteur 8) pignon d'engrenage introduit en bas du cylindre soupape 9) pignon d'engrenage introduit au niveau de l'axe de manivelle 10 10) axe de manivelle du piston 7 11) trappe coulissante permettant de fermer et d'ouvrir les orifices du cylindre en 40 fonction de la position en rotation du cylindre 12) baïonnette 13) cylindre fixe de guidage 14) sillon de guidage 15) partie plate de baïonnette 45 16) cylindre moteur Stirling 17) piston mobile moteur Stirling 18) cardan moteur 19) capsule enserrant le volume d'expansion gaz échappement 20) volume d'expansion REVENDICATIONS1) Moteur à combustion interne deux temps, caractérisé en ce qu'il comprend, un dispositif de soupape tournante (1-5) permettant d'obstruer selon une séquence définie la sortie d'échappement (2) du cylindre du moteur (3) et l'entrée de carburant et d'air ou du mélange carburant air (4). 2) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que un dispositif de soupape tournante comprend un cylindre tournant (1-5) dénommé cylindre soupape, enchâssé dans le cylindre du moteur (3) de manière à reconstituer un cylindre d'un moteur et tel que le cylindre soupape comprend au moins un orifice (6), et préférentiellement deux orifices tels que en tournant, les orifices passent devant la sortie d'échappement et l'entrée d'air et de carburant, de façon à obstruer et à ouvrir alternativement la sortie d'échappement et l'entrée d'air de manière synchronisée au déplacement du piston, et de manière encore plus préférentielle, les orifices (6) seront décalés selon l'axe Z de manière à ce que chaque orifice corresponde respectivement à l'entrée d'air et de carburant et la sortie d'échappement, tel que lesdits orifices ne soient alignés et ne puissent être ouverts que par le passage de l'orifice avec lequel ils sont alignés. 3) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 2, caractérisé en ce que la rotation du cylindre soupape (5) est indexée au mouvement de translation d'un piston (7) au travers d'un pignon d'engrenage (8) introduit en bas du cylindre soupape couplé à un autre pignon d' engrenage (9) introduit au niveau d'un axe de manivelle (10) de la bielle d'un piston (7), tel que le passage de l'orifice d'échappement du cylindre devant la sortie d'échappement et le passage de l'orifice d'entrée de gaz du cylindre devant l'entrée de gaz et d'air, soient synchronisés avec le passage du piston devant la sortie de gaz d'échappement et l'entrée de carburant et d'air. 4) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que au moins un orifice du cylindre tournant / soupape tournante soit muni d'au moins une trappe coulissante (11) permettant de fermer et d'ouvrir ledit orifice du cylindre tournant en fonction de la position en rotation dudit cylindre de telle sorte que l'ouverture et la fermeture de la trappe soient indexées à la position rotative du cylindre tournant et à la position du piston. 5) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que chaque trappe est munie d'au moins une baïonnette (12) telle que un cylindre fixe de guidage (13), soit disposé au centre du cylindre tournant et sur lequel au moins un sillon de guidage (14) permet de guider le 45 mouvement de la au moins une trappe, de sorte que la baïonnette suive la trajectoire du sillon de guidage et actionne la trappe en fonction de la position rotative du cylindre tournant. 6) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce 50 que plusieurs sillons de guidage (14) de profondeurs différentes permettent de guider différentes trappes disposant de baïonnettes de longueurs différentes et que certaines baïonnettes disposent de partie plate (15) permettant de réaliser le guidage de la baïonnette à un croisement de sillons de guidage pour une baïonnette donnée en suivant son propre sillon. 7) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que un moteur Stirling comprenant au moins un cylindre (16) et au moins un piston (17) sera introduit entre la sortie d'échappement (2), et le 55 7 cardan (18) tel que les gaz d'échappement représentent la source chaude du moteur Stirling. 8) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en 5 ce qu'une capsule (19) enserre un volume d'expansion des gaz d'échappement (20) en sortie d'échappement du cylindre moteur, de telle sorte que la capsule et le volume d'expansion soient étanches l'un par rapport à l'autre et que la capsule s'ouvre dans au moins un cylindre Stirling (16) reliant la capsule au cardan (18) du moteur, et que le cylindre Stirling 10 (16) comprend un piston mobile (17), et que un gaz de dilatation soit introduit dans la capsule de dilatation jusqu'à la face supérieure du piston mobile (17). 9) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en 15 ce que le piston mobile (22) comprend un piston étanche (23) et un piston non étanche (24) centré sur le piston étanche et séparé du piston étanche par un ressort (25), de telle sorte que les pistons étanche et non étanche puissent se rapprocher sous l'écrasement du ressort. 20 10) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que des pistons mobiles étanche et non étanche d'un moteur Stirling soient reliés par un système bielle manivelle à l'axe de la manivelle de la bielle du piston du moteur (7). 25 11) Dispositif selon rune quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que l'injection du carburant et de l'air dans le cylindre moteur met en oeuvre au moins un système de compresseur tel que compresseur, pompe, pompe à piston tournant, couplé à au moins un accumulateur à gaz. 30