Moteur à combustion interne La présente invention a pour objet un moteur à combustion interne à piston.
Ce moteur est caractérisé en ce qu'il comprend une turbine mue par les gaz s'échappant du cylindre et entraînant un compresseur fournissant la charge fraîche à ce cylindre, une distribution telle que la charge fraîche se trouvant comprimée dans le cylin dre à la fin de la course de compression corresponde à un volume de gaz frais, à la pression d'alimenta tion, qui est inférieur au volume total du cylindre, afin que la course effective de compression soit infé rieure à la course de détente, et des moyens pour faire varier le volume de la chambre de combustion du cylindre, ces moyens étant directement comman dés par la pression maximum dans le cylindre afin de maintenir cette dernière pratiquement constante dans de larges limites de charge et de vitesse du moteur.
Le dessin représente, à titre d'exemple, plusieurs formes d'exécution du moteur objet de l'invention, des diagrammes de son fonctionnement et des va riantes de détail.
La fia. 1 est une vue en coupe transversale de la première forme d'exécution.
La fig. 2 est une vue en coupe transversale d'une variante du moteur de la fig. 1.
La fig. 3 est une vue en coupe transversale de la deuxième forme d'exécution.
La fig. 4 est un diagramme pression-volume illus trant le fonctionnement du moteur de la fi.. 1 à pleine charge.
La fig. 5 est un diagramme pression-volume illus trant le fonctionnement de ce même moteur à charge réduite.
La fig. 6 est une vue en coupe axiale du piston du moteur de la fig. 1. La fig. 7 est une vue en coupe axiale du même piston, dans un plan perpendiculaire à celui de la fig. 6.
La fig. 8 en est une vue en coupe horizontale suivant A-A de la fig. 6.
La fig. 9 est une vue en coupe axiale d'une variante du piston des fig. 6 à 8.
La fig. 10 en est une vue en coupe horizontale suivant la ligne A-A de la fig. 9.
La fig. 1 représente un moteur à quatre temps muni d'un groupe turbocompresseur 39, comprenant une turbine mue par les gaz s'échappant du cylindre et entraînant un compresseur fournissant la charge fraîche à ce cylindre. Le piston 42 est muni d'une tête mobile pour faire varier le volume de la chambre de combustion, d'une façon qui sera décrite en détail plus loin. Le moteur comprend, d'autre part, un dis positif réfrigérant 45 intercalé entre le compresseur d'alimentation et le cylindre du moteur.
Les soupapes d'admission 43 et d'échappement 44 sont commandées de façon telle que la soupape d'admission 43 se ferme au moment où le piston a encore un déplacement considérable à effectuer jus qu'à la fin de sa course d'admission, de sorte que la charge se détend à l'intérieur du cylindre au cours du reste de cette course, avant d'être recompnmée au cours de la course de compression. La détente à l'intérieur du cylindre est isentropique et réversible, de sorte qu'à un point équivalent de la course de compression, la charge se retrouvera dans les condi tions de température et de pression qui étaient les siennes lors de la fermeture de la soupape 43.
Ainsi, à la fin de la course de compression le cylindre con tient une charge fraîche comprimée correspondant à un volume de gaz frais à la pression d'alimentation qui est inférieur au volume total du cylindre. Le moteur fonctionne donc avec une course effective de compression inférieure à la course de détente.
Ceci permet au compresseur d'alimentation de fonctionner dans les conditions les meilleures en dé bitant une quantité donnée de charge sous faible vo lume et une pression relativement élevée au lieu d'une charge remplissant le volume complet du cylin dre et à une pression relativement plus basse. On a encore l'avantage que le fluide réfrigérant utilisé dans le dispositif réfrigérant 45 peut extraire plus de calories de l'air d'alimentation grâce à la température plus élevée de la charge comprimée à un taux supérieur.
En conséquence, dans le moteur décrit pour une pression donnée dans le cylindre à la fin de la course de compression, la température de compression est plus basse et un poids d'air plus important se trouve dans le cylindre, de sorte que l'on peut réaliser une charge plus grande avant d'at teindre les températures limites admissibles pour le moteur. De plus, le travail de compression du piston est sujet à une réduction supplémentaire. Récipro quement, on peut obtenir un refroidissement déter miné de la charge avec un dispositif réfrigérant 45 plus petit ou avec un fluide réfrigérant à tempéra ture plus élevée que cela ne serait nécessaire dans le cas normal.
Afin de récupérer une plus forte pro portion de l'énergie prélevée par la turbine des gaz d'échappement, le compresseur pourrait être pourvu de refroidisseurs intermédiaires. La commande de la tête de piston mobile par la pression maximum dans le cylindre est telle que cette pression maximum soit maintenue pratiquement constante dans de larges limites de la charge et de la vitesse.
Le piston du moteur décrit en référence à la fig. 1 est représenté en détail aux fig. 6 à 8. Ce piston comprend une partie comprenant la tête 6 du piston et la jupe 5 engagée sur un corps de piston 1 de façon à pouvoir coulisser par rapport à ce der nier. La tête 6 est munie de segments.
Le corps 1 est relié, par l'axe de piston 2, au pied 3 de la bielle 4. Le coulissement axial de la partie 5-6 par rapport au corps 1 modifie le volume de la chambre de combustion du cylindre. Une cham bre 7 est formée entre la face supérieure du corps 1 et la surface inférieure de la tête 6, tandis qu'une chambre annulaire inférieure 8 est comprise entre un épaulement du corps 1 et une bague 16 fixée à la jupe 5 par vissage.
Cette chambre inférieure 8 est ainsi limitée sur ses faces intérieure et supérieure, par deux surfaces (verticale et horizontale) du corps 1, tandis que la paroi extérieure de la chambre annu laire 8 est formée par la surface intérieure de la jupe 5, la paroi inférieure de la chambre 8 est présentée par la bague 16. La section transversale de la pre mière chambre a un diamètre seulement légèrement inférieur à celui du piston, de sorte que la pression maximum dans la chambre de combustion peut être soutenue par une pression de fluide qui n'est que légèrement supérieure à la pression maximum des gaz.
Cette dernière caractéristique est importante dans le cas où le moteur décrit serait soumis à une charge élevée, cas où il serait désirable de maintenir une pression maximum des gaz relativement élevée. Un passage 9 pour l'huile est pratiqué dans la bielle 4 reliant le circuit de graissage sous pression du mo teur au pied de bielle ; de là, par un passage annu laire 10 entourant la bague de palier, l'huile pénètre dans un trou 10a pratiqué dans le côté supérieur du pied de bielle.
En variante, si l'axe de piston est fixé dans le pied de bielle et qu'il n'y a pas de bague de palier, le passage annulaire peut entourer l'axe ; ce dernier peut aussi être percé d'un trou. La surface extérieure du pied de bielle est en partie sphérique et une pièce creuse 10b prend appui sur elle pour former un bou chon autour du trou. Cette pièce creuse est ajustée de façon à pouvoir coulisser dans un logement que présente le corps 1 du piston et est pressée contre le pied de bielle par un ressort 10c.
En variante, on pourrait prévoir des surfaces fixes présentant des jours. L'huile passe par un trou axial dans la pièce creuse et un trou 10d, pratiqué dans le corps 1, et atteint une soupape de retenue 11 par laquelle elle pénètre dans la chambre supérieure 7. L'huile pénètre aussi à partir du trou 10d, par une autre soupape de retenue 12, et un passage, dans la chambre inférieure 8.
Pour limiter la pression pro duite dans les chambres 7 et 8 par les forces d'inertie de l'huile dans la bielle, en particulier dans les mo teurs à hauts régimes, la course des soupapes de retenue peut être limitée ou, en variante, des étran glements peuvent être disposés en des points conve nables des passages pour l'huile dans le piston ou dans la bielle. Le corps de piston 1 présente un dé gagement annulaire situé entre la chambre inférieure 8 et l'extrémité supérieure du corps 1. Ainsi, la partie comprenant la tête 6 et la jupe 5 coulisse sur deux portées 18 et 19 du corps 1.
Un évent 17 est pratiqué dans la paroi du dégagement pour éviter que se produise une pression en cas de manque d'étanchéité des portées, pression qui provoquerait un effort sur les parois des deux parties du piston. Lorsque les parois des deux parties peuvent être suf fisamment épaisses pour résister à cet effort, le dé gagement annulaire et l'évent 17 peuvent être sup primés, ce qui améliore l'étanchéité des deux cham bres à huile.
L'évacuation de l'huile hors de la cham bre supérieure 7 s'effectue au moyen d'une soupape d'échappement comprenant des disques 13 d'acier à ressort, de diamètre décroissant progressivement et disposés coaxialement par rapport au corps 1. Le disque supérieur prend appui par sa périphérie sur un siège annulaire 14 ; l'huile traversant cette soupape passe par des trous 15 pour rejoindre le carter du moteur. L'échappement de l'huile de la chambre infé rieure 8 se fait, vers le bas, par le jeu entre le corps 1 du piston et la bague 16 formant la paroi infé rieure de la chambre inférieure et, vers le haut, par le jeu entre la jupe 5 et la portée 19.
En variante, la fuite de l'huile par ces jeux pour rait être empêchée par des segments d'étanchéité et l'évacuation se ferait alors par un orifice d'échappe ment soit vers le bas directement dans le carter, soit vers le haut à travers un ou plusieurs évents prati qués dans le corps 1 du piston et communiquant avec le carter.
Le fonctionnement est le suivant Durant la dernière partie de chaque course d'échappement et la première partie de la course d'admission, la force due à l'inertie de la partie com prenant la tête 6 et la jupe 5 et l'inertie de l'huile dans la chambre supérieure et, dans une certaine mesure, l'inertie de la colonne d'huile dans la bielle, agissant sur l'huile se trouvant dans la chambre infé rieure 8 pour provoquer l'écoulement d'une certaine quantité d'huile de cette chambre et permettre ainsi à la partie 5-6 du piston de se déplacer vers le haut par rapport au corps 1, d'une petite quantité de l'ordre de quelques millièmes de millimètres.
Simul tanément, le volume de la chambre supérieure aug mente et de l'huile y arrive en passant par la sou pape 11. Si la charge du moteur vient juste d'être réduite, de sorte que la valeur de la pression maxi mum est inférieure à la valeur constante à maintenir, et que, par conséquent, une réduction du volume de la chambre de combustion est nécessaire pour rame ner cette pression maximum à cette valeur constante désirée, le processus se répète sans autre, lors de chaque cycle du moteur jusqu'à ce que le volume de la chambre de combustion soit réduit à la valeur donnant la pression maximum choisie à maintenir, pour laquelle la soupape d'échappement 13, s'ouvre.
Le léger mouvement vers le haut augmente légère ment le volume de la chambre de combustion au- dessus de la valeur désirée ; à partir de ce moment- là, la pression maximum dans le cylindre dépasse légèrement la valeur nécessaire pour vaincre la sou pape d'échappement 13 qui s'ouvre alors et laisse s'échapper une petite quantité d'huile, ce qui fait re descendre la partie extérieure du piston d'une petite quantité par rapport à la partie intérieure.
Si la charge du moteur reste alors constante, la partie 5-6 du piston continue à se déplacer très légèrement vers le haut et vers le bas, lors de chaque cycle, par rap port au corps 1 du piston, sa position moyenne rela tive étant celle qui donne la pression maximum devant être maintenue dans le cylindre. Si le papillon du moteur est alors ouvert, la pression maximum dans le cylindre tend à augmenter beaucoup au-des sus de la valeur nécessaire pour ouvrir la soupape d'échappement 13.
Cette soupape s'ouvre alors et permet un échappement important, l'huile s'échappe rapidement de la chambre 7, de sorte que la partie 5-6 du piston descend rapidement par rapport à la partie intérieure, ce qui augmente le volume de la chambre de combustion et maintient ainsi la pression maximum dans le cylindre au voisinage de la valeur constante choisie. Ainsi, ce processus de réglage, commandé direc tement par la pression maximum dans le cylindre, s'effectue relativement lentement, lors d'une réduc tion de la charge du moteur, la vitesse de réglage étant déterminée par la section du passage de fuite hors de la chambre inférieure.
Ceci convient parfai tement car il n'y a pas de nécessité à accroître rapi dement le volume de la chambre de combustion; de plus, un important mouvement relatif vers le haut de la partie 5-6 du piston, à chaque cycle, serait indé sirable puisque, à charge constante, il aurait pour corollaire un mouvement d'une même ampleur vers le bas à chaque cycle également, et par conséquent, une appréciable déperdition de puissance en raison du pompage de l'huile.
En revanche, il est préférable que le piston puisse répondre aussi vite que possible à une soudaine augmentation de l'admission de car burant pour éviter une pression excessive dans le cylindre et la détonation qui en résulterait et/ou de hautes sollicitations. C'est ce que donne le processus de réglage décrit, la vitesse de réglage étant déter minée par la soupape d'échappement 13. L'agence ment de la soupape 13 donne une réaction très ra pide en raison de la grande surface périphérique découverte lors d'un petit déplacement, sans l'effet différentiel qui fait que certains types de soupapes ferment à une pression sensiblement plus basse que la pression d'ouverture.
Dans une variante, la soupape d'échappement 13 pourrait être remplacée par des soupapes 13 ordi naires à ressort montées dans la partie supérieure du corps 1, comme le montrent les fig. 9 et 10. Dans cette variante, l'échappement sé fait directement dans l'espace situé à l'intérieur du corps 1 et de là vers le carter.
Dans la variante des fig. 9 et 10, l'évacuation hors de la chambre inférieure 8 se fait par un passage commandé par un pointeau réglable 29, ce qui per met un réglage de la vitesse du retour en place de la _partie 5-6 du piston lors d'une diminution de la charge.
Dans la variante des fig. 9 et 10, une partie de l'huile arrivant par le canal 9 de la bielle refroidit le fond de la tête 6 du piston, cette partie s'écoulant par un canal 24, et des canaux 26 ménagés entre ledit fond et une pièce rapportée 25 dans un espace 28 d'où elle s'échappe par les canaux 27 pratiqués dans la jupe 5.
Le volume de la chambre de combustion du mo teur décrit est choisi de façon à ne pas excéder de beaucoup le volume suffisant pour contenir à pleine charge la quantité de gaz nécessaire à la combustion du combustible, étant donné que la course du piston étant fixée, l'utilisation d'une chambre de combus tion de volume inutilement grand, provoquerait un taux de détente inutilement faible.
Le volume de la chambre de combustion pour rait, dans d'autres formes d'exécution, être varié par tout autre moyen différent du piston décrit. L'utilisation d'une charge de volume inférieur au volume total du cylindre permet aux moyens desti nés à faire varier le volume de la chambre de com bustion d'intervenir pour des taux de compression et d'expansion dont la valeur se trouve dans des limites plus larges que dans le cas où l'on utiliserait une charge correspondant au volume total du cylindre.
D'autre part, l'utilisation de moyens pour modifier le volume de la chambre de combustion, permet de réduire le volume de la charge à une valeur infé rieure à celle qui serait acceptable pour un cylindre à volume utile fixe, tandis que le groupe turbine- compresseur fonctionne dans de bonnes conditions.
La variante de la fig. 2 ne diffère du moteur représenté à la fig. 1 que par le fait que le compres seur d'alimentation 46 est à deux étages et qu'un réfrigérateur 47 est interposé entre ces deux étages.
Le moteur représenté à la fig. 3 est à deux temps. Il comprend un compresseur d'alimentation 50 en traîné par une turbine mue par les gaz d'échappe ment.
La charge débitée par le compresseur 50 est comprimée une deuxième fois dans une soufflante auxiliaire 49 avant de parvenir au cylindre. La souf flante 49 est entraînée par le vilebrequin du moteur.
L'admission de la charge se fait par des lumières commandées par le piston 48 et l'échappement a lieu par une lumière disposée dans le fond du cylindre et commandée par une soupape 44. La soupape 44 est commandée de façon qu'elle se ferme seulement lorsque le piston a parcouru une partie appréciable de sa course après avoir recouvert les lumières d'ad mission. Ainsi, une partie de la charge admise est de nouveau refoulée hors du cylindre par l'orifice d'échappement avant le début de la compression effective. On obtient ainsi une course de détente plus grande que la course de compression et la charge se trouvant dans le cylindre lors de la ferme ture de la soupape 44 correspond à un volume de gaz à la pression d'alimentation inférieur au volume total du cylindre.
Le piston comprend une partie mobile comman dée directement par la pression maximum de façon à régler automatiquement le volume de la chambre de combustion de manière à maintenir constante cette pression.
La fig. 4 représente un diagramme pression/vo- lume illustrant le fonctionnement des moteurs décrits à pleine charge. On voit que la course d'expansion est plus grande que la course de compression.
La fig. 5 représente les relations existant entre la pression et le volume de la charge lors du démar rage à faible charge.