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(11) | EP 1 245 800 A1 |
| (12) | DEMANDE DE BREVET EUROPEEN |
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| (54) | Dispositif permettant dans un moteur à explosion l'admission et le refoulement simultané des gaz entrants et des gaz brûlés |
| (57) La présente invention se rapporte à un dispositif de moteur à explosion comportant
un piston (1) à déplacement linéaire coulissant dans un cylindre (3), dispositif dans
lequel des soupapes assurent l'admission et l'échappement des gaz, dispositif dans
lequel au moins une soupape (2) prend lieu et place sur la tête dudit piston (1),
de manière à assurer la vidange des gaz par l'intérieur dudit piston (1) suivant pratiquement
tout son axe longitudinal. Le dispositif selon l'invention est particulièrement destiné aux moteurs à explosion à injection directe, où l'air peut être admis indépendamment, entre la fin du temps moteur et le début de la compression. |
[0001] La présente invention se rapporte au domaine des moteurs à explosion, et plus particulièrement à un dispositif pour admettre les gaz dans le cylindre d'un moteur à explosion et en vidanger simultanément le contenu.
[0002] L'admission dans les moteurs à explosion à pistons à déplacement linéaire est traditionnellement effectuée durant l'un des quatre temps du moteur appelé « admission », les gaz étant introduits dans le cylindre d'une manière opposée à la tête du piston à partir d'une ou de plusieurs soupapes situées sur le fond du cylindre, lesdites soupapes s'ouvrant lors de la descente dudit piston.
[0003] L'échappement dans ces moteurs à explosion à pistons à déplacement linéaire est traditionnellement effectué durant l'un des quatre autres temps du moteur appelé « échappement », les gaz brûlés étant évacués lors du retour dudit piston, au travers d'une ou de plusieurs autres soupapes situées également sur le fond du cylindre et d'une manière opposée à la tête dudit piston.
[0004] En dehors de ces deux phases, « admission » et « échappement » qui nécessitent un aller et un retour du piston, il existe une troisième phase appelée « compression » des gaz admis dans le cylindre, puis une quatrième phase appelée « explosion », appelée également « temps moteur », phase durant laquelle le piston s'écarte violemment du fond de cylindre exerçant une force, par l'intermédiaire de la bielle, sur le maneton du vilebrequin entraînant l'arbre moteur.
[0005] Un piston de moteur à explosion de ce type effectue traditionnellement deux allers et deux retours, d'où son appellation moteur à « quatre temps », alors que le vilebrequin ne reçoit qu'une seule poussée de travail (temps moteur), pour les deux allers-retours effectués.
[0006] Cela signifie donc qu'un piston ne travaille que tout les « deux tours » de vilebrequin, obligeant à doubler le nombre de cylindres pour permettre à un moteur de ce type de « générer » les autres temps (admission / compression / échappement).
[0007] Le moteur à « deux temps » connu pour certaines applications, ne fait qu'un aller-retour et donne un temps moteur au moment de la descente du piston. Il fait appel à des « lumières », qui sont en fait des orifices qui sont découverts, afin de maintenir le temps moteur, que lorsque le piston arrive en bas de sa course, de manière à remplir et à vidanger le cylindre d'une manière quasiment simultanée. Un des inconvénients majeurs de ces lumières servant, soit à l'alimentation, soit à la vidange des gaz, est qu'elles détériorent les segments portés par le piston, lesquels sont nécessaires à l'étanchéité fonctionnelle entre le piston et le cylindre, ces segments subissant une abrasion lors de leur passage devant les orifices. De ce fait, le dimensionnement des lumières est strictement réduit et n'autorise pas la circulation d'une quantité importante de gaz.
[0008] Par ailleurs, ces lumières ne sont pratiquement découvertes que lorsque le piston arrive au « point mort bas », n'offrant alors qu'un temps très réduit pour effectuer la circulation des gaz.
[0009] Cette solution connue du moteur à deux temps intéresse certaines applications, le secteur automobile ne faisant pas appel à ce type de solution, notamment pour les raisons exposées.
[0010] La présente invention entend donc remédier à ces inconvénients en proposant un dispositif permettant l'admission des gaz par une soupape (soupape d'admission) et le refoulement des gaz brûlés par une autre soupape (soupape d'échappement) de manière simultanée, lesdits gaz brûlés étant chassés par lesdits gaz d'admission.
[0011] A cet effet, la présente invention concerne, dans son acception la plus large, un dispositif de moteur à explosion comportant un piston à déplacement linéaire coulissant dans un cylindre, dispositif dans lequel la tête dudit piston est équipée d'au moins une soupape assurant la circulation des gaz, caractérisé en ce que le dessous de ladite soupape est raccordé à une ligne d'échappement des gaz pour assurer la vidange dudit cylindre.
[0012] Avantageusement, la tête dudit piston servant de siège à ladite soupape constitue une chambre étanche avec un pied de bielle.
[0013] Ladite soupape d'admission située sur la tête du piston, dite soupape embarquée, permet d'envoyer une « chasse d'air » suivant tout l'axe longitudinal du cylindre, de telle sorte que les gaz admis repoussent devant eux les gaz brûlés qui s'évacuent par une soupape d'échappement située d'une manière totalement opposée, cela d'une manière simultanée.
[0014] L'opération d'admission est effectuée par l'ouverture de la soupape embarquée dès la fin du temps moteur, soit environ 140 degrés après le « point mort haut » du piston, jusqu'à la position angulaire correspondant à plus de 40 degrés après le point mort bas, la soupape d'échappement étant elle aussi ouverte durant cette même position angulaire.
[0015] La phase « admission/échappement » se déroule donc entre la fin du temps moteur et la phase de compression, durant le même aller-retour du piston, de manière à ramener les quatre temps d'un moteur à explosion à trois temps du typé : Temps moteur / admission et échappement / compression.
[0016] Avantageusement, ladite soupape embarquée est commandée à l'ouverture et à la fermeture grâce à une came appartenant au pied de bielle.
[0017] Avantageusement, ladite soupape embarquée sur le piston assure l'admission des gaz contenus dans le cylindre.
[0018] De préférence, ladite soupape embarquée sur le piston est à étage, de telle sorte qu'une petite soupape assure la décompression des gaz pour permettre le soulèvement de la soupape.
[0019] Avantageusement, un clapet anti-retour situé dans la tubulure d'échappement empêche les reflux provenant d'un collecteur d'échappement.
[0020] Dans un mode de réalisation préféré, ladite soupape embarquée sur le piston est du type à deux battants articulés suivant un axe appartenant au piston.
[0021] De préférence, le dispositif comporte des orifices dans la partie inférieure du piston appelée "jupe", lesdits orifices étant situés en dessous de segments assurant l'étanchéité aux gaz entre ledit piston et sa chemise et communiquant avantageusement avec le dessous de ladite soupape dans la chambre étanche.
[0022] Avantageusement, les orifices réalisés dans la jupe du piston permettent de faire circuler les gaz contenus par le cylindre en fonction de la position du piston dans le cylindre, les orifices constituant avec le cylindre un distributeur à tiroir.
[0023] Ladite soupape, présentant une circulation des gaz arrivant par les orifices aménagés dans la partie basse du cylindre et circulant au travers des orifices aménagés dans ladite jupe du piston, constitue un distributeur à tiroir avec ledit piston dans lequel la soupape coulisse.
[0024] Dans un mode de réalisation préférée de l'invention, les orifices bas du cylindre sont obturés par un distributeur dont l'ouverture est commandée en fonction de la position du piston dans le cylindre.
[0025] Un tel système d'obturation permet d'obturer l'arrivée des gaz, dans le cas où la « jupe » dudit piston ne descendrait pas de manière suffisamment basse lorsque le piston est en position haute.
[0026] Avantageusement, la pression des gaz, circulant dans le piston constitué d'une double chemise assurant leur circulation entre les orifices pratiqués dans le bas de la jupe et la chemise étanche, assure le soulèvement de ladite soupape.
[0027] Ainsi, la soupape embarquée est assistée dans son déplacement par la pression exercée par les gaz d'admission.
[0028] La jupe du piston joue donc le rôle de distributeur à tiroir lorsque ledit piston redescend et qu'il se situe à une certaine cote, faisant communiquer ses orifices qui débouchent sous la tête de ladite soupape, avec les orifices situés en bas du cylindre et par lesquels arrivent les gaz d'admission, qui circulent dans une canalisation appartenant au bloc moteur.
[0029] En outre, la jupe du piston assure, par son effet de distributeur à tiroir, l'étanchéité des orifices par lesquels arrivent les gaz d'admission, lorsque le piston est en position haute.
[0030] On comprendra mieux l'invention à l'aide de la description, faite ci-après à titre purement explicatif, d'un mode de réalisation de l'invention, en référence aux figures annexées suivantes :
- les figures 1, 2 et 3 illustrent des vues en coupe du dispositif selon un premier mode de réalisation de l'invention ;
- les figures 4, 5 et 6 illustrent le mode de commande de la soupape installée sur la tête du piston selon l'invention ;
- les figures 7 et 8 illustrent des vues en coupe du dispositif selon un second mode de réalisation de l'invention ;
- les figures 9, 10, 11 et 12 illustrent le principe d'un moteur à « quatre temps » ;
- les figures 13 et 14 illustrent des vues en coupe du dispositif selon un troisième mode de réalisation de l'invention ; et
- la figure 15 illustre un clapet anti-retour à battant selon l'invention.
[0031] En référence aux figures 1 à 6, le dispositif comporte une soupape (2), jouant le rôle de tête du piston (1), ledit piston (1) servant de siège à ladite soupape (2). Ledit piston (1) constitue avec le dessous de la soupape (2) un distributeur à tiroir permettant de mettre en communication ses orifices (12) avec les orifices (13) par lesquels arrivent les gaz d'admission, de telle sorte que l'admission des gaz se réalise au travers dudit piston, repoussant les gaz brûlés qui s'évacuent par la soupape d'échappement (5) située d'une manière opposée audit piston, ladite soupape (5) étant commandée par la came (6).
[0032] Le pied de bielle (8) assure une étanchéité avec le fond du piston (1), grâce à des rainures de décompression (17), lors de sa rotation occasionnée par le vilebrequin. La partie supérieure (16) du pied de bielle (8) assure le soulèvement et l'abaissement du clapet (2), en fonction de la position angulaire (a1) du pied de bielle, la came à ressort (7) se comprimant, de manière à esquiver ce soulèvement lorsque le cylindre est sous pression (temps moteur ou compression des gaz, lorsque la bielle connaît des positions angulaires identiques).
[0033] Lorsque la bielle remonte après le Point Mort Bas, la soupape embarquée (2) est tirée vers le bas, par l'intermédiaire de la came à ressort (7), en même temps que le piston (1) remonte dans le cylindre (3), et où les orifices (13) appartenant au cylindre (3) et les orifices (12) appartenant au piston (1) ne communiquent plus, et que seule la pression qui augmente à l'intérieur du cylindre plaque la soupape (2) sur son siège constitué du piston (1), le reliquat de pression emprisonné entre le piston (1) et la soupape (2), s'évacuant grâce au jeu fonctionnel existant entre la jupe dudit piston et le bas du cylindre, où des reniflards assurent la mise à l'air libre.
[0034] La jupe du piston (10) assure l'obturation de l'arrivée des gaz (13), lorsque le piston est au Point Mort Haut.
[0035] Les figures 7 et 8 illustrent des vues en coupe du dispositif constitué par une soupape du type « papillon », laquelle offre un encombrement moindre que la soupape traditionnellement connue dite « soupape à queue ».
[0036] Les figures 9, 10, 11 et 12 expliquent les quatre temps du moteur à explosion traditionnel appelé "à quatre temps" et présentent les positions angulaires suivant lesquelles les soupapes sont commandées sur les moteurs existant actuellement, et où :
PMH = Point Mort Haut
PMB = Point Mort Bas
AOA = Avance à l'Ouverture à l'Allumage
AA = Avance à l'Allumage
RFA = Retard à la Fermeture à l'Admission
RFE = Retard à la Fermeture à l'Echappement
[0037] Le dispositif selon la présente invention a pour but de ramener ce type de moteur à deux temps, le dispositif permettant d'envoyer une admission des gaz par la soupape (2) au travers du piston (1), en chassant devant eux d'une manière totalement simultanée, les gaz brûlés qui sont refoulés au travers de la soupape d'échappement (5). Cette opération se situant entre la phase AOE (Avance Ouverture à l'Echappement), illustrée figure 11, et la phase RFA (Retard Fermeture à l'Admission), illustrée figure 9, durant une position angulaire d'environ 130 degrés après le Point Mort Haut (PMH), et à plus de 40 degrés après le Point Mort Bas (PMB).
[0038] Les figures 13 et 14 présentent un mode d'étanchéité possible par clapet anti-retour commandé par la position du piston, dans le cas où la jupe du piston du fait de sa faible hauteur pourrait découvrir les orifices du cylindre par lequel circulent les gaz, au moment où le piston est en position haute dans le cylindre.
[0039] De même, est illustrée une soupape avec un clapet étagé permettant de décomprimer les gaz contenus entre le cylindre et le piston, lorsque l'échappement se fera par l'intérieur dudit clapet embarqué et par l'intérieur dudit piston.
[0040] Selon une variante de réalisation, le piston est constitué d'une double chemise assurant la circulation des gaz d'admission entre les orifices pratiqués en bas de la jupe et la chambre étanche servant de siège à ladite soupape.
[0041] L'invention s'applique en particulier aux moteurs à injection directe, dans lesquels l'air qui alimente le moteur est introduit dans le cylindre à partir d'un turbo-compresseur, d'une manière indépendante par rapport au carburant.
[0042] La figure 15 illustre un clapet anti-retour à battant situé dans la ligne d'évacuation des gaz, afin d'éviter les reflux provenant de l'évacuation des autres cylindres débouchant dans le collecteur d'échappement, dans le cas où l'évacuation des gaz se ferait par l'intérieur du piston.
1. Dispositif de moteur à explosion comportant un piston (1) à déplacement linéaire coulissant
dans un cylindre (3), dispositif dans lequel la tête dudit piston (1) est équipée
d'au moins une soupape (2) assurant la circulation des gaz, caractérisé en ce que le dessous de ladite soupape (2) est raccordé à une ligne d'échappement des gaz pour
assurer la vidange dudit cylindre (3).
2. Dispositif de moteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la tête dudit piston (1) servant de siège à ladite soupape (2) constitue une chambre
étanche avec un pied de bielle (8).
3. Dispositif de moteur selon les revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comporte des orifices (12) dans la partie inférieure dudit piston (1) appelée "jupe",
lesdits orifices (12) étant situés en dessous de segments (4) assurant l'étanchéité
aux gaz entre ledit piston et sa chemise.
4. Dispositif de moteur selon la revendication 3, caractérisé en ce que lesdits orifices (12) communiquent avec le dessous de ladite soupape (2) dans la
chambre étanche.
5. Dispositif de moteur selon les revendications 3 et 4, caractérisé en ce que lesdits orifices (12) réalisés dans la jupe dudit piston (1) permettent de faire
circuler les gaz contenus par ledit cylindre (3) en fonction de la position dudit
piston (1) dans ledit cylindre (3), lesdits orifices (12) constituant avec ledit cylindre
(3) un distributeur à tiroir.
6. Dispositif de moteur selon l'une quelconque des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que ladite soupape (2), présentant une circulation des gaz arrivant par des orifices
(13) aménagés dans la partie basse du cylindre (3) et circulant au travers desdits
orifices (12) aménagés dans la jupe dudit piston (1), constitue un distributeur à
tiroir avec ledit piston (1) dans lequel ladite soupape (2) coulisse.
7. Dispositif de moteur selon la revendication 6, caractérisé en ce que les orifices bas (13) dudit cylindre (3) sont obturés par un distributeur (19) dont
l'ouverture est commandée en fonction de la position dudit piston (1) dans ledit cylindre
(3).
8. Dispositif de moteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que ladite soupape (2) embarquée est commandée à l'ouverture et à la fermeture grâce
à une came (7) appartenant au pied de bielle (8).
9. Dispositif de moteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que ladite soupape (2) embarquée sur ledit piston (1) assure l'admission des gaz contenus
dans ledit cylindre (3).
10. Dispositif de moteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que la pression des gaz, circulant dans ledit piston (1) constitué d'une double chemise
assurant leur circulation entre lesdits orifices (12) pratiqués dans le bas de la
jupe et la chemise étanche, assure le soulèvement de ladite soupape (2).
11. Dispositif de moteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que ladite soupape (2) embarquée sur ledit piston (1) est à étage, de telle sorte qu'une
petite soupape assure la décompression des gaz pour permettre le soulèvement de la
soupape.
12. Dispositif de moteur selon l'une quelconque des revendications 1 et 11, caractérisé en ce qu'un clapet anti-retour situé dans la tubulure d'échappement empêche les reflux provenant
d'un collecteur d'échappement.
13. Dispositif de moteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que ladite soupape (2) embarquée sur ledit piston (1) est du type à deux battants articulés
suivant un axe appartenant audit piston (1).