EP0781898A1

EP0781898A1 - Perfectionnement aux moteurs alternatifs à combustion interne ceux-ci comportant des culasses à soupapes concentriques

Info

Publication number: EP0781898A1
Application number: EP96490045A
Authority: EP
Inventors: Maurice-André Tacquet
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1995-11-29
Filing date: 1996-11-20
Publication date: 1997-07-02
Also published as: FR2741668A1; FR2741668B1

Abstract

Culasse de moteur alternatif à combustion interne fonctionnant selon le cycle à 4 temps et componant une soupape d'admission et une soupape d'échappement par cylindre. Ces deux soupapes, de forme annulaire, sont concentriques entre elles et avec le cylindre. La soupape d'échappement est située à l'intérieur de la soupape d'admission et s'appuie sur celle-çi. L'ouverture et la fermeture des deux soupapes sont commandées par une seule came par cylindre par l'intermédiaire d'une interface hydraulique alimentée sous pression et assurant le rattrapage automatique de l'usure. <IMAGE>

Description

La présente invention concerne une culasse de moteur alternatif à combustion interne équipée d'une soupape d'admission et d'une soupape d'échappement par cylindre. Les soupapes sont concentriques entre elles et le cylindre.
La soupape d'échappement est logée à l'intérieur de la soupape d'admission et s'appuie sur celle-çi pour assurer l'étanchéité aux gaz du cylindre.
La soupape d'échappement, de forme annulaire, coulisse sur un poteau central qui sert de logement à l'injecteur de combustible pour les moteurs diesel ou à la bougie d'allumage pour les moteurs "otto".
Le déplacement des deux soupapes est obtenu à l'aide d'une seule came par cylindre et par l'intermédiaire d'un volume d'huile alimenté sous pression.

Domaine de l'invention.

L'invention concerne en général des moteurs alternatifs à combustion interne fonctionnant selon le cycle à 4 temps équipés de culasses comportant des soupapes d'admission et des soupapes d'échappement.
En particulier, elle concerne des culasses équipées d'une soupape d'admission et d'une soupape d'échappement par cylindre et dont la soupape d'échappement est concentrique à la soupape d'admission et logée à l'intérieur de celle-çi. La commande des deux soupapes pouvant être obtenue par une seule came.

Technique antérieure.

Dans la quasi totalité des moteurs alternatifs à combustion interne en cours de production et fonctionnant selon le cycle à 4 temps, les soupapes d'admission et d'échappement sont séparées et s'appuient sur des sièges logés dans la culasse. Les déplacements des soupapes d'admission et d'échappement sont commandés séparément.
Cette disposition pose des problèmes concernant :

la dissymétrie des déformations mécaniques et thermiques.
la difficulté à orienter les flux de gaz dans le cylindre.
la difficulté à maitriser une stratification des gaz dans le cylindre.
la forme de la tête du piston par rapport au déplacement des soupapes.
les pertes de chaleur par les parois.

Tous ces problèmes sont simplifiés grâce à la présente invention.

Avantages de l'invention :

* L'ensemble cylindre, soupapes, chambre de combustion est axisymétrique et offre peu de surface refroidie. Les contraintes mécaniques et thermiques sont plus uniformes et créent donc moins de distorsions mécaniques et de concentrations de contraintes. Les pertes de chaleur par les parois sont réduites, ce qui améliore le rendement global du moteur. La forme du conduit d'admission peut engendrer un mouvement tournant de l'air qui est admis dans le cylindre. L'air frais, plus dense que les gaz de combustion qui peuvent rester dans le cylindre, aura tendance à lécher les parois extérieures par effet de centrifugation, limitant ainsi les pertes de calories aux parois. A la fin de la course de compression, les gaz chauds résiduels à faible teneur en oxygène, formeront un noyau chaud central favorable à la rapidité de la combustion et à la réduction de production de NOx.
* La section du conduit d'échappement situé entre le diamètre extérieur de la soupape d'échappement et le diamètre intérieur de la soupape d'admission peut constituer un diffuseur qui optimise l'écoulement des gaz.
* La disposition de la soupape d'échappement est telle que sa fermeture peut être retardée après le point mort haut sans qu'il soit nécessaire de creuser un logement dans la tête de piston. Il devient ainsi possible d'augmenter la quantité de gaz brûlés qui resteront dans le cylindre et, en particulier, sur les moteurs à 2,4,8,16 cylindres pour lesquels une disposition appropriée des conduits d'échappement permettra d'utiliser les pulsations de pression dûes au bouffées d'échappement d'autres cylindres. Cette augmentation de la quantité de gaz recyclés est favorable à la réduction de la production de NOx.
* Cette disposition des soupapes convient bien à des moteurs sur lesquels l'arbre à cames serait muni d'un système de variation de calage angulaire en cours de fonctionnement Ce système permet d'obtenir un taux de compression élevé au démarrage et un taux de compression réduit pour le fonctionnement à forte puissance.

Description du fonctionnement. ( voir fig n° 1 )

Un arbre à cames muni d'une came par cylindre pousse un " piston hydraulique de commande " qui actionne les soupapes par l'intermédiaire d'un "volume d'huile de commande alimenté sous pression.
Une partie de la course du piston de commande correspond au déplacement de l'ensemble des soupapes tandis que l'autre partie de la course du piston commande le déplacement de la soupape d'échappement seule, la soupape d'admission reposant alors sur son siège.
Lorsque le piston de commande se trouve dans la position qui correspond à la fermeture des deux soupapes, ( c'est la position représentée par la figure n° 1 ) celui-çi découvre une alimentation en huile sous pression qui a pour but de compenser les fuites éventuelles du circuit, et surtout d'engendrer une force d'appui sur la soupape d'échappement suffisante pour assurer l'étanchéité du siège sans pour autant décoller la soupape d'admission du sien. Cette alimentation fait également office de compensation des dilatations et des usures des pièces.
La figure n° 1 représente les soupapes en position fermées prêtes pour la combustion et la détente.

1) Compression, combustion, détente motrice.
La soupape d'admission est appuyée sur son siège grâce à un système de rappel ( ressort mécanique ou pneumatique ).
La soupape d'échappememt est appuyée sur la soupape d'admission qui lui sert de siège. La force d'appui est assurée par une alimentation en huile sous pres sion qui engendre une force suffisante pour assurer l'étanchéité sans excéder la force de rappel de la soupape d'admission.
Dans cette position, les positions respectives du piston de commande et de la soupape d'échappement sont déconnectées. ll y a rattrapage automatique des dilatations et des usures.
2) Ouverture de la soupape d'échappement.
Le piston de commande suit le profil de la came et isole le volume d'huile de commande de l'alimentation sous pression. La pression de l'huile de commande chute et la soupape d'échappement se soulève de son siège par l'effet du système de rappel de la soupape d'échappement ( ressort mécanique ou pneumatique ) et de la pression des gaz dans le cylindre.
Lorsque le piston de commande atteint sa butée de fin de course, la soupape d'échappement est complétement levée. Les efforts sur le galet et la came sont annulés par un jeu qui facilite le renouvellement des films d'huile.
3) Fermeture de la soupape d'échappement et ouverture de la soupape d'admission.
La came repousse le piston de commande. Dans la première partie de sa course, le piston de commande repousse la soupape d'échappement jusqu'au moment où il met le volume d'huile de commande en communication avec l'alimentation sous pression. La soupape d'échappement s'appuie sur la soupape d'admission qui lui sert de siège. En poursuivant sa course, le piston de commande ferme à nouveau la communication avec l'alimentation en huile sous pression et provoque ainsi l'ouverture de la soupape d'admission, la soupape d'échappement étant évidemment toujours en contact avec la soupape d'admission.
4) Fermeture de la soupape d'admission.
Lorsque le profil de la came permet au piston de commande de reculer, le système de rappel de la soupape d'admission repousse l'ensemble des deux soupapes jusqu'à la position initiale : soupapes fermées. Le piston de commande peut être muni d'un système de rappel mécanique ou pneumatique qui a pour effet de limiter les efforts de rappel des soupapes.

Description de la réalisation préférée :

Selon un mode préféré de réalisation représenté par la figure n° 1,

La soupape d'admission de forme annulaire est rappellée sur son siège par un ressort métallique. Le siège de la soupape est une pièce rapportée qui comporte le passage d'arrivée d'air muni d'ailettes directionnelles, cette pièce pouvant être obtenue par un procédé de fonderie de précision. Un refroidissement et une lubrification des segments d'étanchéité entre les gaz d'échappement et l'air d'admission sont assurés par une circulation d'huile mise en vitesse par des gicleurs tangentiels. La soupape d'admission comporte un siège sur lequel s'appuie la soupape d'échappement.
La soupape d'échappement de forme annulaire coulisse sur un poteau central qui comporte en son centre un logement pour l'injecteur d'un moteur diesel ou diesel-gaz ou pour une bougie d'allumage pour un moteur "otto".

Les parties exposées à la combustion ainsi que les parties frottantes sont refroidies par une circulation d'huile. Le ressort métallique de rappel est refroidi par un débit d'air prélevé sur l'alimentation en air de suralimentation. La soupape d'échappement est appuyée sur son siège par une pression d'huile. Le diamètre intérieur du siège d'échappement est plus petit que le diamètre de guidage de la soupape de telle façon que, plus la pression des gaz dans le cylindre est élevée, plus forte est la pression d'appui de la soupape d'échappement sur son siège.
Le ressort de rappel a une force suffisante pour vaincre la force qui résulte de la pression des gaz dans le cylindre à la fin de la course de détente. La loi de levée de la soupape d'échappement est rapide, car dès le décollement de la soupape, la pression des gaz s'ajoute à la force du ressort.
L'espace situé entre l'extérieur de la soupape d'échappement et l'intérieur de la soupape d'admission forme le conduit d'échappement. La section de ce conduit est réalisée de telle façon qu'il constitue un diffuseur qui optimise l'écoulement des gaz.
L'unique came par cylindre actionne les deux soupapes par l'intermédiaire d'un "piston hydraulique de commande" et d'un "volume d'huile de commande". Ce piston est lui aussi muni d'un ressort métallique de rappel. ll a une butée de fin de course qui permet de créer un jeu entre le piston, le galet et la came lorsque la soupape d'échappement est en position d'ouverture maximum.
Lorsque la levée du piston de commande correspond à la fermeture des deux soupapes, (ce qui est le cas dans la figure n° 1), le piston met le volume de commande en communication avec un circuit d'alimentation en huile sous pression. Cette pression est suffisante pour assurer l'étanchéité initiale de la soupape d'échappement, mais reste insuffisante pour vaincre la force du ressort de rappel de la soupape d'admission.

Description de variantes :

* Dans une variante représentée par la figure n° 2, les rappels des soupapes sont réalisés par une pression d'air. Cette pression d'air peut être rendue proportionnelle au déplacement des soupapes et du piston si les volumes de rappel sont munis de clapets anti-retour. Le rappel du piston de commande est obtenu par la pression du circuit d'alimentation d'huile du circuit de commande.
* Dans une variante représentée par la figure n° 3, le diamètre intérieur de la soupape d'échappement est plus grand que le diamètre de guidage de la soupape de telle façon la pression des gaz dans le cylindre a toujours tendance à décoller la soupape de son siège. Dans cette configuration, la pression d'alimentation en huile doit être suffisamment élevée pour assurer l'étanchéité aux gaz, même à la pression maximale de combustion. La force de rappel de la soupape d'admission doit donc être augmentée en conséquence. Etant donné que la pression des gaz du cylindre a toujours tendance à ouvrir la soupape d'échappement, il pourra être envisagé, dans certains cas, de ne pas munir cette soupape de système de rappel.
* Dans une variante représentée par la figure n° 4, l'arbre à cames est situé au dessus de la culasse. Cette variante peut être équipée de ressorts mécaniques ou pneumatiques.

Claims

Culasse de moteur alternatif à combustion interne fonctionnant selon le cycle à 4 temps caractérisée en ce qu'elle comporte, pour chaque cylindre, deux soupapes de forme annulaire, concentriques entre elles et le cylindre. La soupape d'admission assure l'étanchéité aux gaz par un siège logé dans la culasse, est munie d'un système de rappel qui tend à la ramener sur son siège, s'ouvre et se ferme sous l'effet d'une pression hydraulique qui s'applique sur la soupape d'échappement. La soupape d'échappement, logée à l'intérieur de la soupape d'admission, assure l'étanchéité aux gaz par un siège logé sur la soupape d'admission, est munie d'un rappel qui tend à la soulever de son siège, s'ouvre et se ferme par l'intermédiaire d'une came, d'un piston et d'un volume d'huile. la position du piston hydraulique qui correspond à la fermeture des deux soupapes met le volume d'huile de commande en liaison avec une alimentation sous pression telle que la pression appliquée sur la soupape d'échappement soit suffisante pour assurer l'étanchéité sur son siège, mais insuffisante pour ouvrir la soupape d'admission. Une partie de la course du piston hydraulique commande l'ouverture et la fermeture de la soupape d'échappement tandis que l'autre partie de sa course commande le déplacemnt de l'ensemble des deux soupapes, c'est à dire l'ouverture et la fermeture de la soupape d'admission.Le déplacement des deux soupapes est commandé par une seule came par cylindre.
Dispositif selon la revendication n° 1 caractérisé en ce que le piston de commande hydraulique a une butée de fin de course qui correspond à l'ouverture maximale de la soupape d'échappement.
Dispositif selon les revendications n° 1 et 2 caractérisé en ce que le siège de la soupape d'admission est réalisé en une pièce rapportée dans la culasse et comporte le conduit de passage de l'air d'admission ainsi que des ailettes directionnelles. Cette pièce pouvant être obtenue par un procédé de fonderie de précision.