[0001] La présente invention se rapporte à un moteur à combustion interne comprenant au
moins un espace cylindrique dont le volume est fonction de la position axiale d'un
piston moteur associé à un système bielle manivelle, cet espace cylindrique renfermant
un second piston, solidaire d'une extrémité d'un élément tubulaire axial, un volume
variable formé entre lesdits pistons, des moyens d'admission d'un mélange combustible
associés audit élément tubulaire axial, muni d'au moins une ouverture latérale, adjacente
audit second piston, des moyens pour l'allumage de ce mélange combustible et des moyens
pour l'évacuation des gaz brûlés.
[0002] Les avantages et inconvénients liés aux moteurs à combustion interne dans lesquels
le mélange combustible est comprimé dans un cylindre par un piston à mouvement alternatif
associé à un système bielle manivelle sont bien connus. Un grand nombre de solutions
alternatives ont été proposées pour remédier aux inconvénients, mais pour l'essentiel
on en revient au moteur à piston alternatif associé à un système bielle manivelle
auquel on apporte sans cesse de nouvelles améliorations. C'est ainsi que l'on a déjà
proposé, en vue d'améliorer le rendement du moteur à haut régime de surcomprimer le
mélange de gaz combustible, on a également proposé des systèmes d'allumage électronique
ainsi que quantité de dispositions particulières pour rendre ces moteurs plus performants
et moins polluants.
[0003] On a déjà proposé dans le WO 98/26166 un moteur comprenant un cylindre renfermant
deux pistons dont l'un est un piston mobile, solidaire d'un système bielle manivelle,
tandis que l'autre est un piston fixe solidaire d'un conduit tubulaire coaxial à la
chambre de combustion cylindrique. L'extrémité de ce conduit située à proximité du
piston fixe est ouverte, tandis que son autre extrémité est reliée à une alimentation
en mélange combustible. La chambre de combustion est formée entre la face du piston
mobile située à l'extérieur d'une chambre intermédiaire formée entre les deux pistons
et le cylindre qui les renferme. Dans un premier temps, lorsque la communication est
interrompue entre la chambre intermédiaire et la chambre de combustion, le mélange
combustible est comprimé dans la chambre de combustion tandis que le volume de la
chambre intermédiaire croît, créant une dépression qui provoque l'arrivée du mélange
combustible dans cette chambre intermédiaire. L'explosion du mélange comprimé dans
la chambre de combustion se produit en fin de course du piston mobile. Dans un premier
temps, le mélange combustible aspiré dans la chambre intermédiaire est comprimé par
le piston mobile, jusqu'à ce qu'il mette en communication les deux chambres, en même
temps qu'il dégage une lumière d'échappement ménagée dans la paroi du cylindre, en
sorte que le gaz brûlé s'échappe, simultanément au transfert du mélange combustible
de la chambre intermédiaire dans la chambre de combustion. Ce moteur fonctionne donc
comme un moteur à deux temps muni d'un piston mobile annulaire et alimenté par un
conduit coaxial au cylindre.
[0004] Bien que ce moteur comporte deux pistons, l'évacuation des gaz brûlés de la chambre
de combustion n'est pas améliorée par rapport aux moteurs à deux ou à quatre temps.
Au contraire, ce moteur présente à cet égard les mêmes inconvénients que les moteurs
à deux temps, c'est-à-dire qu'il s'agit en particulier d'un moteur polluant, rejetant
forcément une certaine proportion de gaz non brûlés puisque ceux-ci entrent dans la
chambre de combustion pendant l'évacuation des gaz brûlés.
[0005] Le but de la présente invention est notamment de remédier, au moins en partie, aux
inconvénients des moteurs à combustion interne.
[0006] A cet effet, cette invention a pour objet un moteur à combustion interne tel qu'il
est défini par la revendication 1.
[0007] Le moteur objet de l'invention présente de nombreux avantages, dont la plupart seront
mentionnés après la description détaillée de l'invention, dans la mesure où ils seront
mieux compréhensibles suite à cette description. On peut cependant déjà citer le fait
que le moteur à double pistons indépendants, selon la présente invention, permet d'obtenir
une évacuation pratiquement totale des gaz brûlés conduisant à des conditions d'explosion
optimales et de réduire la pollution due aux gaz d'échappement.
[0008] Le dessin annexé illustre, très schématiquement et à titre d'exemple, deux formes
d'exécutions et une variante du moteur objet de la présente invention.
[0009] La figure 1 est une vue en coupe axiale d'un cylindre de moteur selon la première
forme d'exécution représentant les organes mobiles, participant au processus d'explosion
d'un mélange combustible, dans une première position correspondant au début d'un cycle
d'explosion;
[0010] la figure 2 est une vue semblable à la figure 1, représentant les organes mobiles
dans une deuxième position du cycle d'explosion;
[0011] la figure 3 est une vue semblable à la figure 1, dans une troisième position du cycle
d'explosion;
[0012] la figure 4 est une vue semblable à la figure 1, dans une quatrième position du cycle
d'explosion;
[0013] la figure 5 est une vue semblable à la figure 1 dans la position finale du cycle
d'explosion;
[0014] la figure 6 est une vue en coupe axiale d'un cylindre de moteur selon la seconde
forme d'exécution représentant les organes mobiles, participant au processus d'explosion
d'un mélange combustible, dans une première position correspondant à la compression
maximum du mélange combustible;
[0015] la figure 7 est une vue semblable à la figure 6 dans la phase d'explosion;
[0016] la figure 8 est une vue semblable à la figure 6 dans une phase de détente du mélange
combustible après l'explosion;
[0017] la figure 9 est une vue semblable à la figure 6 dans une phase d'échappement des
gaz brûlés et d'aspiration du mélange de gaz;
[0018] la figure 10 est une vue semblable à la figure 6 dans la position d'expansion maximum
du piston moteur;
[0019] la figure 11 est une vue semblable à la figure 6 dans la position d'évacuation totale
des gaz brûlés;
[0020] la figure 12 est une vue semblable à la figure 6 au cours du transfert du mélange
combustible de l'espace entre les deux pistons à la chambre de combustion;
[0021] la figure 13 est un diagramme représentant les déplacements des différents organes
d'un cylindre de combustion en fonction du temps au cours d'un cycle d'explosion,
relatif à la forme d'exécution des figures 1 à 5;
[0022] la figure 14 est un diagramme semblable à celui de la figure 13, relatif à la seconde
forme d'exécution.
[0023] Seul un cylindre de combustion et les organes mobiles qui lui sont associés sont
représentés sur les figures du dessin. Les éléments classiques bielle manivelle pour
transformer le mouvement alternatif du piston moteur en rotation ne sont pas représentés,
si ce n'est une portion de bielle B associée au piston moteur, étant donné qu'ils
sont connus de l'homme de l'art et ne sont pas nécessaires à la compréhension de l'invention,
qui se rapporte essentiellement à la partie cylindre de combustion renfermant deux
pistons mobiles à déplacements indépendants l'un de l'autre.
[0024] La partie de moteur illustrée par la figure 1 comporte un cylindre 1 dans lequel
coulissent deux pistons, un piston moteur 2 dont la face externe est associée à la
bielle B et un second piston 3. La face de ce second piston 3, située à l'extérieur
de l'espace cylindrique formé entre lui et le piston moteur 2, est solidaire d'une
tige tubulaire axiale 4 montée coulissante à l'intérieur d'un obturateur 5 de forme
également tubulaire, lui-même monté coulissant dans une partie tubulaire centrale
1b ménagée dans le fond du cylindre 1. Le fond de ce cylindre 1 comporte une ouverture
d'échappement 6 contrôlée par une soupape 7 ainsi qu'une bougie d'allumage 8.
[0025] La tige tubulaire 4 du second piston 3, appelé piston balayeur 3, située à l'extrémité
opposée à celle qui est solidaire de ce piston balayeur 3 se termine par une partie
allongée 4a en forme de barrette ou de languette, en un matériau magnétique, engagée
dans un solénoïde 9 connecté à un dispositif d'alimentation électrique commandé par
une servocommande 10. Ce dispositif d'alimentation 10 peut également être relié à
deux autres solénoïdes 11 et 12 dans lesquels sont engagées respectivement une partie
allongée 5a en matériau magnétique, solidaire de l'obturateur tubulaire 5 et une tige
magnétique 7a solidaire de la soupape 7. Dans une variante non représentée, la soupape
7 peut aussi être actionnée par un arbre à cames classique au lieu de l'être par le
solénoïde 12. La bougie d'allumage 8 peut être alimentée par ce même dispositif d'alimentation
à servocommande 10.
[0026] Une buse d'alimentation 13 en mélange combustible, formé, dans un carburateur non
représenté, par un mélange gazeux d'air et de combustible, dans lequel des micro-gouttelettes
de combustible sont dispersées, est montée dans une position fixe à l'intérieur de
la partie tubulaire axiale 4 mobile.
[0027] Le piston balayeur 3 présente une ouverture centrale 3a, de préférence de forme tronconique,
qui permet au conduit formé à l'intérieur de la partie tubulaire axiale 4 de communiquer
avec l'espace situé entre les deux pistons 2 et 3.
[0028] A proximité du piston balayeur 3, des ouvertures latérales 4c traversent la partie
tubulaire axiale 4 et sont ainsi susceptibles de faire communiquer la partie du cylindre
1 située au-dessous du piston balayeur 3 et constituant la chambre de combustion 15
avec l'espace situé entre les deux pistons 2, 3 et constituant l'antichambre d'admission
des gaz frais 14, comme on peut le constater en particulier sur la figure 4. Ces ouvertures
latérales 4c sont contrôlées par l'obturateur 5, susceptible de les fermer comme illustré
par les figures 1 à 3 ou de les ouvrir comme illustré par les figures 4 et 5.
[0029] La face interne du piston moteur 2 présente, en son centre, un bouchon tronconique
2a de forme complémentaire à l'ouverture tronconique 3a ménagée au centre du piston
balayeur 3, en sorte qu'il ferme cette ouverture 3a lorsque les deux pistons 2, 3
se rejoignent, comme illustré par les figures 1 et 5. Une tige axiale 2b fait saillie
du centre de ce bouchon tronconique 2a. Cette tige axiale 2b est dimensionnée pour
fermer l'ouverture de distribution de la buse d'alimentation 13 lorsque le piston
2 descend en direction du fond du cylindre 1, comme illustré par la figure 3.
[0030] Comme on pourra s'en rendre compte au cours de la description relative au fonctionnement
qui va suivre, les deux pistons 2, 3 permettent de délimiter deux chambres à volumes
variables, l'antichambre d'aspiration des gaz frais 14 (figure 3) qui a sensiblement
la forme d'un cylindre plein et la chambre de combustion 15 (figure 5) qui est de
forme annulaire, puisqu'elle est formée autour de l'obturateur tubulaire 5. A noter
d'ailleurs que le diamètre de cette partie tubulaire centrale formée de l'obturateur
5 et de la tige tubulaire 4 du piston balayeur 3 peut être augmenté, pour que le rapport
de volumes entre l'antichambre d'aspiration des gaz frais 14 et la chambre de combustion
15 soit relativement grand, avec les avantages que l'on expliquera par la suite.
[0031] Outre l'ouverture d'échappement 6, la paroi latérale du cylindre 1 comporte encore
des lumières de rupture de pression 1a, situées juste au-dessous du piston balayeur
3 dans la position d'expansion maximum illustrée par la figure 1.
[0032] Nous allons suivre les différentes phases de fonctionnement du cylindre de moteur
à explosion décrit ci-dessus au cours d'un cycle d'explosion, en se référant aux figures
1 à 5, ainsi qu'au diagramme de la figure 13, représentant les mouvements des principaux
éléments entrant en jeu dans le cycle d'explosion.
[0033] La position 0 de ce diagramme correspond à l'explosion du mélange combustible comprimé
comme illustré par la figure 5. Suite à la détente des gaz, consécutive à cette explosion,
les deux pistons 2 et 3 appliqués l'un contre l'autre sont poussés dans la position
d'expansion maximum illustrée par la figure 1 et correspondant à 90° du cycle d'explosion
sur le diagramme de la figure 13. Au cours de ce mouvement, l'obturateur 5 suit le
piston balayeur 3.
[0034] Dès que les deux pistons 2, 3 ont atteint leur position de fin de la course d'expansion,
illustrée par la figure 1 et correspondant à 90° du cycle d'explosion, la pression
dans la chambre de combustion 15 chute brusquement suite au dégagement des lumières
1a par le piston balayeur 3. L'obturateur 5 accompagne ce piston balayeur 3. Dès que
la pression de la chambre de combustion a chuté, le solénoïde 9 agissant sur la partie
magnétique allongée 4a entraîne le piston balayeur 3 à une vitesse supérieure à celle
du piston moteur 2, en sorte qu'il arrive en fin de course opposée, 90° du cycle d'explosion
avant le piston moteur 2 en liaison cinématique avec le système bielle manivelle,
comme on le voit sur le diagramme de la figure 13.
[0035] Pendant tout ce mouvement du piston balayeur 3 en direction de la soupape 7, celle-ci
est décollée de son siège par le solénoïde 12 agissant sur la tige 7a de la soupape
7, permettant l'évacuation complète des gaz brûlés, puisqu'en fin de course du piston
balayeur 3, le volume de la chambre de combustion est nul ou quasi nul. Le soulèvement
de la soupape 7 par le solénoïde 12 pour dégager l'ouverture d'échappement 6 ne nécessite
pas que le solénoïde 12 exerce une force élevée sur la tige 7a, puisque l'intérieur
de la chambre de combustion a été préalablement mise en communication avec l'atmosphère
par le dégagement des lumières 1a, en sorte que la pression à l'intérieur de la chambre
de combustion 15 peut être fortement réduite.
[0036] Dès que le piston balayeur 3 quitte le piston moteur 2, l'ouverture conique 3a située
à l'extrémité de la tige tubulaire 4 du piston balayeur 3 est dégagée, mettant en
communication la buse d'alimentation 13 avec l'espace situé entre les deux pistons
2, 3 et qui constitue l'antichambre 14 des gaz frais. Ces gaz frais ont été aspirés
suite à la dépression engendrée consécutivement à l'augmentation de volume de l'antichambre
susmentionnée, par le déplacement du piston balayeur 3 dont la vitesse est supérieure
à celle du piston moteur 2, après l'expansion maximum de la chambre de combustion
15, comme on peut le remarquer sur le diagramme de la figure 13.
[0037] En arrivant à la phase illustrée par la figure 3 et correspondant à la moitié du
cycle d'explosion, la soupape 7 va fermer l'ouverture d'échappement 6, l'obturateur
tubulaire 5 est abaissé par le solénoïde 11, pour dégager les ouvertures latérales
4c et le piston balayeur est déplacé par le solénoïde 9 vers le piston moteur 2. Durant
ce déplacement du piston balayeur 3, le piston moteur 2 continue sa descente, comprimant
le gaz frais en même temps que celui-ci est transféré de l'antichambre 14 formée entre
les deux pistons 2, 3 à la chambre de combustion 15 à travers les ouvertures latérales
4c.
[0038] Dès le début de cette phase de compression et de transfert du gaz frais, la tige
axiale 2b, solidaire du piston moteur 2, ferme la sortie de la buse de gaz frais 13,
empêchant le refoulement de ces gaz vers le carburateur (non représenté) comme illustré
par la figure 4.
[0039] Une fois que le piston balayeur 3 bute contre le piston moteur 2, tout le gaz frais
a été transféré de l'antichambre d'alimentation 14 dans la chambre de combustion 15.
Lorsque le piston moteur 2 atteint sa position maximum de compression, l'obturateur
5 ferme les ouvertures latérales 4c (figure 5) et l'explosion est produite par l'allumage
de la bougie 8, amenant les pièces mobiles dans la position illustrée par la figure
1 où un nouveau cycle peut recommencer.
[0040] Outre le fait que le piston balayeur 3 permet une évacuation pratiquement complète
des gaz brûlés à la suite de chaque explosion, on peut relever plusieurs autres avantages
découlant du moteur à explosion décrit ci-dessus.
[0041] Dans la mesure où l'évacuation des gaz brûlés n'est plus réalisée par le piston moteur
2, mais par le piston évacuateur 3, le volume de la chambre de combustion 15, à compression
maximum des gaz frais précédant l'explosion, peut être augmenté, ce qui correspond
à une augmentation de la puissance du moteur.
[0042] Le rapport entre le volume de l'antichambre d'aspiration 14 et la chambre de combustion
15, ou plus exactement le rapport entre la surface cylindrique de l'antichambre 14
et la surface annulaire de la chambre de combustion 15 permet de déterminer la pression
des gaz frais dans la chambre de combustion avant explosion. Plus le diamètre interne
de la partie tubulaire 4, 5 est grand, plus cette pression est élevée pour une même
course du piston moteur 2, puisque les gaz frais aspirés dans le volume de l'antichambre
d'alimentation 14 sont ensuite transférés dans le volume annulaire de la chambre de
combustion 15.
[0043] Ceci permet notamment de réduire, voire de supprimer les pertes de rendement du moteur
à haut régime sans nécessiter de turbo-compresseur.
[0044] Etant donné que le piston moteur n'est plus utilisé pour évacuer les gaz brûlés,
on peut avoir une explosion tous les deux temps, sans avoir les inconvénients liés
aux moteurs à deux temps classiques. On peut donc avoir, pour la même puissance, un
moteur deux fois plus petit qu'avec un moteur quatre temps, puisque le nombre des
cylindres peut être divisé par deux.
[0045] L'évacuation optimale des gaz brûlés permet une explosion des gaz de meilleure qualité
que dans un moteur à quatre temps. Elle permet aussi de réduire la pollution due aux
gaz d'échappement.
[0046] Nous allons maintenant nous reporter aux figures 6 à 12 relatives à la seconde forme
d'exécution.
[0047] La différence essentielle entre cette seconde forme d'exécution et la première décrite
ci-dessus réside dans le fait que le piston moteur 22 est ici un piston cloche dont
la partie tubulaire 22c constitue la paroi latérale de l'antichambre de gaz frais
34 (figure 9) et de la chambre de combustion 35. Le fond de cette chambre de combustion
35 est formé par la partie de bâti fixe 21 qui porte la bougie d'allumage 28. Cette
partie fixe ne comporte donc plus de cylindre, celui-ci étant formé par la paroi latérale
tubulaire 22c du piston cloche 22. Cette partie tubulaire 22c du piston cloche 22
est montée coulissante le long d'une paroi latérale externe 21c de la partie fixe
21 du moteur qui s'étend au-dessous du fond de la chambre de combustion 35. Des lumières
d'échappement 22d sont ménagées à travers la paroi latérale tubulaire 22c du piston
cloche 22.
[0048] Les autres éléments de cette forme d'exécution sont pratiquement les mêmes et ont
les mêmes fonctions que ceux de la première forme d'exécution. Les mêmes numéros de
références, augmentés de 20, ont été utilisés pour désigner les éléments de la seconde
forme d'exécution qui sont comparables aux éléments de la première forme d'exécution.
[0049] Parmi les autres différences entre ces deux formes d'exécution, on peut mentionner
la présence de canaux 21d pour la circulation d'un liquide de refroidissement ménagés
dans la paroi de la partie fixe 21 de bâti du moteur.
[0050] Une autre différence réside dans le fait que cette seconde forme d'exécution ne nécessite
plus de soupape pour l'évacuation des gaz brûlés, ceux-ci étant évacués en totalité
par le piston balayeur 23 à travers les lumières d'échappement 22d. La figure 11 représente
le piston balayeur en fin de course, correspondant à 180° du cycle d'explosion illustré
par le diagramme de la figure 14. Cette position du piston balayeur 23 coïncide avec
la fermeture des lumières d'échappement 22d de la paroi latérale 22c du piston cloche
22, en sorte que la totalité des gaz brûlés peuvent être évacués de la chambre de
combustion 35 sans nécessiter de soupape.
[0051] La suppression des soupapes entraîne par conséquent celle de l'arbre à cames, ce
qui constitue une simplification notable par rapport à la première forme d'exécution
ainsi que par rapport aux moteurs à quatre temps.
[0052] En ce qui concerne le fonctionnement de cette seconde forme d'exécution, il diffère
de celui de la première forme d'exécution en ce que le piston balayeur 23 quitte le
piston 22, dès que les lumières d'échappement 22d commencent à s'ouvrir, comme on
peut le constater sur le diagramme de la figure 14, tandis que le piston moteur 22
continue son mouvement sinusoïdal vers le haut, ouvrant les lumières d'échappement
22d au maximum. Dès que la face externe du piston balayeur 23 atteint le bord supérieur
des lumières d'échappement 22d de la paroi latérale 22c du piston moteur 22 (figure
10), les deux pistons descendent ensemble. Le reste du cycle correspond à celui de
la première forme d'exécution.
[0053] Parmi les avantages non encore mentionnés, il y a encore lieu de relever que le mélange
d'air et de combustible étant introduit dans une antichambre d'alimentation 14, 34
avant de passer dans la chambre de combustion 15, 35, ce transfert produit un mélange
air-combustible homogène et permet d'améliorer la qualité de la combustion, contribuant
également à réduire la pollution engendrée par les gaz brûlés.
1. Moteur à combustion interne comprenant au moins un espace cylindrique dont le volume
est fonction de la position axiale d'un piston moteur (2) associé à un système bielle
manivelle, cet espace cylindrique renfermant un second piston (3), solidaire d'une
extrémité d'un élément tubulaire axial (4), un volume variable (14) formé entre lesdits
pistons (2), des moyens d'admission (3a) d'un mélange combustible, associés audit
élément tubulaire axial (4), muni d'au moins une ouverture latérale (4c), adjacente
audit second piston (3), des moyens (8) pour l'allumage de ce mélange combustible
et des moyens (la, 6, 22d) pour l'évacuation des gaz brûlés, caractérisé en ce que ledit élément tubulaire axial (4) s'étend à l'extérieur dudit volume variable (14)
formé entre lesdits pistons (2, 3) et traverse ledit espace cylindrique (15) dans
lequel se trouvent lesdits moyens d'allumage (8), une ouverture centrale (3a) dudit
second piston (3) faisant communiquer ledit élément tubulaire (4) avec ledit volume
variable (14), ledit élément tubulaire (4) étant associé à des moyens de guidage (la)
et de déplacement axiaux (4a, 9), un obturateur (5) étant associé à des moyens de
déplacement (5a, 11), pour ouvrir et fermer ladite ouverture latérale (4c), des moyens
pour commander (10) lesdits moyens de déplacement (4a, 9), ledit piston moteur (2)
comportant des moyens (2a) pour fermer l'admission dudit mélange combustible ainsi
que l'ouverture centrale (3a) dudit second piston (3).
2. Moteur selon la revendication 1, dans lequel ledit espace cylindrique est ménagé dans
une partie fixe (1) du moteur dans laquelle lesdits pistons (2, 3) sont montés coulissant.
3. Moteur selon la revendication 1, dans lequel ledit espace cylindrique est ménagé à
l'intérieur de la paroi latérale tubulaire (22c) dudit piston moteur (22) montée coulissante
sur une partie de bâti (21).
4. Moteur selon la revendication 2, dans lequel la paroi de ladite partie fixe (1), formant
la paroi latérale dudit espace cylindrique, comporte au moins une ouverture (la) située
adjacente à la face dudit second piston (3) délimitant ladite chambre de combustion
(15) dans la position où ledit second piston (3) délimite le volume maximum de ladite
chambre de combustion (15).
5. Moteur selon la revendication 3, dans lequel lesdits moyens pour l'évacuation des
gaz brûlés sont constitués par au moins une lumière (22d), ménagée dans la paroi latérale
tubulaire (22c) dudit piston moteur (22) et disposée pour mettre ladite chambre de
combustion (35) en communication avec l'atmosphère après l'explosion dudit mélange
combustible, jusqu'à ce que le volume de ladite chambre de combustion (35) soit voisin
de zéro.
6. Moteur selon la revendication 4, dans lequel au moins une seconde ouverture (6) est
ménagée dans la paroi de ladite partie fixe (1) formant le fond dudit espace cylindrique,
cette ouverture étant contrôlée par une soupape (7) reliée à des moyens de déplacement
électromagnétiques (7a, 12).
7. Moteur selon l'une des revendications précédentes, dans lequel lesdits moyens de déplacement
(4a, 9, 5a, 11) dudit élément tubulaire axial (4) respectivement dudit obturateur
(5) sont des moyens d'actionnement électromagnétiques.