"Moteur à combustion interne à faible émission de
polluants et son procédé de mise en oeuvre" La présente invention concerne les moteurs à combustion interne et plus spécialement un moteur perfectionné émettant de plus faibles quantités de gaz d'échappement nocifs
et transformant entravai.'- utile une plus grande partie de l'énergie de combustion.
Beaucoup d'argent et d'effort ont été consacrés
à la recherche d'un système convenable de propulsion pour les automobiles et autres types de véhicules dont l'émission des sous-produits de la source d'énergie est acceptable du point de vue écologique. Les véhicules automobiles contribuent pour une grande part à la pollution atmosphérique à cause de la teneur
en oxydes d'azote, en monoxyde de carbone et en hydrocarbures imbrûlés des gaz d'échappement des moteurs utilisés sur de très nombreux véhicules. Pratiquement tous les moteurs d'automobiles actuellement utilisés sont du type à explosion ou à combustion interne et brûlent un mélange d'air et d'essence ou autre carburant dérivant du pétrole. Il est généralement considéré comme impossible du point de vue économique de remplacer en un temps très court les moteurs classiques de conception mécanique par des groupes moteurs de types radicalement.différents. En conséquence, les recherches qui ont soulevé le plus grand intérêt du point de vue commercial sont celles concernant la modification de l'appareillage existant par addition de filtres, de réacteurs, etc.,pour réduire les émissions nocives.
Malheureusement, les dispositifs qui ont été commercialisés ainsi que d'autres qui semblent capables de produire des émissions acceptables à partir de moteurs plus ou moins classiques tendent à diminuer sensiblement le rendement en fonction de la puissance par unité de carburant consommé. Par conséquent, il y a contradiction entre l'utilisation des dispositifs antipollution actuellement acceptables et la conservation des sources d'énergie fondamentales.
La présente invention a principalement pour objet un moteur à combustion interne dont l'émission est acceptable
du point de vue écologique tout en augmentant la quantité de travail par unité de carburant consommé. Ce moteur est capable d'un meilleur rendement caractéristique tout en étant moins encombrant et plus léger pour la même puissance. Ledit moteur à combustion interne à grand rendement est constitué d'éléments mécaniques
du type couramment utilisé dans le commerce pour des moteurs de
ce type. La quantité d'énergie calorifique perdue en étant transmise au milieu de refroidissement est minimale grâce à un rapport favorable de la surface au volume. Ledit moteur à combustion interne émet une faible quantité de gaz nocif tout en laissant une grande liberté pour le réglage du mélange air-carburant.
L'invention sera décrite d'une façon assez schématique, les pièces constituantes choisies pour faciliter la description étant d'un type général ayant subi presqu'un siècle
de perfectionnement et d'expérience dans le contexte des groupes moteurs d'automobiles. Par conséquent, ces éléments et leurs nombreuses variantes sont bien connus des spécialistes et ne seront pas décrits en détail. Les éléments mécaniques illustrés sont beaucoup plus représentatifs de leur fonction que de leur aspect et l'invention n'est pas limitée à la forme particulière choisie par la description.
Le moteur comporte des dispositifs définissant au moins deux volumes variant constamment (c'est-à-dire qui augmentent ou diminuent constamment), décrits sous la forme la plus familière de pistons animés d'un mouvement alternatif dans des cylindres. Les cylindres de chaque paire sont disposés habituellement côte à côte, les premier et second étages étant juxtaposés pour assurer une détente combinée de façon différentielle, les axes étant parallèles et à proximité l'un de l'autre. Une soupape d'admission est située au sommet ou près du sommet de chaque cylindre jumelé et des atomiseurs convenables destinés à préparer
à l'extérieur de la chambre de combustion une charge présentant un rapport correct de mélange air/carburant sont associés à la soupape d'admission du premier étage et éventuellement du second étage selon le type de service. Une soupape est prévue pour établir une communication directe entre les chambres jumelées établissant une cylindrée différentielle à des instants déterminés du cycle de fonctionnement et une soupape d'échappement n'est pré-vue que sur le cylindre du second étage, ce qui permet une détente prolongée du second étage et un balayage du premier étage dans le second.
Huit temps ou événements identifiables au total sont associés à un cycle complet de fonctionnement des cylindres jumelés pour établir la cylindrée différentielle composée. Ces événements se produisent en quatre paires essentiellement concurrentes, à savoir admission dans le cylindre du premier étage ou réception d'un mélange riche en carburant et pauvre en oxygène simultanément à l'échappement dans l'atmosphère du cylindre associé du second étage ; compression dans le premier étage et admission dans le second étage d'un mélange pauvre en carburant et riche en oxygène ; combustion dans le premier étage et course de travail simultanément à la compression dans le second étage ;
et lors de l'ouverture synchronisée de la soupape de façon que les deux chambres communiquent pour former une chambre de combustion commune lorsque les pistons des premier et second étages se trouvent près de la base et du sommet de leur course respective, combustion dans le second étage et course de travail différentielle, le plus petit premier étage se déchargeant et
se vidant dans'le second étage sensiblement plus grand.La cylindrée du second étage est beaucoup plus grande que celle du premier pour tirer un travail supplémentaire de la détente très prolongée, la pression d'échappement final étant si proche de la pression atmosphérique qu'il est possible de remplacer le silencieux, qui a pour effet de gaspiller la puissance, par un réso nateur n'offrant aucune résistance.
L'invention sera décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemple nullement limitatif et sur lesquels :
les figures 1 à 4 sont des coupes verticales partielles en partie schématique illustrant sous forme très simplifiée les étapes successives du fonctionnement du moteur ; et la figure 5 est une coupe verticale un peu plus détaillée d'un moteur selon l'invention.
La forme. simplifiée du moteur représenté sur les figures 1 à 4 comporte le bloc usuel 10 dans lequel se trouvent les cylindres. Des pistons 12 et 14 auxquels sont associées des bielles 16 et 18, respectivement, de la façon usuelle, sont animés d'un mouvement alternatif'dans les deux cylindres représentés. Les deux bielles sont reliées à un vilebrequin 20 qui en réalité se prolonge transversalement aux deux cylindres mais qui est représenté comme étant tourné de 90[deg.] et séparément pour chaque cylindre afin d'indiquer sur chaque vue la position et le sens de déplacement des extrémités 22 et 24 des bielles respectives qui sont reliées au vilebrequin 20.
Désormais, le cylindre comprenant le piston 12 et les pièces et événements associés seront désignés par "premier étage" et ceux associés au cylindre comprenant le piston 14 seront désignés par "second étage". Un dispositif 26 de mélange
du carburant du premier étage comportant les éléments usuels tels que volets, orifices, etc.,comprenant un papillon 28, est disposé de façon à distribuer une charge combustible atomisée au cylindre du premier étage par l'intermédiaire d'une soupape d'admission 30. La charge comprend un mélange à un rapport prédéterminé de carburant liquide et d'air, ce rapport étant convenablement assez riche en carburant et pauvre en oxygène pour obtenir le résultat voulu, ainsi qu'on le verra plus en détail ci-après.
Le second étage peut être équipé d'un même dispositif 32 de mélange du carburant comportant un papillon 34, une soupape d'admission 36 et une soupape d'échappement 38. Il convient de noter que la paroi séparant les cylindres des premier
et second étages, qui est désignée par le numéro de référence 40, se termine à peu de distance de la culasse du cylindre, en laissant un espace pour établir une communication directe entre les deux cylindres. Dans l'un ou l'autre des cylindres jumelés, éventuellement dans celui du second étage, comme représenté, il est prévu un manchon obturateur 42 pouvant coulisser verticalement. L'obturateur peut avoir naturellement d'autres formes comme celles d'une plaque coulissante avec son propre type de mouvement,
et il'est ouvert à des instants déterminés du cycle de fonctionne-ment pour établir une communication entre les chambres des premier et second étages en formant ainsi à ces instants une chambre de combustion commune.
Comme le montrent les figures schématiques 1 à 4, les premiers événements qui se produisent sont l'admission de
la charge du carburant dans le premier étage simultanément à l'échappement du second étage. Comme on le voit, la soupape d'admission 30 du premier étage est ouverte, le piston 12 descend, la soupape d'admission 36 du second étage est fermée, la soupape d'échappement 38 est ouverte, le piston 14 monte et
le manchon 42 est fermé. L'échappement final du second étage
dans l'atmosphère se produit par ltintermédiaire d'un collecteur
44.
Etant donné que les figures 2 à 4 ne représentent que des fonctions supplémentaires, seules les parties associées
à ces fonctions sont représentées. Sur la figure 2, la compression dans le premier étage se produit lorsque le piston 12 monte et que la soupape d'admission 30 et le manchon 42 sont fermés.
En même temps, le piston 14 du second étage descend pour aspirer une charge d'air frais qui peut contenir ou non un carburant atomisé ou un catalyseur, par l'intermédiaire de la soupape d'admission 36, la soupape d'échappement 38 étant alors fermée. Pour
des raisons qui ressortiront ci-après, la quantité d'oxygène contenue dans la charge pauvre admise dans le second étage pendant un cycle quelconque est approximativement égale ou supérieure à celle nécessaire pour une combustion complète à la fois des sous-produits du premier étage et de tout carburant qui peut avoir été admis dans le second étage. C'est-à-dire que la charge du second étage est riche en oxygène et pauvre en carburant et peut en fait ne pas contenir de carburant du tout selon les conditions associées à la combustion dans le premier étage et selon la puissance exigée à cet instant.
En tout cas, le mélange de carburant introduit dans le second étage et l'étranglement ou autre réglage de l'admission sont de préférence réglés automatiquement en fonction de la variation de l'étranglement du premier étage et,pour des moteurs qui sont destinés à fonctionner continuellement à une vitesse et sous une charge fixes, le papillon 34 ou élément équivalent peut être supprimé, la préférence étant donnée à un orifice fixe de dimension appropriée.
La figure 3 représente les éléments juste après l'allumage de la charge du premier étage par une bougie 46. L'énergie calorifique engendrée par la combustion, provoquant une rapide élévation de la pression des gaz dans le cylindre du premier étage, fournit la force nécessaire pour faire descendre le piston 12 et tourner le vilebrequin 20. En même temps, le piston 14 monte dans le cylindre du second étage, les soupapes
36 et 38 et le manchon 42 étant fermés de manière à comprimer la charge contenue dans ce cylindre.
De nombreuses modifications et de nombreux perfectionnements tels que le profilage de la chambre de combustion,
le réglage de la distribution, le dimensionnement des ..soupapes et des orifices et la mise au point du moteur sont évidemment possibles. Toutefois, étant donné que dans la disposition préférée, la cylindrée du second étage est sensiblement plus grande que celle du premier étage pour assurer la détente finale la plus efficace par déplacement différentiel des pistons, on va supposer également que le taux de compression théorique du second étage est supérieur à celui du premier pour permettre l'établissement dans le premier étage d'une relation volume/surface la plus favorable pour une perte minimale de chaleur par transmission au milieu de refroidissement, sans altérer le rendement total de la détente globale et que pour un fonctionnement normal,
le manchon obturateur 42 séparant les étages commence à s'ouvrir à un instant qui précède l'arrivée des pistons 12 et
14 à leurs points morts bas et haut, respectivement, à savoir à un point situé entre les positions qu'occupent les éléments représentés sur les figures 3 et 4. On estime qu'il est souhaitable que la pression croissante du second étage exercée lors de la compression soit sensiblement à la même valeur que la pression finale décroissante du premier étage, alors qu'il effectue encore sa course de travail, lorsque le manchon 42 commence à stouvrir afin d'éviter l'érosion du siège de soupape par étirage.
Egalement, il est non seulement préférable que la cylindrée soit sensiblement plus grande, mais également que la vitesse concomitante de compression du second étage dépasse celle du premier étage de façon que la pression lors de la compression dans le second étage s'élève plus rapidement que la pression diminue dans le premier étage, ce qui fait en sorte que le second étage domine et que le premier étage soit asservi, du fait que la pression régnant dans le second étage, tandis que chaque étage s'approche de son point mort respectif, est légèrement mais pas excessivement plus forte que celle régnant dans le premier étage,
de sorte qu'il se produit un "lavage à contre-courant initial" du second étage dans le premier par une charge riche en oxygène qui se mélange avec les sous-produits gazeux chauds pour amorcer une combustion dans le second étage comme une post-combustion dont le front de la flamme est convenablement en avance sur la
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combustion complète stoechiométrique et finale pendant la course du second étage pour que la détente des gaz produise une impulsion de puissance maximale. Ce "lavage à contre-courant" précoce assure un mélange plus intime des gaz des premier et second étages tout en partageant le même espace de combustion et a pour effet de baigner initialement les surfaces d'étanchéité du manchon 42 dans la charge d'air frais provenant du second étage
lors de la brusque ouverture du manchon au lieu de soumettre celui-ci immédiatement à la forte chaleur à la grande vitesse
et à la turbulence érosive des gaz provenant du premier étage.
La seconde combustion est une post-combustion et est la dernière se produisant intérieurement pour une détente supplémentaire et non extérieurement comme en présence de dispositifs montés après-coup, et elle est produite de préférence juste avant que les pistons 12 et 14 atteignent leurs points morts bas et haut, respectivement. Cette seconde combustion se produit de préférence spontanément à la suite du mélange par "lavage à contre-courant" des sous-produits gazeux chauds, qui n'ont pas été entièrement détendus et qui sont encore sous pression, du premier étage avec la charge riche en oxygène du second étage qui, par compression, est à une température légèrement inférieure, mais à une pression analogue.
A l'exception du réchauffage ou de conditions spéciales, une utilisation supplémentaire de la bougie d'allumage 46 ou d'un élément équivalent tel qu'une bougie complémentaire de préchauffage, une ampoule chaude, etc., pour la combustion du second étage semble inutile. L'ouverture du manchon 42 amorce normalement la combustion dans le second étage comme une post-combustion spontanée et, comme la plus forte cylindrée et le taux de compression plus élevé du second étage font en sorte que la pression régnant dans le cylindre du second étage s'élève rapidement et atteigne une valeur faisant le complément de la pression du premier étage avant qu'ils atteignent leurs points morts respectifs,. comme décrit plus haut, laisse suffisamment de temps pour obtenir un meilleur mélange
à l'avance de la charge fraîche riche en oxygène du cylindre
du second étage avec les sous-produits de la combustion incomplète dans le premier étage. La chambre commune de combustion que se partagent les cylindres des premier et second étages lors de l'amorçage de la seconde combustion, reçoit une seconde charge qui, cette fois, est volontairement riche en oxygène, ce qui est très compatible avec le rendement et l'échappement de gaz propre ; la teneur en oxygène est maintenue volontairement faible pendant la première combustion à haute température pour mi-
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augmentée lors de la seconde combustion à une température plus basse pour éliminer les hydrocarbures imbrûlés (HC) et le monoxyde de carbone (CO).
La figure 4 représente les éléments juste après la combustion dans le second étage, après que les pistons 12 et
14 ont commencé leur mouvement ascendant et descendant, respectivement. Il s'agit de la course du travail du piston 14 communiquant une énergie mécanique au vilebrequin 20 par déplacement différentiel du piston du second étage par rapport à celui du premier étage lorsque le piston 12 monte pour évacuer les gaz
du cylindre du premier étage dans celui du second étage par l'intermédiaire du manchon ouvert 42. Le cycle de fonctionnement est alors achevé et recommence lorsque les éléments reviennent à la position représentée sur la figure 1.
La figure 5 représente un moteur à quatre cylindres à pistons opposés selon l'invention. Ce moteur peut être développé de façon à comporter huit cylindres ou davantage avec des pistons opposés, du type en V ou présentant d'autres configurations des cylindres qui sont également possibles, mais qui donnent un moins bon rendement que la configuration à pistons opposés. Le numéro de référence 48 désigne un premier volume hermétiquement fermé du carter délimité par les parois du carter et les cylindres 50 des premiers étages ainsi que par les côtés se faisant face des pistons 52 des premiers étages. Les mêmes numéros de référence sont utilisés pour désigner les mêmes pièces de chacun des deux premiers étages opposés ainsi que des éléments identiques des seconds étages opposés.
Les pistons 52 des premiers étages sont reliés au vilebrequin 54 par des paliers appropriés aux extrémités de bielles 56. Des paliers classiques
57 et des joints 59 sont également prévus aux endroits où le vilebrequin traverse les parois interne et externe du carter.
Des pistons 58 des seconds étages sont animés
d'un mouvement'alternatif dans des cylindres 60 de façon qu'ils se rapprochent et s'éloignent pour comprimer et déployer alternativement un second volume 62 du carter. Lorsque les pistons
58 s'éloignent pour augmenter le volume 62, une charge d'air
est aspirée par un dispositif d'admission 64 présentant un étranglement du type venturi ou analogue qui peut être souhaitable
et comportant un papillon principal 66 qui règle principalement la puissance du moteur.. Un clapet 68 ou élément équivalent est ouvert lorsque la charge d'air est aspirée dans le volume 62 et est fermé lorsque les pistons 58 se rapprochent l'un de l'autre pour diminuer le volume de cet espace, en comprimant la charge d'air. Il convient de noter que les pistons 58 des seconds étages fonctionnent, du coté carter, comme des pistons de précompression des premiers étages. Il est éventuellement possible d'introduire une certaine quantité d'huile lubrifiante par un orifice 69 pour former un brouillard lubrifiant dans l'air en-trant dans le carter. Naturellement, il est possible de prévoir un système de lubrification classique de la façon usuelle.
L'air initialement comprimé passe par un orifice
70 de la paroi séparant les volumes 48 et 62 du carter, cet orifice étant également équipé d'un clapet 72 ou élément équivalent. Le rapprochement des pistons 52 assure une compression supplémentaire de la charge d'air contenue dans le volume 48 et son passage par des orifices 74, équipés de clapets 76 ou éléments analogues, dans des collecteurs d'admission 78. Lorsque la charge d'air comprimé passe dans les collecteurs 78, une charge de carburant est déposée par des orifices 79 pour être mélangée avec l'air dans des proportions correctes. Le mélange air-carburant, qui est alors riche en carburant et pauvre en oxygène, est introduit par des soupapes d'admission 80 dans les cylindres 50 des premiers étages.
La suite du fonctionnement de chaque groupe de cylindres jumelés des premiers et seconds étages dans chaque rangée de cylindres est, à partir de cet instant, essentiellement identique au fonctionnement décrit en se référant aux figures 1 à 4. Après la réception dans les premiers étages de la charge combustible par l'intermédiaire des soupapes d'admission
80, ces dernières se ferment et les pistons 52 s'éloignent l'un de l'autre pour comprimer la charge pour la dernière fois dans les cylindres 50, deux étapes de précompression dans le carter ayant déjà été effectuées. Des bougies d'allumage 82 enflamment alors le mélange dans les cylindres 50. Il est bien entendu qu'à cet instant, alors que les pistons 52 se rapprochent l'un de l'autre, un cylindre est en cours d'admission, tandis que l'autre effectue sa course de travail.
Egalement, lorsque les pistons 52 s'éloignent l'un de l'autre, un piston est en cours de compression du mélange air-carburant avant l'allumage, tandis que l'autre est en cours d'évacuation des gaz du cylindre du premier étage dans celui du second.
Comme on l'a expliqué en se référant aux figures
1 à 4, la charge de carburant introduite dans les cylindres des, premiers étages est à un rapport de mélange correspondant conve- <EMI ID=3.1>
en oxygène, de sorte quels, température et la pression de combustion sont compatible[pound]avec la production de faibles quantités
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riche en carburant. Après que la combustion dans les premiers étages a produit la cours- de travail des pistons des premiers
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les manchons obturateurs Jetant ouverts et toutes les autres soupapes étant fermées, �dant la course de travail des seconds
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d'admission des seconds é�es en l'asservissant convenablement au papillon 66 pour obtenir un rendement optimal du moteur. En tout cas, les conditions de combustion dans les seconds étages sont telles que la teneur en HC et CO est réduite à une valeur
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Comme on l'a indiqué précédemment en se référant aux cylindres des premiers étages, bien que le cycle des événements ait été décrit tel qu'il se produit de l'un ou l'autre côté du moteur, il convient à nouveau de souligner que le même événement ne se produit pas au même moment dans les cylindres opposés du même étage. Lorsque les pistons 58 se rapprochent l'un de l'autre pour atteindre la position représentée sur la figure 5,l'un d'eux effectue sa course de travail pendant laquelle les gaz du premier étage passent dans le second étage, tandis que l'autre effectue sa course d'admission pendant laquelle une nouvelle charge passe par la soupape d'admission 86. Comme le montre la figure 5, le piston 58 du second étage situé à gauche vient juste de terminer sa course de travail, la soupape d'admission 86 étant fermée.
La soupape d'échappement 88 vient juste de s'ouvrir pour établir une communication avec l'atmosphère. Le relâchement complet de la pression des cylindres 50 des premiers étages peut se produire par ouverture de la soupape d'échappement 88, tandis que le manchon 84 est encore ouvert, comme on le voit sur la figure 5, ou bien, à titre de perfectionnement facultatif, le manchon 84 peut être fermé sensiblement en même temps que la soupape d'échappement 88 s'ouvre, étant donné qu'on a constaté que le transfert d'un résidu des produits de combustion au cycle suivant est avantageux pour ré- <EMI ID=8.1>
le piston du second étage situé à droite vient juste d'achever l'admission d'une charge d'air frais (avec ou sans carburant supplémentaire ou catalyseur) par l'intermédiaire de la soupape ouverte 86, la soupape d'échappement 88 et le manchon 84 étant en position fermée.
Il va de soi que le moteur et le procédé décrits
<EMI ID=9.1>
vention.