EP0673470B1 - Perfectionnement aux moteurs a combustion interne - Google Patents

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EP0673470B1
EP0673470B1 EP94926266A EP94926266A EP0673470B1 EP 0673470 B1 EP0673470 B1 EP 0673470B1 EP 94926266 A EP94926266 A EP 94926266A EP 94926266 A EP94926266 A EP 94926266A EP 0673470 B1 EP0673470 B1 EP 0673470B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
valve
working chamber
piston
engine
combustion
Prior art date
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Expired - Lifetime
Application number
EP94926266A
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German (de)
English (en)
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EP0673470A1 (fr
Inventor
Jean Frédéric Melchior
Thierry Andre
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Melchior Technologie SNC
Original Assignee
Melchior Technologie SNC
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Filing date
Publication date
Application filed by Melchior Technologie SNC filed Critical Melchior Technologie SNC
Publication of EP0673470A1 publication Critical patent/EP0673470A1/fr
Application granted granted Critical
Publication of EP0673470B1 publication Critical patent/EP0673470B1/fr
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M61/00—Fuel-injectors not provided for in groups F02M39/00 - F02M57/00 or F02M67/00
    • F02M61/16—Details not provided for in, or of interest apart from, the apparatus of groups F02M61/02 - F02M61/14
    • F02M61/18—Injection nozzles, e.g. having valve seats; Details of valve member seated ends, not otherwise provided for
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01L—CYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
    • F01L1/00—Valve-gear or valve arrangements, e.g. lift-valve gear
    • F01L1/28—Valve-gear or valve arrangements, e.g. lift-valve gear characterised by the provision of coaxial valves; characterised by the provision of valves co-operating with both intake and exhaust ports
    • F01L1/285—Coaxial intake and exhaust valves
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01L—CYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
    • F01L3/00—Lift-valve, i.e. cut-off apparatus with closure members having at least a component of their opening and closing motion perpendicular to the closing faces; Parts or accessories thereof
    • F01L3/24—Safety means or accessories, not provided for in preceding sub- groups of this group
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B25/00—Engines characterised by using fresh charge for scavenging cylinders
    • F02B25/14—Engines characterised by using fresh charge for scavenging cylinders using reverse-flow scavenging, e.g. with both outlet and inlet ports arranged near bottom of piston stroke
    • F02B25/145—Engines characterised by using fresh charge for scavenging cylinders using reverse-flow scavenging, e.g. with both outlet and inlet ports arranged near bottom of piston stroke with intake and exhaust valves exclusively in the cylinder head
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B3/00—Engines characterised by air compression and subsequent fuel addition
    • F02B3/06—Engines characterised by air compression and subsequent fuel addition with compression ignition

Definitions

  • the present invention relates to a improvement to internal combustion engines, operating according to the two-stroke cycle, with injection of liquid fuel sprayed under high pressure, such as two-stroke diesel engines. More specifically the invention relates to an incorporated gas exchange system exclusively in the cylinder head and intended in particular for organize a stratification between the products of combustion of the previous cycle and fresh air introduced into the working chamber for the next cycle in order to reduce heat loss to the walls and ensure the conditions for a quality combustion process quite remarkable while maintaining excellent efficiency, called scanning efficiency, of the exchange system gas.
  • wet surface Another factor that decreases the yield of a engine, in particular a two-stroke engine, is linked to the area of the so-called “wet surface”, that is to say of the internal surface of the volume where the initiation of fuel injection and the start of combustion, and which generally includes the surfaces of the piston, cylinder head, valves and remaining cylinder part discovery at top dead center.
  • the wet surface poses, in effect, cooling and loss problems of energy.
  • the two valves open towards the inside of the associated cylinder and, during the scanning phase, penetrate, into positions simultaneously open, in the combustion chamber proper formed by a suitable recess in the piston head at top dead center of it.
  • This configuration is perfectly suited to the solution of the scanning problem specific to the four-cycle operation only time.
  • the radially outer valve is annular in shape hollow open.
  • the radially internal valve cooperates with a seat secured to the underside of the valve radially external and the latter cooperates with a seat fixed integral with the cylinder head.
  • Radially internal valve defines a conduit annular with and in the radially external valve.
  • the radially internal valve is preferably used to the exhaust while the radially outer valve serves on admission: however the functional layout reverse is also possible but without providing the same benefits of scanning the dead volume of the cylinder.
  • each valve is actuated separately by independently opened by its own rocker against the opposing force of its own return spring automatic to the closed position and when individual valve opening movement radially external.
  • FR-A-1,127,166 describes a form special hollow intake valve for engines of that type.
  • the air intake duct, upstream of the valve intake, is arranged with fins or a vane of deflection, so as to produce an air movement swirling intake intended to descend along the cylinder wall and then to go up centrally, the air swirling to improve the mixture of fresh air and fuel by providing fuel injectors opening into the periphery of the combustion chamber, at a steep angle to the direction radial.
  • the valves are sized, in their shape and in their lift stroke, so that the passage offered, on admission, to fresh gas is significantly higher than the passage offered, at the exhaust, combustion gases.
  • Another object of the invention is to increase the efficiency of gas exchange by chasing axisymmetrically part of the residual burnt gases of the cylinder by replacing them with a corresponding volume of air costs, while preventing or minimizing everything risk of direct passage of fresh air from the valve of admission to the exhaust valve, or indirect by the mixture of fresh air with the burnt gases leaving the cylinder, with minimal energy expenditure.
  • the energy expenditure is minimized by the search for best use of the purge air supplied to the cylinder, but also by obtaining a large permeability, i.e. by making sections maximum flow offered to gaseous fluids, do not thus requiring a relatively low pressure difference low between purge air pressure and exhaust back pressure to ensure air flow given sweep.
  • Another object of the invention is to ensure the protection of the side walls of the working chamber by the centrifugal circulation of fresh air along these walls.
  • Another objective of the invention is to minimize, in an engine in which a stratification is established elevated gas in the cylinder, the so-called surface area wet, i.e. the internal surface delimited by the piston head, possibly the upper part of the cylinder, and the entire internal surface of the sky from cylinder head in contact with hot gases under pressure this which not only prevents poor combustion at neighborhood of the walls but still considerably limits the heat losses and, therefore, results in significant increase in engine efficiency.
  • Another object of the invention is to reduce the forces applied to the valve control means exhaust while the pressure in the room work is high.
  • Another particularly important objective of the invention is to use the solution to these problems provided by the invention, to produce an engine in which the very phase of combustion is improved, in particular by eliminating the classic disadvantages of compression ignition engines linked to the difficulties of obtaining both complete combustion, substantially free of unburnt matter and smoke and an absence of pollutants such as nitrogen oxides (NO x ).
  • NO x nitrogen oxides
  • Finely pulverized fuel is introduced in the combustion chamber in the form of droplets.
  • each droplet vaporizes and the fuel vapor diffuses in this medium creating an area where spontaneous ignition conditions are affected, fuel ignition occurring there then spontaneously.
  • the time between the start of fuel injection and the start of combustion, at during each cycle is called the "ignition delay”.
  • This first phase of combustion is very serious: fuel vapor, pre-mixed with air hot (under pressure and temperature conditions required for auto-ignition), ignites en masse.
  • the reaction rate is very high and very quickly each partially vaporized droplet consumed the all of the oxygen in the air that is mixed with steam.
  • the mixture not being homogeneous, unmixed air does not have time to maintain the combustion, given its distance from the center (the droplet) of combustion. Very quickly, the reaction therefore stops or at least slows down due to the depletion of available oxygen.
  • This phase of mass combustion (uncontrolled combustion) is called the "combustion in pre-mix" (in English "pre-mix combustion”).
  • Diesel engine manufacturers have therefore striving to reduce the ignition delay (for example by delaying the time fuel is introduced) while seeking to cool the fresh air admitted into the cylinders, so as to increase the density and not exceed cycle temperatures as much as possible above which nitrogen oxides tend to stand produce in excessive quantity, which tends to increase the ignition delay.
  • the solutions they proposed have so far not been entirely satisfactory, particularly point of view of the yield and the emission of particles and exhaust fumes.
  • the invention aims to solve so original the problem of shortening the deadline of ignition, without exceeding the temperatures cycle above which the production of oxides of nitrogen becomes too important, not only by remedying to the drawbacks mentioned above, but still in allowing to burn more "rustic" fuels, having in particular a lower cetane number, and therefore cheaper to produce.
  • the subject of the invention is a combustion engine internal according to claim 1.
  • the said central hub is fixed relative to the cylinder head.
  • the minimum internal diameter of the aforesaid conical bearing oriented towards the outside of the tubular lower part of the valve exhaust cooperating with a seat fitted inside from the lower part of the intake valve is smaller than the outside diameter of the sliding of the above sealing means of the central hub around which slides the inner wall of the lower form tubular exhaust valve to make it slightly autoclave.
  • Various means of elastic return of the valve intake and / or exhaust valve can be planned. These means may in particular include springs mechanical type. These springs can be constituted by a plurality of springs mounted in barrel and exerting their restoring force on a crown integral with the part upper part of the valve.
  • means return springs such as springs, return means elastic of the inlet valve and / or the valve exhaust comprising a piston integral with the valve and sliding in a cylinder defining a cavity of variable volume communicating with means generating fluid pressure.
  • Said fluid pressure generating means can, for example, consist of a sliding piston in a cylinder forming a second volume cavity variable communicating with the aforesaid first cavity, the piston being actuated by a motor means such as a shaft cam rotating synchronously with the motor shaft.
  • the driving piston which delimits the engine work by sliding in the cylinder wall, and which is sealed by a seal offering no passage for the working fluid towards the part lower piston, can be arranged so that its upper part wife, with sufficient play to avoid the formation of radial air movements likely to destroy the axisymmetric rotation movement of the fluid engine, the part of the cylinder head located outside the maximum diameter of the inlet valve and the valve admission itself when the volume of the chamber of work is minimal, i.e.
  • the sealing means of the inner wall of the tubular upper part of the exhaust valve sliding around the above central hub may include a seal continuous offering no passage for compressed working fluid in the working chamber, the lower form tubular exhaust valve and part lower of the central hub thus delimiting a cavity annular in which will be trapped a quantity of air not participating in the combustion of the injected fuel in the working room and which will relax during the stroke to increase the volume of the working chamber.
  • the distributor means constituted in particular by the above-mentioned valves of such so that a significant part of the cycle's combustion gases previous is retained in the working chamber during the process of removing flue gases and partially replace them with fresh air, by opening exhaust and intake valves during the phase sweep in the two-stroke engine.
  • the communication between the intake cavity and the working chamber, when the inlet valve is in open position, on the one hand, and the shape of the walls of the working chamber, on the other hand, are arranged so that the flow of fresh air enters the combustion, while the volume of the working chamber becomes minimal due to the relative movement of the piston, so as to cause an intense rotational movement of the fluid inside the combustion chamber, preventing as much as possible, thanks to the centrifugation of the fresh air obtained by this rotational movement and at the density difference between fresh air and combustion, the fresh air to mix inside the combustion chamber with combustion gases retained in the latter, and forming in said combustion chamber a central area where the concentration of combustion gases and the temperatures are maximum and a peripheral zone where the concentration of fresh air is maximum and the temperature is minimal.
  • the injector can inject the fuel directly into the said central area, at least at the beginning of each period injection.
  • the mass of the combustion gases retained in the working chamber, from one cycle to the next, is at least 10%, preferably 15%, of the mass of the working fluid contained in this last chamber at the when communications between it and one and the other of the above intake and exhaust cavities have just been interrupted during each cycle, then that the engine is running at least approximately at its nominal speed.
  • the inlet air temperature and the proportion of gases retained in the working chamber, one cycle on the other taking into account the other parameters of operation of the engine, so that if mixed retained gases and fresh air before injecting the fuel, the temperature of the mixture thus obtained at time of injection may be less than when self-ignition of the fuel occurs so stable and without excessive unburnt production.
  • This improvement has the advantage of allowing both intensively cool the fresh supply air (for limit the thermal load on the walls and reduce maximum cycle temperatures at values below those that cause excessive oxide formation harmful nitrogen) and to have an effective volumetric ratio reduced (to limit the mechanical load of the parts), everything maintaining perfect self-ignition conditions, with reduced ignition delay.
  • the reference 1 designates a cylinder of a diesel engine two-stroke, of longitudinal axis 2, containing a piston 3 and whose upper end is surmounted and closed by a cylinder head generally designated by the number of reference 4, comprising a central fuel injector pressurized liquid 5 coaxial with the cylinder and surrounded coaxially by two concentric valves, respectively internal exhaust 6 and external intake 7, delimiting between them a generally annular exhaust duct 8 burnt gas which communicates with an exhaust pipe 9 connected to the exhaust system (not shown) of the engine.
  • the inlet valve 7 is in the form of revolution, hollow and open at each end, and whose the lower end 13 has a sole shape and externally has a conical annular bearing sealing 14 facing outwards and upwards, that is to say towards the breech, and cooperating with a fixed seat 15 integral with the cylinder head 4, and internally a conical annular surface 16, oriented inward and upward, and serving as a seat axially movable at an annular sealing surface conjugate 17 arranged at the lower terminal part or free end of the exhaust valve 6.
  • the valve 7 is guided in its axial sliding by the external lateral wall of its tubular tail 18, in a valve guide 19 integral with the cylinder head 4.
  • Radially external intake valve 7 delimits with the cylinder head 4, in its lower part located in the immediate vicinity of its scope cooperating with the conical seat secured to the cylinder head, clearance admission ring 10 communicating with a pipe 11 fresh air intake connected to the intake system (not shown) of the engine, for example a overeating.
  • the upper end of the tail 18 of the inlet valve 7 has a flange 23 making annular piston office sliding tightly in a coaxial cylinder 24 arranged in the cylinder head 4, delimiting with this one a room 25 on the upper side of this piston, and a chamber 26 under the underside of this piston.
  • the radially internal or exhaust valve 6 has substantially the form of axis revolution confused with that of the intake valve and preferably confused with the axis of the above-mentioned engine cylinder 1, of a sleeve tubular located inside the inlet valve 7 and sliding axially by its internal lateral surface on a valve guide 20 forming part of a central hub 21 integral with the cylinder head 4.
  • This central hub 21 contains, by elsewhere, the fuel injector 5, including the nozzle spray 22 opens into combustion chamber 40 in order to be able to inject fuel jets substantially radial and preferably inclined and distributed in a star around the nozzle.
  • the upper end of the tubular sleeve constituting the radially internal or exhaust valve 6 has a flange 12 acting as a piston annular sliding tightly in a cylinder coaxial 31 fitted in the cylinder head 4, delimiting with this one a room 32 under the underside of this piston, and a chamber 33 on its upper face.
  • the seal between the external side wall of the tubular valve stem 18 of the inlet valve 7 and the valve guide 19 secured to the cylinder head 4 on the one hand, between the inner side wall of the tubular sleeve of the exhaust valve and the valve guide 20 integral with the central hub 21 on the other hand, as well as the seal between the aforesaid flanges 12 and 23 acting as a piston and the cylindrical walls 24 and 31 arranged in the cylinder head 4, is provided by a set of one or more ring seals, rings or seals, preferably radially expandable.
  • the piston 23 of the intake valve 7 and the cylinder 24 constitutes a fluid cylinder under pressure to actuate said valve 7 in the direction of opening lift (downwards, i.e. towards piston 3).
  • the upper chamber 25 of this jack is intended to receive a hydraulic fluid under pressure, preferably incompressible, such as oil, which will also ensure the lubrication of the tracks sliding of the seals, to cause positively the descent of the piston 23, therefore of the valve 7, in the open position, while the lower chamber 26 underlying contains elastic return means 34 of the valve in the closed position.
  • These elastic return means may be made up of mechanical springs 29 comprising, preferably a plurality of springs mounted in parallel to the way of a barrel and angularly regularly distributed around the edge of the collar so as to ensure a uniform cushion over its entire perimeter. They may also or concurrently be constituted by a pressurized fluid, preferably compressible, supplying the above lower chamber 26.
  • the generation of hydraulic pressure in the upper chamber 24 of the aforesaid cylinder can advantageously be carried out by communicating the aforesaid room 24, through passages 30, with a pump cylinder (not shown), filled with incompressible hydraulic fluid and closed by a pump piston actuated by a camshaft rotating in synchronism with the main motor shaft.
  • this pump piston can be actuated by any other known means such as actuator with control hydraulic, electromagnetic, or other.
  • the entire collar 12 acting as piston of the exhaust valve 6 and of cylinder 31, constitutes a pressurized fluid cylinder to actuate said valve 6 in the lifting direction opening (upwards, i.e. in the opposite direction piston 3).
  • the lower chamber 32 of this cylinder is intended to receive a hydraulic fluid under pressure, preferably incompressible, such as oil, to positively cause the piston 12 to rise, so the valve 6 lifted, in the open position, while the underlying lower chamber 33 contains means for elastic return 34 of the valve in the closed position.
  • These elastic return means may be, in the same way way, mechanical, hydraulic or preferably, and concurrently, tires.
  • deflectors 37 intended to give the intake air, when the intake valve is lifted, a moment kinetics likely to generate a rotational movement, with an axis substantially coincident with axis 2 of the engine cylinder, ensuring a centrifugal helical path to the air streams fresh entering the working chamber.
  • deflector means may be constituted by the shape of said intake pipe. There will be more simply consist of blades inclined relative to the axis of said cylinder, or more simply by angularly drilled holes regularly distributed over the periphery of said annular clearance of admission and axes preferably perpendicular and not intersecting with respect to the axis of said cylinder. This last provision is particularly advantageous for facilitating transmission towards the breech of the vertical forces due to the pressure of gas in the working chamber.
  • This tubular sleeve arrangement of the exhaust valve 6 is particularly advantageous in the sense that, unlike a valve conventional mushroom shaped gas pressure prevailing in the working chamber, at the time of opening of said valve, does not oppose, or very little, this openness: the effort developed by the control unit the lift of the exhaust valve will be reduced in consequence, which will facilitate the realization.
  • the exhaust valve control device for achieve a very important engine brake: indeed if we has a timing device, variable during the engine operation, opening control valve, we can, by significantly anticipating the moment the exhaust valve opens start of the downward stroke of the piston (corresponding to the increase in the volume of the working chamber of the engine) drop the pressure in this chamber of work and will reduce the positive work of the engine accordingly and, consequently, increase the engine brake.
  • This advance opening of the exhaust valve, while the pressure in the working chamber is very important, will be painless due to the tubular shape of this valve.
  • the peripheral intake valve 7 is strongly cooled by the intake air during the phase sweep.
  • the coolant will be advantageously introduced by means of supply conduits and back 39 which will primarily irrigate the part lower of the central hub 21 in the vicinity of the nose of injector 5, then on the return circuit, the space annular 38.
  • the axi-symmetrical arrangement of this allows follow the air streams introduces trajectories helical away from them as long as possible from the central area close to the exhaust and reduce to maximum the mixture between the fresh air introduced and the combustion confined to the center of the working chamber.
  • the piston 3 has, in its upper face, a recess 40 of axis revolution confused with that of the piston and which constitutes for essentially the combustion chamber, while the volume of the working chamber is minimal, the piston being at near top dead center.
  • the nozzle 22 for injecting liquid fuel under injector 5 pressure is located substantially in the axis of the combustion chamber in such a way that the fuel is injected, preferably in the form of inclined and regularly distributed radial jets, in the central part of the combustion chamber.
  • the amount of flue gas at very high temperature and low in oxygen, concentrated in the area central combustion chamber can be obtained and easily adjusted.
  • the temperature of the central zone can be of the order of 1480 ° C. just before injection while the temperature of the fresh air rotating device is in the order of 430 ° C.
  • the upper side piston 3 located outside the combustion chamber 40 is preferably flat and comes to marry, with a play that we will determine in order to minimize the importance of radial air movements when the piston is in the vicinity from its top dead center, the underside of the sole 13 of the intake valve 7. In doing so, it comes, when the piston is near the top dead center, trap radially outside the conical seat 15 a small annular volume 46.
  • this small annular volume 46 constitutes a "dead end" in which is established, at each compression cycle of the piston, a supply of fresh air and turning away from the fuel combustion when the piston is in the vicinity from top dead center.
  • this air reserve will relax, protecting so thermally, by developing a layer cold limit, the upper crown of the piston 3 and the face bottom of the sole 13 of the intake valve 7.
  • FIG 2 we see another embodiment of the invention which is distinguishes from that shown in Figure 1 by the fact that the elastic return means of the intake valves and exhaust here are purely pneumatic, the chambers 26 for the intake valve and 33 for the exhaust valve communicating through passages 39a for the intake valve and 39th for the exhaust valve with a cavity (not shown), supplied with air under pressure.
  • this figure shows the means generating vertical forces making it possible to lift the intake and exhaust valves for the disconnect cyclically from their respective seats.
  • These means essentially consist of a camshaft 50 rotating in synchronism with the main motor shaft and comprising an intake cam 51a and a cam exhaust 51st.
  • These cams operate the pump pistons 52a and 52e sliding freely axially in the pump cylinders 53a and 53e, thus delimiting cavities of variable volume 54a and 54e which communicate by passages 55a and 55e with the upper cavities 25 of the jack of the inlet valve 7 and lower 32 of the cylinder of the exhaust valve 6.
  • All of these circuits hydraulic (54a, 55a, 25) and (54e, 55e, 32) are filled an incompressible fluid such as oil.
  • each pump piston 52 thanks to the action of the cam 51, will cause the lifting of the corresponding valve with a stroke equal to the stroke of the cam multiplied by the ratio of cross sections pump piston and valve cylinder.
  • the cam nose has exceeded the angular position allowing the pump piston to be released, the means of elastic return of the corresponding valve will recall both the valve on its seat and the pump piston at the contact with the cam.
  • FIG. 3 we see another embodiment of the invention which differs from that shown in Figure 1 first of all by a number of details. So the conduits of 39 coolers are arranged differently.
  • the annular admission clearance 10 is arranged in the external lower part of the intake valve 7 and not not in the cylinder head 4.
  • the piston 23a of the external valve 7 is arranged in an intermediate position and the spring 29 requests, upwards, an annular ring 41 carried by the valve 7 in the vicinity of its upper end.
  • the exhaust 6 and intake 7 valves have, in their cylindrical part, a double wall leaving inside a free space, which can be optionally traversed by a cooling fluid.
  • the air reserves annulars formed at the periphery of the cylinder to the outside of the conical seat of the intake valve (Annular reserve 46) on the one hand, and that constituted around the central hub 21 on the other hand, will feed in relaxing, when the piston begins its downward stroke, the boundary layers of fresh air set in motion during injection, thanks to the very high momentum transferred to the surrounding environment by the fuel jets injected under very high pressure.
  • These boundary layers thus drawn in will protect the walls of the chamber from combustion and "feed" fresh air around the periphery of fuel jets to supply the necessary oxygen to the combustion of fuel inside two contra-rotating vortices generated by injection under very high fuel pressure in the chamber, thus facilitating mixing with the fuel and this makes the speed and quality of combustion.
  • the engine piston is shown 3 in its lower position, near the bottom dead center, at when it starts to go up to reduce the volume internal free in cylinder 1.
  • the means of control (not shown) introduce liquid hydraulic under pressure in chamber 32, which instantly causes the exhaust valve to lift 6, the bearing 17a of which deviates from the seat 16 of the valve 7 remained closed, connecting inside the cylinder, through line 8 with the line exhaust 9, while the return spring 34 of the exhaust valve is compressed.
  • the lower curved part 42 of the exhaust valve came substantially tangent to the convex end lower of the hub 21 so that the space 43 is not noticeably more in communication with the combustion, so that the exhaust gas flow without disturbance. This flow continues gradually as the piston 3 goes up and removes part of the combustion gases.
  • valve 7 drops to the position shown in the figure.
  • the exhaust valve 6 remaining in its raised position, the section of the passage between the internal face, which carries the seat 16 of valve 7 and the bearing 42 opposite valve 6 is greatly enlarged, which facilitates the pursuit from the flue gas outlet at a time when the pressure in the cylinder has already dropped.
  • lowering the valve 7 causes the intake passage to open, so that the annular clearance 10 is put in communication with the interior of the cylinder by a passage 49 orienting gradually the air towards the lower side wall of the cylinder and down thanks to the concave curvature of the external surface of the intake valve 7 at the clearance 10, helped in this by the taper or the curvature, going outward and downward, from the part of cylinder head at the external seat 14 of the valve of admission.
  • This stratification remains appreciably present as the volume decreases during the raising of the piston 3, even after having closed the intake and exhaust valves. This stratification still persists in the position shown in the figure 6, near top dead center, in which the volume is now limited to that of combustion chamber 44, which includes the volume of the recess in the surface of the piston, the compressed fresh air rotating at the periphery of the combustion chamber while the poorer hot gases oxygen remain confined to the central volume of the combustion chamber, i.e. in the vicinity of the nozzle central 22 of the injector.
  • the injector starts, towards the end of compression, spraying the liquid fuel, as shown in Figure 5, so that at start of injection, the liquid fuel is at the hot gas contact in the central part of the volume where begins combustion, which takes place in the best conditions. Combustion then continues from the center to the periphery towards the air fresh, which achieves almost uniform combustion perfect, free of pollution and oxide formation nitrogen.
  • this combustion takes place under perfectly axisymmetric conditions in a combustion chamber volume whose surface is minimal since reduced to the visible face of the hub 21, to the lower part of the internal surface of the valve intake, and on the surface opposite the piston 3.

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Description

La présente invention a trait à un perfectionnement aux moteurs à combustion interne, fonctionnant selon le cycle à deux temps, avec injection de combustible liquide pulvérisé sous haute pression, tels que les moteurs Diesel à deux temps. Plus particulièrement l'invention a trait à un système d'échange des gaz incorporé exclusivement dans la culasse et destiné notamment à organiser une stratification entre les produits de combustion du cycle précédent et l'air frais introduit dans la chambre de travail pour le cycle suivant dans le but de réduire les déperditions de chaleur aux parois et d'assurer les conditions d'un processus de combustion d'une qualité tout à fait remarquable tout en conservant un excellent rendement, dit rendement de balayage, du système d'échange de gaz.
Un problème bien connu des moteurs à deux temps à allumage par compression, est celui d'augmenter l'efficacité de l'échange des gaz. En effet, le remplacement des gaz brûlés par la charge d'air frais pose un problème particulier, dans le moteur à combustion interne à deux temps, car on n'y dispose que d'un temps réduit (correspondant à un angle de rotation d'environ 100° à 140° du vilebrequin) pour le réaliser alors que, dans le moteur fonctionnant selon un cycle à quatre temps, la période de temps, disponible à cet effet, est sensiblement plus grande et peut atteindre une durée correspondant à un angle de rotation d'environ 400° de l'arbre-manivelle. Dans les moteurs à deux temps, on s'efforce en général d'améliorer l'échange des gaz,
  • a) en augmentant la perméabilité du cylindre, c'est-à-dire en laissant passer le débit d'air requis par le moteur sous une différence de pression entre admission et échappement qui soit aussi petite que possible ;
  • b) en diminuant le court-circuit d'air entre l'admission et l'échappement grâce à une orientation du courant d'air frais entrant dans le cylindre l'empêchant de passer directement de l'admission à l'échappement ;
  • c) en empêchant, autant que possible, l'air frais admis dans le cylindre de se mélanger, pendant le balayage, aux gaz brûlés provenant du cycle précédent et quittant le cylindre ; et
  • d) en créant dans la chambre de combustion, d'intenses mouvements d'air bien synchronisés avec l'injection de carburant pour améliorer le mélange entre air et carburant.
    • Il serait également désirable de diminuer, si possible, la puissance motrice perdue dans l'actionnement des soupapes, et notamment des soupapes d'échappement qui doivent être levées à un moment où la pression des gaz moteurs dans le cylindre est élevée.
    Un autre facteur de diminution de rendement d'un moteur, notamment d'un moteur à deux temps, est lié à l'aire de la surface dite "surface mouillée" c'est-à-dire de la surface interne du volume où s'effectue l'amorçage de l'injection de combustible et le début de la combustion, et qui comprend généralement les surfaces du piston, de la culasse, des soupapes et de la partie du cylindre restant découverte au point mort haut. La surface mouillée pose, en effet, des problèmes de refroidissement et de déperdition d'énergie.
    Une diminution de la surface de la chambre de combustion a été recherchée, notamment par le brevet français n° 1 021 442 qui décrit un moteur à combustion interne à au moins un cylindre avec piston à mouvement alternatif, par exemple du type Diesel fonctionnant selon un cycle de travail à quatre temps, avec une distribution des fluides gazeux à chaque cylindre par une paire de soupapes en champignon respectivement d'admission et d'échappement à fermeture automatique par un ressort individuel de rappel antagoniste, disposées coaxialemenent l'une dans l'autre d'une façon dite télescopique ou concentrique dans la culasse du cylindre associé et coaxialement à celui-ci, de façon à permettre l'obtention d'un balayage axisymétrique du volume mort de la chambre de combustion du cylindre au voisinage du point mort haut du piston, c'est-à-dire selon une configuration de révolution du flux gazeux autour de l'axe longitudinal central du cylindre. Les deux soupapes s'ouvrent vers l'intérieur du cylindre associé et, pendant la phase de balayage, pénètrent, en positions simultanément ouvertes, dans la chambre de combustion proprement dite constituée par un évidement approprié de la tête du piston au point mort haut de celui-ci. Cette configuration est parfaitement adaptée à la solution du problème du balayage spécifique uniquement au cycle de fonctionnement à quatre temps. La soupape radialement externe est de forme annulaire creuse ouverte. La soupape radialement interne coopère avec un siège solidaire de la face sous tête de la soupape radialement externe et cette dernière coopère avec un siège fixe solidaire de la culasse.
    La soupape radialement interne délimite un conduit annulaire avec et dans la soupape radialement externe. La soupape radialement interne sert de préférence à l'échappement tandis que la soupape radialement externe sert à l'admission : cependant la disposition fonctionnelle inverse est également possible mais toutefois sans procurer les mêmes avantages relatifs au balayage du volume mort du cylindre.
    Ce document antérieur révèle également un moteur à combustion interne, par exemple Diesel, fonctionnant selon un cycle de travail à deux temps et dont chaque cylindre comporte une soupape d'admission disposée dans la culasse en tête du cylindre et des lumières d'échappement dans la partie inférieure de la paroi latérale du cylindre. Il peut être prévu un injecteur de combustible disposé dans la culasse en étant transversalement oblique à l'axe longitudinal médian de symétrie du cylindre ou plusieurs tels injecteurs uniformément répartis autour de la chambre de combustion du cylindre.
    Dans le cas du cycle à quatre temps à soupapes concentriques, chaque soupape est actionnée séparément en ouverture de façon indépendante par son propre culbuteur contre la force antagoniste de son propre ressort de rappel automatique vers la position de fermeture et lors du mouvement individuel d'ouverture de la soupape radialement externe.
    Le brevet FR-A-1 127 166 décrit une forme particulière de soupape creuse d'admission pour des moteurs de ce type.
    D'autres dispositifs réduisant la surface mouillée sont décrits dans les brevets US-A-2 471 509 et 2 484 923 qui utilisent, dans des moteurs à deux temps, deux soupapes télescopées l'une dans l'autre et coulissant le long de l'axe géométrique de révolution du cylindre moteur pour des circulations axisymétriques des gaz, la soupape périphérique étant constituée de façon sensiblement tubulaire avec une extrémité incurvée radialement vers l'extérieur pour former une portée coopérant avec un siège conique de culasse alors que la soupape centrale d'échappement, en forme de champignon, utilise, comme siège, une surface interne orientée vers le piston moteur de la soupape périphérique d'admission, de façon que l'ouverture des deux soupapes s'effectue en direction de la chambre de combustion. Le conduit d'admission d'air, en amont de la soupape d'admission, est agencé avec des ailettes ou un aubage de déflexion, de façon à produire un mouvement d'air d'admission tourbillonnant destiné à descendre le long de la paroi du cylindre puis à remonter centralement, l'air tourbillonnant permettant d'améliorer le mélange d'air frais et de combustible en prévoyant des injecteurs de combustible débouchant dans la périphérie de la chambre de combustion, selon un angle fortement incliné par rapport à la direction radiale. Dans cet agencement, les soupapes sont dimensionnées, dans leur forme et dans leur course de levée, de façon que le passage offert, à l'admission, aux gaz frais soit nettement supérieur au passage offert, à l'échappement, aux gaz de combustion.
    Ces constructions présentent cependant un certain nombre d'inconvénients dans le domaine de l'échange des gaz. Ainsi le débit des gaz, notamment à l'échappement, n'est pas facilité. Le court-circuit d'air entre l'admission et l'échappement est certes partiellement diminué grâce au mouvement de rotation imparti à l'air en direction du cylindre mais il subsiste néanmoins un passage préférentiel de l'admission à l'échappement grâce à un trajet de faible longueur, de surcroít orienté dans un sens favorable à la fuite des gaz, le balayage étant d'ailleurs conçu de façon à éliminer le plus possible les gaz de combustion du cycle précédent. La course de levée de la soupape centrale d'échappement doit être très importante, pendant la phase de balayage, pour une ouverture n'offrant qu'une surface de passage réduite. Enfin l'injection est effectuée à la périphérie directement dans l'air tourbillonnant qui, de ce fait, doit être à température suffisamment élevée pour provoquer l'auto-allumage, ce qui a pour effet d'augmenter la température de combustion dans un milieu riche en oxygène, favorisant la formation d'oxydes d'azote.
    Il en est de même dans la construction ancienne décrite dans le document DE-A-1 056 872, qui vise à réaliser un dispositif d'échange de gaz compact, en prévoyant, dans la culasse, un moyeu central axisymétrique, susceptible de présenter un injecteur, ou une bougie d'allumage, central, et formant un siège tronconique pour l'extrémité inférieure d'une soupape tubulaire centrale d'admission délimitant un passage d'air d'admission entre le moyeu et la partie tubulaire de la soupape, qui se termine par une portée tronconique correspondante orientée vers le moyeu, cette soupape centrale étant entourée, à glissement, par une soupape cylindrique périphérique d'échappement dont la portée tronconique, orientée de façon radialement externe, vers un siège concentrique de la culasse, est destinée à assurer une évacuation des gaz de combustion par la périphérie de la culasse.
    Une réalisation similaire est présentée dans le document WO 90/08883 qui décrit une réalisation d'un moteur fonctionnant selon un cycle a deux temps avec deux soupapes de forme tubulaire concentriques, à savoir une soupape d'admission d'air frais coopérant avec une portée périphérique fixe présentée par la surface périphérique de la culasse, et une soupape d'échappement indépendante, de diamètre réduit et coopérant avec un siège porté par une paroi cylindrique fixe interposé entre les deux soupapes, qui s'ouvrent par des mouvements orientés vers le piston coulissant dans la chambre de travail. Une telle disposition présente cependant, comme les autres, une possibilité limitée de débit d'échappement et présente le risque d'une dérivation d'une partie de l'air frais vers le passage d'échappement, tout en compliquant la structure de la culasse.
    Un autre objectif de l'invention est d'augmenter l'efficacité de l'échange des gaz en chassant axisymétriquement une partie des gaz brûlés résiduels du cylindre en les remplaçant par un volume correspondant d'air frais, tout en empêchant ou en réduisant au maximum tout risque de passage direct d'air frais de la soupape d'admission à la soupape d'échappement, ou indirect par le mélange d'air frais avec les gaz brûlés quittant le cylindre, et ce avec une dépense d'énergie minimale. La dépense énergétique est minimisée par la recherche de la meilleure utilisation possible de l'air de balayage fourni au cylindre, mais également par l'obtention d'une grande perméabilité, c'est-à-dire par la réalisation de sections maximales d'écoulement offertes aux fluides gazeux, ne nécessitant ainsi qu'une différence de pression relativement faible entre la pression d'air de balayage et la contrepression à l'échappement pour assurer un débit d'air de balayage donné.
    Un autre objectif de l'invention est d'assurer la protection des parois latérales de la chambre de travail par la circulation centrifuge d'air frais le long de ces parois.
    Un autre objectif de l'invention est de minimiser, dans un moteur dans lequel est instaurée une stratification élevée des gaz dans le cylindre, la surface dite surface mouillée, c'est-à-dire la surface interne délimitée par la tête de piston, éventuellement la partie supérieure du cylindre, et l'ensemble de la surface interne du ciel de culasse, en contact avec les gaz chauds sous pression ce qui, non seulement évite une mauvaise combustion au voisinage des parois mais encore limite considérablement les déperditions thermiques et, par conséquent, entraíne une augmentation importante du rendement du moteur.
    Un autre objectif de l'invention est de réduire les efforts appliqués aux moyens de commande de la soupape d'échappement alors que la pression régnant dans la chambre de travail est élevée.
    Un autre objectif, particulièrement important, de l'invention est d'utiliser la solution à ces problèmes apportée par l'invention, pour réaliser un moteur dans lequel on améliore, de façon particulièrement importante, la phase même de la combustion, en supprimant les inconvénients classiques des moteurs à allumage par compression liés aux difficultés d'obtenir à la fois une combustion complète, sensiblement exempte d'imbrûlés et de fumées et une absence de polluants tels que les oxydes d'azote (NOx).
    On sait, en effet, que dans les moteurs à combustion interne du type défini ci-dessus, le combustible est injecté sous pression dans la chambre de combustion lorsque le piston est au voisinage du point mort haut (PMH), c'est-à-dire lorsque le volume variable est au voisinage de sa valeur minimale. La compression adiabatique de l'air enfermé dans le cylindre échauffe cet air de telle sorte que sa température dépasse la température d'auto-inflammation du combustible injecté.
    Le combustible finement pulvérisé est introduit dans la chambre de combustion sous forme de gouttelettes. En pénétrant dans le milieu ambiant, chaque gouttelette se vaporise et la vapeur de combustible diffuse dans ce milieu en créant une zone où les conditions d'allumage spontané sont atteintes, l'inflammation du combustible s'y produisant alors spontanément. Le temps qui s'écoule entre le début de l'injection du combustible et le début de la combustion, au cours de chaque cycle, s'appelle "le délai d'inflammation".
    Cette première phase de la combustion est très brutale : la vapeur de combustible, pré-mélangée à l'air chaud (dans les conditions de pression et de température requises pour l'auto-inflammation), s'enflamme en masse. La vitesse de réaction est très élevée et, très rapidement, chaque gouttelette partiellement vaporisée a consommé la totalité de l'oxygène présent dans l'air qui est mélangé à la vapeur. En un temps si court, le mélange n'étant pas homogène, l'air non mélangé n'a pas le temps d'entretenir la combustion, compte tenu de son éloignement du centre (la gouttelette) de la combustion. Très rapidement, la réaction s'arrête donc ou du moins se ralentit du fait de la raréfaction de l'oxygène disponible. Cette phase de combustion en masse (combustion non contrôlée) s'appelle la "combustion en pré-mélange" (en anglais "pre-mix combustion").
    Les mouvements d'air et de combustible pré-établis ou induits par l'injection du combustible sous haute pression, ou provoqués par l'expansion des gaz échauffés par la réaction chimique brutale durant cette première phase de la combustion permettent à la réaction exothermique de se poursuivre. Celle-ci se développe ensuite selon un mode contrôlé, grâce aux transferts de masse par diffusion des zones riches en combustible vers les zones pauvres en combustible, c'est-à-dire vers les zones où la teneur en oxygène est élevée. Cette phase de combustion par diffusion s'appelle "la combustion en flamme de diffusion". Elle est beaucoup plus lente et se poursuit au rythme des mélanges entretenus par les mouvements relatifs d'air et de combustible dans la chambre de travail.
    Plus le délai d'inflammation est long, plus la quantité du combustible injecté avant inflammation est importante, ce qui entraíne les inconvénients suivants :
    • combustion brutale, d'où bruits (cognements du moteur Diesel) et vibrations créés par la variation brusque de la pression dans la chambre de travail (entraínant fatigue des structures, claquements et bris des segments du piston) ;
    • formation d'oxydes d'azote NOx très polluants (une partie importante des NOx étant formée dans la zone où la combustion se développe en pré-mélange et où des températures élevées sont maintenues pendant une période prolongée).
    Les constructeurs de moteurs Diesel se sont donc efforcés de réduire le délai d'inflammation (par exemple en retardant l'instant où le combustible est introduit) tout en recherchant à refroidir l'air frais admis dans le ou les cylindres, de façon à en augmenter la densité et à ne pas dépasser autant que possible les températures de cycle au-dessus desquelles les oxydes d'azote ont tendance à se produire en quantité excessive, ce qui tend à augmenter le délai d'inflammation. Les solutions qu'ils ont proposées jusqu'ici n'ont pas donné entière satisfaction, notamment du point de vue du rendement et de l'émission de particules et de fumées à l'échappement.
    L'invention a pour but de résoudre de façon originale le problème du raccourcissement du délai d'inflammation, sans pour autant dépasser les températures de cycle au-dessus desquelles la production des oxydes d'azote devient trop importante, non seulement en remédiant aux inconvénients rappelés ci-dessus, mais encore en permettant de brûler des combustibles plus "rustiques", ayant notamment un indice de cétane plus faible, et donc moins chers à produire.
    L'invention a pour objet un moteur à combustion interne selon la revendication 1.
    Dans une forme de réalisation particulière, le susdit moyeu central est fixe par rapport à la culasse.
    De façon avantageuse le diamètre intérieur minimal de la susdite portée conique orientée vers l'extérieur de la partie inférieure de forme tubulaire de la soupape d'échappement coopérant avec un siège aménagé à l'intérieur de la partie inférieure de la soupape d'admission, est inférieur au diamètre extérieur du coulissement des susdits moyens d'étanchéité du moyeu central autour duquel coulisse la paroi intérieure de la partie inférieure de forme tubulaire de la soupape d'échappement pour la rendre légèrement autoclave.
    Divers moyens de rappel élastique de la soupape d'admission et/ou de la soupape d'échappement peuvent être prévus. Ces moyens peuvent notamment comporter des ressorts de type mécanique. Ces ressorts peuvent être constitués par une pluralité de ressorts montés en barillet et exerçant leur force de rappel sur une couronne solidaire de la partie supérieure de la soupape.
    On peut aussi prévoir, ou associer auxdits moyens de rappel tels que les ressorts, des moyens de rappel élastique de la soupape d'admission et/ou de la soupape d'échappement comportant un piston solidaire de la soupape et coulissant dans un cylindre délimitant une cavité de volume variable communiquant avec des moyens générateurs de pression de fluide.
    Afin d'actionner la soupape d'échappement et/ou la soupape d'admission dans le sens de l'ouverture, on peut rendre un piston solidaire de la soupape, ce piston coulissant dans un cylindre délimitant une première cavité de volume variable communiquant avec des moyens générateurs de pression de fluide, de préférence sensiblement incompressible.
    Lesdits moyens générateurs de pression de fluide peuvent, par exemple, être constitués d'un piston coulissant dans un cylindre formant une deuxième cavité de volume variable communiquant avec la susdite première cavité, le piston étant actionné par un moyen moteur tel qu'un arbre à came tournant de façon synchrone avec l'arbre moteur.
    Les pistons de rappel et d'actionnement dans le sens de l'ouverture de soupape peuvent être confondus en un seul et même piston à deux faces, les pressions de fluide s'exerçant alors de part et d'autre dudit piston.
    Dans une forme de réalisation particulièrement avantageuse, le piston moteur, qui délimite la chambre de travail du moteur en coulissant dans la paroi du cylindre, et qui est rendu étanche par une garniture d'étanchéité n'offrant aucun passage au fluide moteur vers la partie inférieure du piston, peut être agencé de façon que sa partie supérieure épouse, avec un jeu suffisant pour éviter la formation de mouvements d'air radiaux susceptibles de détruire le mouvement de rotation axisymétrique du fluide moteur, la partie de la culasse située à l'extérieur du diamètre maximal de la soupape d'admission et la soupape d'admission elle-même lorsque le volume de la chambre de travail est minimal, c'est-à-dire au voisinage du point mort haut, la partie de la culasse située à l'extérieur du diamètre maximal de la soupape d'admission et la soupape d'admission, elle-même, délimitant une cavité annulaire périphérique dans laquelle sera emprisonnée une quantité d'air en rotation axisymétrique et ne participant pas à la combustion du combustible injecté dans la chambre de travail et qui se détendra pendant la course d'augmentation de volume de la chambre de travail.
    De façon avantageuse les moyens d'étanchéité de la paroi intérieure de la partie supérieure de forme tubulaire de la soupape d'échappement coulissant autour du susdit moyeu central peuvent comporter une garniture d'étanchéité continue n'offrant aucun passage au fluide moteur comprimé dans la chambre de travail, la partie inférieure de forme tubulaire de la soupape d'échappement et la partie inférieure du moyeu central délimitant ainsi une cavité annulaire dans laquelle sera emprisonnée une quantité d'air ne participant pas à la combustion du combustible injecté dans la chambre de travail et qui se détendra pendant la course d'augmentation de volume de la chambre de travail.
    Grâce à l'invention, on peut agencer les dimensions, formes, sections de passage, pressions et dépressions et/ou actionner les moyens distributeurs constitués notamment par les susdites soupapes de telle façon qu'une part importante des gaz de combustion du cycle précédent soit retenue dans la chambre de travail pendant le processus consistant à évacuer les gaz de combustion et à les remplacer en partie par de l'air frais, par ouverture des soupapes d'échappement et d'admission, lors de la phase de balayage dans le moteur à deux temps.
    La communication entre la cavité d'admission et la chambre de travail, lorsque la soupape d'admission est en position d'ouverture, d'une part, et la forme des parois de la chambre de travail, d'autre part, sont agencées de manière que le flux d'air frais pénètre dans la chambre de combustion, alors que le volume de la chambre de travail devient minimal en raison du mouvement relatif du piston, de façon à provoquer un mouvement de rotation intense du fluide de travail à l'intérieur de la chambre de combustion, en empêchant autant que possible, grâce à la centrifugation de l'air frais obtenue par ce mouvement de rotation et à la différence de densité entre l'air frais et les gaz de combustion, l'air frais de se mélanger à l'intérieur de la chambre de combustion aux gaz de combustion retenus dans celle-ci, et à former dans ladite chambre de combustion une zone centrale où la concentration des gaz de combustion et la température sont maximales et une zone périphérique où la concentration d'air frais est maximale et la température est minimale.
    Grâce à sa position centrale dans le moyeu, l'injecteur peut injecter le combustible directement dans la susdite zone centrale, au moins au début de chaque période d'injection.
    De préférence, la masse des gaz de combustion retenus dans la chambre de travail, d'un cycle sur l'autre, est au moins égale à 10 %, de préférence à 15 %, de la masse du fluide de travail contenu dans cette dernière chambre au moment où les communications entre celle-ci et l'une et l'autre des susdites cavités d'admission et d'échappement viennent d'être interrompues au cours de chaque cycle, alors que le moteur fonctionne au moins approximativement à sa vitesse nominale.
    De cette façon, il est organisé une combustion dont le délai d'inflammation est extrêmement bref (même avec l'utilisation de combustibles peu raffinés, dits "rustiques"), voire nul, par augmentation considérable de la température du milieu dans lequel est injecté le combustible de façon à provoquer sa vaporisation quasi immédiate. Néanmoins, la température moyenne du fluide de travail est maintenue à des niveaux raisonnables, ce qui permet une densité élevée et par conséquent une puissance spécifique élevée et un taux faible de production d'oxydes d'azote. De plus, le milieu gazeux surchauffé est maintenu à distance des parois de la chambre de combustion, par la présence d'une couche intermédiaire d'air frais, ce qui empêche une surcharge thermique du moteur et limite les pertes aux parois.
    Il est à noter que l'invention va à l'encontre des idées généralement admises dans la construction des moteurs Diesel où les spécialistes s'efforcent de privilégier une pureté maximale en air frais du fluide de travail, plutôt que de privilégier une pureté relativement faible (90 %, voire 85 %, ou même moins en masse) et d'injecter le combustible dans une zone où la concentration en gaz de combustion retenus d'un cycle sur l'autre est maximale, étant rappelé que, dans un moteur à allumage par compression, les gaz de combustion contiennent encore une proportion notable d'oxygène disponible.
    Selon un perfectionnement particulièrement surprenant, on choisit la température de l'air admis et la proportion des gaz retenus dans la chambre de travail, d'un cycle sur l'autre, compte tenu des autres paramètres de fonctionnement du moteur, de façon telle que, si on mélangeait les gaz retenus et l'air frais avant d'injecter le combustible, la température du mélange ainsi obtenu au moment de l'injection pourrait être inférieure à celle où l'auto-inflammation du combustible se produit de façon stable et sans production excessive d'imbrûlés. Ce perfectionnement a l'avantage de permettre à la fois de refroidir de façon intense l'air frais d'alimentation (pour limiter la charge thermique des parois et réduire les températures maximales du cycle à des valeurs inférieures à celles qui provoquent une formation excessive d'oxydes d'azote nocifs) et d'avoir un rapport volumétrique effectif réduit (pour limiter la charge mécanique des pièces), tout en conservant des conditions d'auto-inflammation parfaites, à délai d'inflammation réduit.
    Il est également avantageux de choisir la température de l'air admis et la proportion des gaz retenus dans la chambre de travail, d'un cycle sur l'autre, compte tenu des autres paramètres de fonctionnement du moteur, de façon telle que la température moyenne maximale du fluide de travail ne dépasse par la valeur, de l'ordre de 1500°C, à partir de laquelle la production de NOx devient excessive.
    D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaítront à la lecture de la description suivante, faite à titre d'exemple non limitatif, et se référant au dessin annexé dans lequel :
    • la figure 1 représente une vue schématique en section axiale d'une partie d'un moteur selon une première forme de réalisation de l'invention ;
    • la figure 2 représente une vue en section axiale selon une variante de cette forme de réalisation de l'invention ;
    • la figure 3 représente une vue en section axiale d'une autre forme de réalisation de l'invention.
    • les figures 4, 5 et 6 représentent des vues en section axiale d'une variante de la forme de réalisation de la figure 3 en positions, respectivement, d'échappement, de balayage et de combustion.
    Selon l'exemple de réalisation représenté sur la figure 1, le repère 1 désigne un cylindre d'un moteur Diesel à deux temps, d'axe longitudinal 2, contenant un piston 3 et dont l'extrémité supérieure est surmontée et fermée par une culasse désignée d'une façon générale par le chiffre de référence 4, comportant un injecteur central de combustible liquide sous pression 5 coaxial au cylindre et entouré coaxialement par deux soupapes concentriques, respectivement interne d'échappement 6 et externe d'admission 7, délimitant entre elles un conduit généralement annulaire d'échappement 8 des gaz brûlés qui communique avec une pipe d'échappement 9 reliée au système d'échappement (non représenté) du moteur.
    La soupape d'admission 7 est de forme de révolution, creuse et ouverte à chaque extrémité, et dont l'extrémité inférieure 13 présente une forme de semelle et comporte extérieurement une portée annulaire conique d'étanchéité 14 orientée vers l'extérieur et vers le haut, c'est-à-dire en direction de la culasse, et coopérant avec un siège fixe 15 solidaire de la culasse 4, et intérieurement une surface annulaire conique 16, orientée vers l'intérieur et vers le haut, et servant de siège axialement mobile à une portée annulaire d'étanchéité conjuguée 17 disposée à la partie terminale inférieure ou extrémité libre de la soupape d'échappement 6. La soupape d'admission 7 est guidée dans son coulissement axial par la paroi latérale externe de sa queue tubulaire 18, dans un guide de soupape 19 solidaire de la culasse 4.
    La soupape radialement externe d'admission 7 délimite avec la culasse 4, dans sa partie inférieure située au voisinage immédiat de sa portée coopérant avec le siège conique solidaire de la culasse, un dégagement annulaire d'admission 10 communiquant avec une pipe 11 d'admission d'air frais reliée au système d'admission (non représenté) du moteur, par exemple un système de suralimentation.
    L'extrémité supérieure de la queue 18 de la soupape d'admission 7 comporte une collerette 23 faisant office de piston annulaire coulissant de façon étanche dans un cylindre coaxial 24 aménagé dans la culasse 4, délimitant avec celui-ci une chambre 25 sur la face supérieure de ce piston, et une chambre 26 sous la face inférieure de ce piston.
    La soupape radialement interne ou d'échappement 6 a sensiblement la forme de révolution d'axe confondu avec celui de la soupape d'admission et de préférence confondu avec l'axe du susdit cylindre moteur 1, d'un manchon tubulaire situé à l'intérieur de la soupape d'admission 7 et coulissant axialement par sa surface latérale interne sur un guide de soupape 20 faisant partie d'un moyeu central 21 solidaire de la culasse 4. Ce moyeu central 21 contient, par ailleurs, l'injecteur de combustible 5, dont la buse de pulvérisation 22 débouche dans la chambre de combustion 40 afin de pouvoir y injecter des jets de combustible sensiblement radiaux et de préférence inclinés et répartis en étoile autour de la buse.
    L'extrémité supérieure du manchon tubulaire constituant la soupape radialement interne ou d'échappement 6 comporte une collerette 12 faisant office de piston annulaire coulissant de façon étanche dans un cylindre coaxial 31 aménagé dans la culasse 4, délimitant avec celui-ci une chambre 32 sous la face inférieure de ce piston, et une chambre 33 sur sa face supérieure.
    L'étanchéité entre la paroi latérale externe de la queue de soupape tubulaire 18 de la soupape d'admission 7 et le guide de soupape 19 solidaire de la culasse 4 d'une part, entre la paroi latérale interne du manchon tubulaire de la soupape d'échappement et le guide de soupape 20 solidaire du moyeu central 21 d'autre part, ainsi que l'étanchéité entre les susdites collerettes 12 et 23 faisant office de piston et les parois cylindriques 24 et 31 aménagées dans la culasse 4, est assurée par un ensemble de une ou plusieurs garnitures annulaires, bagues ou joints, de préférence radialement extensibles.
    L'ensemble du piston 23 de la soupape d'admission 7 et du cylindre 24 constitue un vérin à fluide sous pression pour actionner ladite soupape 7 dans le sens de la levée d'ouverture (vers le bas, c'est-à-dire en direction du piston 3). Dans ce but, la chambre supérieure 25 de ce vérin est destinée à recevoir un fluide hydraulique sous pression, de préférence incompressible, tel que de l'huile, qui assurera, de surcroít, la lubrification des pistes de glissement des garnitures d'étanchéité, pour provoquer positivement la descente du piston 23, donc de la soupape 7, en position d'ouverture, tandis que la chambre inférieure 26 sous-jacente contient des moyens de rappel élastique 34 de la soupape en position de fermeture.
    Ces moyens de rappel élastique pourront être constitués de ressorts mécaniques 29 comprenant, de préférence, une pluralité de ressorts montés en parallèle à la manière d'un barillet et angulairement régulièrement répartis sur le pourtour de la collerette de façon à assurer une pou ée uniforme sur l'intégralité de son pourtour. Ils pourront être également ou concuremment constitués par un fluide sous pression, de préférence compressible, alimentant la susdite chambre inférieure 26.
    La génération de la pression hydraulique dans la chambre supérieure 24 du susdit vérin pourra avantageusement être réalisée en faisant communiquer la susdite chambre 24, grâce aux passages 30, avec un cylindre de pompe (non représenté), rempli du liquide hydraulique incompressible et fermé par un piston de pompe actionné par un arbre à came tournant en synchronisme avec l'arbre principal du moteur. Il va de soi que ce piston de pompe peut être actionné par tout autre moyen connu tel que actuateur à commande hydraulique, électromagnétique, ou autre.
    De manière similaire, l'ensemble de la collerette 12 faisant office de piston de la soupape d'échappement 6 et du cylindre 31, constitue un vérin à fluide sous pression pour actionner ladite soupape 6 dans le sens de la levée d'ouverture (vers le haut, c'est-à-dire en direction opposée du piston 3). Dans ce but, la chambre inférieure 32 de ce vérin est destinée à recevoir un fluide hydraulique sous pression, de préférence incompressible, tel que de l'huile, pour provoquer positivement la montée du piston 12, donc la levée de la soupape 6, en position d'ouverture, tandis que la chambre inférieure 33 sous-jacente contient des moyens de rappel élastique 34 de la soupape en position de fermeture. Ces moyens de rappel élastique pourront être, de la même manière, mécaniques, hydrauliques ou de préférence, et concurremment, pneumatiques.
    Entre le dégagement annulaire d'admission 10 et la pipe d'admission d'air frais 11 sont interposés des moyens déflecteurs 37 destinés à conférer à l'air d'admission, lorsque la soupape d'admission est levée, un moment cinétique susceptible d'engendrer un mouvement de rotation, d'axe sensiblement confondu avec l'axe 2 du cylindre moteur, assurant un trajet hélicoïdal centrifuge aux filets d'air frais pénétrant dans la chambre de travail.
    Ces moyens déflecteurs pourront être constitués par la forme de ladite pipe d'admission. Il pourront plus simplement être constitués d'aubages inclinés par rapport à l'axe dudit cylindre, ou plus simplement encore par des perçages angulairement régulièrement répartis sur la périphérie dudit dégagement annulaire d'admission et d'axes de préférence perpendiculaires et non sécants par rapport à l'axe dudit cylindre. Cette dernière disposition est particulièrement avantageuse pour faciliter la transmission vers la culasse des efforts verticaux dûs à la pression des gaz dans la chambre de travail.
    Cette disposition en forme de manchon tubulaire de la soupape d'échappement 6 est particulièrement avantageuse en ce sens que, à la différence d'une soupape conventionnelle en forme de champignon, la pression des gaz régnant dans la chambre de travail, au moment de l'ouverture de ladite soupape, ne s'oppose pas, ou très peu, à cette ouverture : l'effort développé par l'organe de commande de la levée de la soupape d'échappement sera réduit en conséquence, ce qui facilitera la réalisation. En particulier, l'on pourra sans difficulté utiliser le dispositif de commande de la soupape d'échappement pour réaliser un frein moteur très important : en effet si l'on dispose d'un dispositif de calage, variable au cours du fonctionnement du moteur, de la commande d'ouverture de la soupape, on pourra, en anticipant de façon importante l'instant de l'ouverture de la soupape d'échappement en début de la course descendante du piston (correspondant à l'accroissemenent du volume de la chambre de travail du moteur) faire chuter la pression régnant dans cette chambre de travail et réduira d'autant le travail positif du moteur et, par conséquence, augmenter le frein moteur. Cette ouverture anticipée de la soupape d'échappement, alors que la pression régant dans la chambre de travail est très importante, se fera sans peine du fait de la forme tubulaire de cette soupape.
    On notera enfin le caractère particulièrement avantageux de l'ouverture dans des directions opposés des soupapes d'admission et d'échappement. En effet, lorsque seule la soupape d'échappement est ouverte (vers le haut) la pression dans la chambre de travail est élevée et l'évacuation des gaz de combustion se produira naturellement à grande vitesse (bouffée supersonique). En revanche, pendant la phase de balayage au cours de laquelle les deux soupapes sont ouvertes simultanément, de façon à avoir une perméabilité maximale permettant de minimiser la différence de pression nécessaire entre la pipe d'admission 11 et la pipe d'échappement 9, la course de la soupape d'admission s'ajoutant à celle de la soupape d'échappement, l'ouverture vers le bas de la soupape d'admission augmente considérablement la section de passage offerte aux gaz d'échappement, ce qui facilitera aussi la réalisation de son organe de commande.
    La soupape d'admission périphérique 7 est fortement refroidie par l'air d'admission pendant la phase de balayage. En revanche, pour assurer le refroidissement de la soupape d'échappement tubulaire 6 et du moyeu central 21, on peut prévoir de donner à la surface cylindrique externe du moyeu un diamètre suffisamment inférieur au diamètre interne de la soupape tubulaire 6 pour créer entre la soupape et le moyeu, à l'exception des zones de guidage 20, un espace annulaire 38 susceptible d'être parcouru par un fluide de refroidissement, tel que par exemple de l'huile, qui participera de surcroít à la lubrification des portées de glissement des garnitures d'étanchéité prévues dans les zones de guidage 20. Le fluide de refroidissement sera avantageusement introduit grâce à des conduits d'amenée et de retour 39 qui irrigueront prioritairement la partie inférieure du moyeu central 21 au voisinage du nez de l'injecteur 5, puis sur le circuit de retour, l'espace annulaire 38.
    Outre la protection naturelle des parois latérales de la chambre de travail par l'air frais centrifugé introduit pendant la période de balayage du moteur, la disposition axi-symétrique de celle-ci permet de faire suivre aux filets d'air introduit des trajectoires hélicoïdale les éloignant le plus longtemps possible de la zone centrale proche de l'échappement et de réduire au maximum le mélange entre l'air frais introduit et les gaz de combustion confinés au centre de la chambre de travail. On obtient ainsi un rendement très élevé du processus de balayage en réduisant considérablement le court-circuit, soit par passage direct depuis la soupape d'admission vers la soupape d'échappement, soit par mélange entre les gaz de combustion quittant la chambre de travail et l'air frais introduit dans celle-ci.
    Dans l'exemple représenté, le piston 3 présente, dans sa face supérieure, un évidement 40 de révolution d'axe confondu avec celui du piston et qui constitue pour l'essentiel la chambre de combustion, alors que le volume de la chambre de travail est minimal, le piston étant au voisinage du point mort haut.
    La buse 22 d'injection de combustible liquide sous pression de l'injecteur 5 est située sensiblement dans l'axe de la chambre de combustion de telle manière que le combustible soit injecté, de préférence sous la forme de jets radiaux inclinés et régulièrement répartis, dans la partie centrale de la chambre de combustion. Compte-tenu des dispositions géométriques adoptées pour l'invention, les gaz de combustion retenus dans la chambre de travail à la fin du processus de balayage, et de ce fait recyclés, seront concentrés dans cette zone centrale de la chambre de combustion, alors que l'air frais, animé d'un moment cinétique important pendant la période d'admission, du fait de la disposition périphérique de la soupape d'admission 7 et de l'orientation des passages d'air 37, sera confiné par centrifugation à la périphérie de la chambre de combustion, la rotation de l'air étant maintenue du fait de la conservation du moment cinétique pendant la course remontante du piston.
    La quantité de gaz de combustion à très haute température et pauvres en oxygène, concentrés dans la zone centrale de la chambre de combustion pourra être obtenue et réglée facilement. On peut, par exemple, compte tenu des pressions d'admission dans la cavité d'admission 10 et d'échappement dans la cavité 9, donner aux sections de passage des soupapes des valeurs telles qu'une partie des gaz de combustion n'a pas été évacuée à la fin de la phase de balayage, lorsque les deux soupapes 6 et 7 se referment. On peut également jouer sur la vitesse et la longueur du trajet hélicoïdal des gaz frais. Un autre moyen simple est de provoquer la fermeture de la soupape d'échappement suffisamment tôt pour emprisonner une partie des gaz de combustion.
    A titre d'exemple, avec un taux de compression de l'ordre de 6 et une proportion en masse de 20 % de gaz de combustion retenus d'un cycle sur l'autre, la température de la zone centrale peut être de l'ordre de 1 480°C juste avant l'injection alors que la température de l'air frais périphérique en mouvement de rotation est de l'ordre de 430°C.
    Outre que cette disposition offre une protection naturelle des parois latérales de la chambre de travail (surface latérale du cylindre et de la chambre de combustion) permettant de réduire notablement les déperditions thermiques vers les parois et donc d'améliorer le rendement du moteur, elle présente, en ce qui concerne le déroulement de la combustion, les avantages suivants :
    • l'injection du combustible liquide finement pulvérisé dans la zone centrale très chaude et pauvre en oxygène entraíne la vaporisation et l'auto-allumage quasi-immédiat du combustible de façon à apporter l'oxygène nécessaire à la combustion du combustible à l'intérieur de deux tourbillons contra-rotatifs engendrés par l'injection sous très haute pression du combustible dans la chambre, ce que l'on constate en observant un délai d'inflammation extrêmement faible. Cette combustion s'initiant dans une zone très riche (puisque très pauvre en oxygène) et très chaude, les atomes d'hydrogène et de carbone se combinent prioritairement avec l'oxygène disponible, empêchant par là la formation des oxydes d'azote en dépit des niveaux thermiques très élevés atteints en fin de compression au coeur de cette zone centrale ;
    • la combustion se poursuit dans la zone périphérique très riche en oxygène et relativement "froide" du fait de la stratification centrifuge de l'air frais introduit dans la chambre de travail. On observe que cette combustion se développe avec une très grande vitesse de réaction sans toutefois provoquer de formation excessive d'oxydes d'azote en raison des niveaux thermiques locaux faibles. La grande vitesse de réaction permet de réaliser, entre l'instant où est initiée la combustion et l'instant où la soupape d'échappement commence à s'ouvrir, une combustion complète sans émission excessive d'imbrûlés, de fumées et de particules nocives.
    Cette disposition de l'invention présente par ailleurs des détails de réalisation qui peuvent se révéler particulièrement avantageux. Par exemple, la face supérieure du piston 3 située à l'extérieur de la chambre de combustion 40 est de préférence plate et vient épouser, avec un jeu que l'on déterminera de manière à minimiser l'importance des mouvements d'air radiaux lorsque le piston est au voisinage de son point mort haut, la face inférieure de la semelle 13 de la soupape d'admission 7. Ce faisant, elle vient, lorsque le piston est au voisinage du point mort haut, emprisonner radialement à l'extérieur du siège conique 15 un petit volume annulaire 46. si par ailleurs le piston 3 est équipé de garnitures d'étanchéité sans coupe du genre de celles qui sont décrites dans le Brevet FR-A-2.602.827, on conçoit que ce petit volume annulaire 46 constitue un "cul-de-sac" dans lequel s'établit, à chaque cycle de compression du piston, une réserve d'air frais et tournant à l'abri de la combustion du combustible lorsque le piston est au voisinage du point mort haut. Lorsque le piston amorce sa course descendante, cette réserve d'air se détendra, protégeant ainsi thermiquement, par le développement d'une couche limite froide, la couronne supérieure du piston 3 et la face inférieure de la semelle 13 de la soupape d'admission 7.
    En se référant maintenant à la figure 2, on voit une autre forme de réalisation de l'invention qui se distingue de celle représentée sur la figure 1 par le fait que les moyens de rappel élastique des soupapes d'admission et d'échappement sont ici purement pneumatiques, les chambres 26 pour la soupape d'admission et 33 pour la soupape d'échappement communiquant par des passages 39a pour la soupape d'admission et 39e pour la soupape d'échappement avec une cavité (non représenté), alimentée en air sous pression.
    Par ailleurs, on a représenté sur cette figure les moyens générateurs de forces verticales permettant de lever les soupapes d'admission et d'échappement pour les désolidariser cycliquement de leur siège respectif. Ces moyens sont essentiellement constitués par un arbre à came 50 tournant en synchronisme avec l'arbre principal du moteur et comportant une came d'admission 51a et une came d'échappement 51e. Ces cames actionnent les pistons de pompe 52a et 52e coulissant librement axialement dans les cylindres de pompe 53a et 53e, délimitant ainsi des cavités de volume variable 54a et 54e qui communiquent par des passages 55a et 55e avec les cavités supérieures 25 du vérin de la soupape d'admission 7 et inférieure 32 du vérin de la soupape d'échappement 6. L'ensemble de ces circuits hydrauliques (54a, 55a, 25) et (54e, 55e, 32) sont remplis d'un fluide incompressible tel que de l'huile. On comprendra aisément que l'enfoncement de chaque piston de pompe 52, grâce à l'action de la came 51, entraínera la levée de la soupape correspondante d'une course égale à la course de la came multipliée par le rapport des sections transversales effectives du piston de pompe et du vérin de soupape. Lorsque le nez de la came aura dépassé la position angulaire permettant de libérer le piston de pompe, les moyens de rappel élastiques de la soupape correspondante rappelleront à la fois la soupape sur son siège et le piston de pompe au contact avec la came.
    En se référant à la figure 3 on voit une autre forme de réalisation de l'invention qui se distingue de celle représentée sur la figure 1 tout d'abord par un certain nombre de détails. Ainsi les conduits de refroidissements 39 sont disposés de façon différente. Le dégagement annulaire d'admission 10 est aménagé dans la partie inférieure externe de la soupape d'admission 7 et non pas dans la culasse 4. Le piston 23a de la soupape externe 7 est disposé dans une position intermédiaire et le ressort 29 sollicite, vers le haut, une bague annulaire 41 portée par la soupape 7 au voisinage de son extrémité supérieure. Les soupapes d'échappement 6 et d'admission 7, présentent, dans leur partie cylindrique, une double paroi laissant à l'intérieur un espace libre, qui peut être éventuellement parcouru par un fluide de refroidissement.
    On comprendra l'aspect avantageux de cette disposition particulière de l'invention consistant à incliner la semelle de la partie inférieure de la soupape d'admission 7 et à aménager le dégagement annulaire d'admission 10 dans la partie externe de cette semelle. On voit en effet que cette disposition, dans laquelle les sièges 15 et 16 des soupapes d'admission et d'échappement sont axialement décalés, permet de situer le conduit annulaire des gaz d'échappement au-dessus du susdit dégagement annulaire d'admission 10, et, ce faisant, d'offrir une section transversale plus importante au passage des gaz d'échappement dans le conduit annulaire 8 (son diamètre moyen étant de ce fait plus important).
    On remarquera également que les réserves d'air annulaires constituées à la périphérie du cylindre à l'extérieur du siège conique de la soupape d'admission (Réserve annulaire 46) d'une part, et celle constituée autour du moyeu central 21 d'autre part, alimenteront en se détendant, lorsque le piston amorcera sa course descendante, les couches limites d'air frais mises en mouvement au cours de l'injection, grâce à la quantité de mouvement très élevée transférée au milieu environnant par les jets de combustible injectés sous de très haute pression. Ces couches limites ainsi apirées protégeront les parois de la chambre de combustion et "nourriront" en air frais la périphérie des jets de combustible de façon à apporter l'oxygène nécessaire à la combustion du combustible à l'intérieur de deux tourbillons contra-rotatifs engendrés par l'injection sous très haute pression du combustible dans la chambre, facilitant ainsi le mélange avec le combustible et de ce fait la rapidité et la qualité de la combustion.
    Le fonctionnement du dispositif selon l'invention va être maintenant décrit, dans la forme de réalisation de la figure 3, en se référant aux figures 4 à 6.
    Sur la figure 4, on a représenté le piston moteur 3 dans sa position basse, au voisinage du point mort bas, au moment où il commence à remonter pour réduire le volume interne libre dans le cylindre 1. A ce moment, les moyens de commande (non représentés) introduisent du liquide hydraulique sous pression dans la chambre 32, ce qui provoque instantanément la levée de la soupape d'échappement 6 dont la portée 17a s'écarte du siège 16 de la soupape d'admission 7 demeurée fermée, mettant en communication l'intérieur du cylindre, par le conduit 8 avec le conduit d'échappement 9, pendant que le ressort de rappel 34 de la soupape d'échappement est comprimé. On voit par ailleurs que la partie incurvée inférieure 42 de la soupape d'échappement est venue sensiblement tangenter l'extrémité convexe inférieure du moyeu 21 de sorte que l'espace 43 n'est sensiblement plus en communication avec la chambre de combustion, de sorte que l'écoulement des gaz d'échappement s'effectue sans perturbation. Cet écoulement se poursuit progressivement au fur et à mesure que le piston 3 remonte et chasse une partie des gaz de combustion.
    Lorsqu'on parvient dans la position représentée sur la figure 5 les moyens de commande de levée de la soupape d'admission 6 sont actionnés et la soupape 7 s'abaisse dans la position représentée sur la figure. La soupape d'échappement 6 restant dans sa position levée, la section du passage entre la face interne, qui porte le siège 16 de la soupape 7 et la portée 42 en regard de la soupape 6 se trouve fortement agrandie, ce qui facilite la poursuite de la sortie des gaz de combustion à un moment où la pression dans le cylindre a déjà baissé.
    Parallèlement, l'abaissement de la soupape 7 provoque l'ouverture du passage d'admission, de sorte que le dégagement annulaire 10 est mis en communication avec l'intérieur du cylindre par un passage 49 orientant graduellement l'air vers la paroi inférieure latérale du cylindre et vers le bas grâce, à la courbure concave de la surface externe de la soupape d'admission 7 au niveau du dégagement 10, aidé en cela par la conicité ou la courbure, allant vers l'extérieur et vers le bas, de la partie de culasse au niveau du siège externe 14 de la soupape d'admission. L'air frais amené par le conduit s'engouffre à travers les organes déflecteurs 37 qui lui impriment un mouvement tourbillonnaire de rotation, qui se poursuit pendant que l'air descend à travers le passage 49, l'air frais subissant ainsi un effet de centrifugation qui le maintient sensiblement au voisinage de la paroi interne du cylindre pendant qu'il descend vers le piston 3 de sorte que l'air frais reste à l'écart de la partie interne du volume du cylindre 1 et de la chambre de combustion et confine, dans cette partie, une quantité restante de gaz chauds de combustion, moins riches en oxygène. On obtient aussi une stratification des gaz, à savoir de l'air frais en mouvement hélicoïdal proche de la paroi du cylindre et des gaz de combustion contenant une quantité réduite d'air ou d'oxygène et restant à température élevée dans la partie centrale du volume du cylindre. Cette stratification reste sensiblement présente au fur et à mesure que le volume diminue pendant la remontée du piston 3, y compris après que l'on a refermé les soupapes d'admission et d'échappement. Cette stratification persiste encore dans la position représentée sur la figure 6, proche du point mort haut, dans laquelle le volume est maintenant limité à celui de la chambre de combustion 44, dont fait partie le volume de l'évidement dans la surface du piston, l'air frais comprimé tournant à la périphérie de la chambre de combustion alors que les gaz chauds plus pauvres en oxygène restent confinés dans le volume central de la chambre de combustion, c'est-à- dire au voisinage de la buse centrale 22 de l'injecteur. L'injecteur commence, vers la fin de la compression, à pulvériser le combustible liquide, comme cela est illustré sur la figure 5, de sorte que, au début de l'injection, le combustible liquide se trouve au contact des gaz chauds de la partie centrale du volume où commence la combustion, laquelle s'effectue ainsi dans les meilleures conditions. La combustion se poursuit alors depuis le centre vers la périphérie en direction de l'air frais, ce qui réalise une combustion homogène pratiquement parfaite, exempte de pollution et de formation d'oxydes d'azote.
    On comprend en outre que cette combustion s'effectue dans des conditions parfaitement axisymétriques dans un volume de chambre de combustion dont la surface est minimale puisque réduite à la face apparente du moyeu 21, à la partie inférieure de la surface interne de la soupape d'admission, et à la surface en regard du piston 3.
    L'élévation de pression due à la combustion provoque le mouvement moteur de descente du piston 3 et le cycle recommence.

    Claims (21)

    1. Moteur à combustion interne
      à au moins une chambre de travail de volume variable délimitée par une paroi cylindrique (1) dans laquelle coulisse un piston (3), la face supérieure mobile dudit piston et une culasse fixe (4),
      qui comporte un dispositif d'injection (5) de combustible liquide pulvérisé sous haute pression dans ladite chambre de travail,
      fonctionnant selon le cyle à deux temps, avec un système de balayage en boucle à travers la culasse, contrôlé par au moins une soupape d'admission (7), coopérant avec un siège (15), de préférence conique, de manière à faire communiquer cycliquement la chambre de travail avec une cavité d'admission (11) communiquant avec les moyens d'alimentation en air frais du moteur, et au moins une soupape d'échappement (6) coopérant avec un siège (16), de préférence conique, de manière à faire communiquer cycliquement la chambre de travail avec une cavité d'échappement (9) communiquant avec le système d'échappement des gaz de combustion du moteur,
      lesdites soupapes d'admission et d'échappement étant de forme de révolution et d'axes confondus, et de préférence confondus avec l'axe (2) de la susdite paroi cylindrique, et montées coaxialement de telle façon que la soupape d'admission (7) soit située à l'extérieur de la soupape d'échappement (6), la soupape d'échappement (6) comportant une partie inférieure de forme tubulaire dont la paroi intérieure coulisse, de façon étanche grâce à des moyens d'étanchéité, autour d'un moyeu central (21) porté par la culasse (4), et dont la partie inférieure présente une portée (17, 17a) coaxiale à ladite partie tubulaire, de façon à pouvoir coopérer avec ledit siège (16), de préférence conique,
      des moyens de rappel élastique étant prévus pour appliquer la susdite portée (17,17a) de la partie inférieure tubulaire de ladite soupape d'échappement contre le siège (16),
      le susdit siège (15) de la soupape d'admission (7) étant solidaire de la culasse, et orienté de manière que la pression du fluide moteur contenu dans la chambre de travail exerce une force qui tend à appuyer ladite soupape sur son siège, et étant situé au voisinage immédiat de la périphérie de la partie supérieure de la susdite paroi cylindrique (1) dans laquelle coulisse le piston (3), et en contact avec la culasse (4),
      des moyens de rappel élastique étant prévus pour appliquer ladite soupape d'admission (7) contre le susdit siège solidaire de la culasse,
      et des moyens générateurs d'une force, parallèle à l'axe de la soupape d'admission (7) et dirigée vers le piston (3) et s'appliquant sur ladite soupape, étant prévus pour désolidariser cycliquement celle-ci de son siège (15), permettant de faire communiquer la chambre de travail du moteur avec la cavité d'admission (11) communiquant avec les susdits moyens d'alimentation en air frais du moteur,
      et des moyens générateurs d'une force, parallèle à l'axe de la soupape d'échappement (7) et s'appliquant sur ladite soupape, étant prévus pour désolidariser cycliquement celle-ci de son siège, permettant de faire communiquer la chambre de travail du moteur avec la susdite cavité d'échappement (11) communiquant avec le système d'échappement des gaz de combustion dudit moteur,
      le susdit dispositif d'injection (5) de combustible liquide pulvérisé sous haute pression comportant une buse d'injection (22) qui débouche dans la chambre de travail sensiblement au centre du susdit moyeu central (21).
      des moyens inducteurs de rotation (37) étant interposés entre cette cavité d'admission (11) et ledit siège (15) de la soupape d'admission de façon à provoquer un mouvement de rotation d'ensemble, d'axe sensiblement confondu avec l'axe (2) de la susdite paroi cylindrique, de l'air introduit dans la chambre de travail pendant le balayage du moteur,
         caractérisé
      en ce que ledit siège (16) coopérant avec ladite portée (17,17a) de la soupape d'échappement (6) est aménagé à l'intérieur de la partie inférieure de la susdite soupape d'admission (7), permettant ainsi de faire communiquer la susdite cavité d'échappement avec la chambre de travail grâce à l'espace annulaire (8) délimité radialement par la paroi intérieure de la soupape d'admission (7) et par la paroi extérieure de la soupape d'échappement (6),
      et en ce que la force appliquée sur la soupape d'échappement (7) par lesdits moyens générateurs d'une force, est dirigée vers la culasse (4) à l'opposé du piston (3).
    2. Moteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le susdit moyeu central (21) est fixe par rapport à la culasse (4).
    3. Moteur selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le diamètre intérieur minimal de la susdite portée (17, 17a) orientée vers l'extérieur de la partie inférieure de forme tubulaire de la soupape d'échappement (6) coopérant avec un siège (16) aménagé à l'intérieur de la partie inférieure de la soupape d'admission (7), est inférieur au diamètre extérieur du coulissement des susdits moyens d'étanchéité du moyeu central (21) autour duquel coulisse la paroi intérieure de la partie inférieure de forme tubulaire de la soupape d'échappement (6).
    4. Moteur selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les moyens de rappel élastique de la soupape d'admission et/ou de la soupape d'échappement comportent des ressorts (29, 34), et de préférence une pluralité de ressorts montés en barillet et exerçant leur force de rappel sur une couronne (12, 23, 41) solidaire de la partie supérieure de la soupape.
    5. Moteur selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que lesdits moyens de rappel élastique de la soupape d'admission et/ou de la soupape d'échappement comportent un piston solidaire de la soupape et coulissant dans un cylindre délimitant une cavité de volume variable communiquant avec des moyens générateurs de pression de fluide.
    6. Moteur selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que lesdits moyens générateurs d'une force appliquée à la soupape d'échappement et/ou la soupape d'admission dans le sens de l'ouverture de soupape, comportent un piston (12, 12a, 23, 23a) solidaire de la soupape, ce piston coulissant dans un cylindre délimitant une première cavité (25,32) de volume variable communiquant avec des moyens générateurs de pression de fluide, de préférence sensiblement incompressible.
    7. Moteur selon la revendication 6, caractérisé en ce que lesdits moyens générateurs de pression de fluide sont constitués d'un piston coulissant dans un cylindre formant une deuxième cavité de volume variable communiquant avec la susdite cavité (25, 32), le piston étant actionné par un moyen moteur tel qu'un arbre à cames tournant de façon synchrone avec l'arbre moteur.
    8. Moteur selon l'une des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que les pistons de rappel et d'actionnement dans le sens de l'ouverture de soupape sont confondus en un seul et même piston (12, 12a, 23, 23a) à deux faces, les pressions de fluide s'exerçant alors de part et d'autre dudit piston.
    9. Moteur selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le piston moteur (3), qui délimite la chambre de travail du moteur en coulissant dans la paroi du cylindre, est étanchéifié par une garniture d'étanchéité n'offrant aucun passage au fluide moteur vers la partie inférieure du piston, et est agencé de façon que sa partie supérieure (3a) épouse avec un jeu la partie de la culasse (4) située à l'extérieur du diamètre maximal de la soupape d'admission (6), et la soupape d'admission (6) elle-même, lorsque le volume de la chambre de travail est minimal, la partie de la culasse située à l'extérieur du diamètre maximal de la soupape d'admission et la soupape d'admission, elle-même, délimitant une cavité annulaire périphérique (46) dans laquelle sera emprisonnée une quantité d'air ne participant pas à la combustion du combustible injecté dans la chambre de travail et qui se détendra pendant la course d'augmentation de volume de la chambre de travail.
    10. Moteur selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que les moyens d'étanchéité de la paroi intérieure de la partie supérieure de forme tubulaire de la soupape d'échappement (6) coulissant autour du susdit moyeu central (21) comportent une garniture d'étanchéité continue n'offrant aucun passage au fluide moteur comprimé dans la chambre de travail, la partie inférieure de forme tubulaire de la soupape d'échappement et la partie inférieure du moyeu central (21) délimitant ainsi une cavité annulaire (43) dans laquelle sera emprisonnée une quantité d'air ne participant pas à la combustion du combustible injecté dans la chambre de travail et qui se détendra pendant la course d'augmentation de volume de la chambre de travail.
    11. Moteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est prévu des moyens (39) de circulation d'un fluide caloporteur à l'intérieur du moyeu central (21) susceptibles de refroidir la paroi intérieure de la partie tubulaire de la soupape d'échappement (7).
    12. Moteur selon la revendication 11, caractérisé en ce que ces susdits moyens (39) de circulation d'un fluide caloporteur sont également susceptibles de refroidir la face du moyeu central (21) exposé à la combustion dans la chambre de travail du moteur.
    13. Moteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la chambre de travail de volume variable du moteur, alors que son volume est minimal, est constituée essentiellement par un évidement axi-symétrique (40) à l'intérieur du piston, la face inférieure de la soupape d'admission (7) et celle du moyeu central (21) étant sensiblement plane et perpendiculaire à l'axe du piston.
    14. Moteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que la chambre de travail de volume variable du moteur, alors que son volume est minimal, est constituée essentiellement par un évidement axi-symétrique situé à l'intérieur de la culasse et dont les parois latérales sont constituées par la tête annulaire (45) de la soupape d'admission, la face supérieure du piston (3) étant sensiblement plane et perpendiculaire à son axe.
    15. Moteur selon la revendication 14, caractérisé en ce que les orifices de la buse d'injection de combustible (22) sont orientés en direction de la susdite tête annulaire de la soupape d'admission.
    16. Moteur selon l'une des revendications 1 à 15, caractérisé en ce que la soupape périphérique d'admission (7) possède une extrémité inférieure munie, à sa périphérie, d'un dégagement annulaire d'admission (10) disposé au regard de moyens déflecteurs d'admission, au dessus de la portée coopérant avec le siège (15) de la soupape d'admission, et en ce que la semelle de la partie inférieure de ladite soupape d'échappement (6) est inclinée de telle sorte que ledit conduit annulaire (8) d'échappement soit situé au dessus dudit dégagement (10) et bénéficie ainsi d'une section de passage accrue.
    17. Moteur selon l'une des revendications 1 à 16, caractérisé en ce que les moyens distributeurs de gaz sont actionnés de telle façon qu'une part importante des gaz de combustion du cycle précédent soit retenue dans la chambre de travail pendant le processus consistant à évacuer les gaz de combustion et à les remplacer en partie par de l'air frais, par ouverture des soupapes d'échappement et d'admission.
    18. Moteur selon la revendication 17 caractérisé, en ce que la communication entre la deuxième cavité (11) et la chambre de travail, lorsque la soupape d'admission (7) est en position d'ouverture, d'une part, et la forme des parois de la chambre de travail, d'autre part, sont agencées de manière que le flux d'air frais pénètre dans la chambre de combustion, alors que le volume de la chambre de travail devient minimal en raison du mouvement relatif du piston (3), de façon à provoquer un mouvement de rotation intense du fluide de travail à l'intérieur de la chambre de combustion, en empêchant, grâce à la centrifugation de l'air frais obtenue par ce mouvement de rotation et à la différence de densité entre l'air frais et les gaz de combustion, l'air frais de se mélanger à l'intérieur de la chambre de combustion aux gaz de combustion retenus dans celle-ci, et à former dans ladite chambre de combustion une zone centrale où la concentration des gaz de combustion et la température sont maximales et une zone périphérique où la concentration d'air frais est maximale et la température est minimale, et en ce que les susdits moyens d'introduction de combustible sous pression (5) sont agencés de manière à injecter le combustible directement dans la susdite zone centrale, au moins au début de chaque période d'injection.
    19. Moteur selon l'une des revendications 17 et 18, caractérisé en ce que la masse des gaz de combustion retenus dans la chambre de travail, d'un cycle sur l'autre, est au moins égale à 10 %, de préférence à 15 %, de la masse du fluide de travail contenu dans cette dernière chambre au moment où les communications entre celle-ci et l'une et l'autre des susdites cavités (9, 11) viennent d'être interrompues au cours de chaque cycle, alors que le moteur fonctionne au moins approximativement à sa vitesse nominale.
    20. Moteur selon l'une des revendications 17 à 19, caractérisé en ce que la température de l'air admis et la proportion des gaz retenus dans la chambre de travail, d'un cycle sur l'autre, sont tels que, si on mélangeait les gaz retenus et l'air frais avant d'injecter le combustible, la température du mélange ainsi obtenu au moment de l'injection pourrait être inférieure à celle où l'auto-inflammation du combustible se produit de façon stable et sans production excessive d'imbrûlés.
    21. Moteur selon l'une des revendications 17 à 20, caractérisé en ce que la température de l'air admis et la proportion des gaz retenus dans la chambre de travail, d'un cycle sur l'autre, sont tels que la température moyenne maximale du fluide de travail ne dépasse pas la valeur, de l'ordre de 1 500°C, à partir de laquelle la production de NOx devient excessive.
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