EP1018596B1 - Procédé de modulation de puissance d'un moteur à combustion interne à 2 temps par un résonateur relié au carterpompe - Google Patents

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EP1018596B1
EP1018596B1 EP19990403283 EP99403283A EP1018596B1 EP 1018596 B1 EP1018596 B1 EP 1018596B1 EP 19990403283 EP19990403283 EP 19990403283 EP 99403283 A EP99403283 A EP 99403283A EP 1018596 B1 EP1018596 B1 EP 1018596B1
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crankcase
pump
casing
opening
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Jean-Charles Dabadie
Pierre Duret
Stéphane Venturi
Jacques Lavy
Jean-Louis Lefèbvre
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IFP Energies Nouvelles IFPEN
Peugeot Motocycles SA
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IFP Energies Nouvelles IFPEN
Peugeot Motocycles SA
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    • 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
    • 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
    • F02B33/00—Engines characterised by provision of pumps for charging or scavenging
    • F02B33/02—Engines with reciprocating-piston pumps; Engines with crankcase pumps
    • F02B33/04—Engines with reciprocating-piston pumps; Engines with crankcase pumps with simple crankcase pumps, i.e. with the rear face of a non-stepped working piston acting as sole pumping member in co-operation with the crankcase

Definitions

  • the present invention relates to the field of combustion engines internal 2-stroke crankcase.
  • the moped category imposes by construction a speed maximum.
  • this maximum allowed speed currently varies depending on the country between 25 and 50 km / h.
  • This regulatory constraint requires a match between the engine power at maximum speed and the power of resistance to progress, characteristic of each vehicle.
  • the present invention proposes a new mode of controlling the engine power, with the benefits of preserving its performance nominal and optimize pollutant emissions during the modulation of the power.
  • the two-stroke engines to which the invention is likely to apply generally comprise at least one cylinder with, associated with each cylinder, a crankcase communicating with one ends of the cylinder and ensuring the introduction of fresh gas into the cylinder, via at least one duct and an opening of transfer.
  • the piston that moves alternately in the cylinder also ensures suction and compression of fresh gases in the crankcase.
  • An intake device allows the introduction of fresh gases into the crankcase, when the piston moves in the opposite direction to the crankcase, these fresh gas is then compressed, as the piston moves in the direction crankcase.
  • the fresh gases can be a mixture air / gasoline or air.
  • the fuel supply is ensured directly in the combustion chamber by a device appropriate.
  • Some known devices such as gas flow section, limit the engine power over the entire speed range which significantly reduces the accelerations of the vehicle during its integration into the traffic, and therefore the security of the driver.
  • the two-stroke engine comprises a crankcase with an additional room whose communication with this crankcase is controlled by a valve. This communication modifies the compression ratio of the air contained in this crankcase and allows to obtain a great torque in motor output. This engine does not allow however, it does not limit its power to the maximum speed regime.
  • the present invention aims at modulating the power of full charge of the engine and at the same time to limit the emissions of pollutants, in a way both simple and effective.
  • the subject of the invention is a method for modulating the power of a 2-stroke internal combustion engine comprising at least minus a cylinder, an ignition element, a piston movable in translation in said cylinder and delimiting a combustion chamber, a crankcase separated from the combustion chamber by the piston, at least one transfer line between the crankcase and the combustion chamber, minus an exhaust duct, a gas inlet port in the crankcase, fuel supply means, a chamber additional load connected to the crankcase by a connecting element the opening is modulated by a specific means, characterized in that the additional chamber consists of a resonator with a volume fixed and predetermined and that said resonator is placed in communication with the crankcase beyond a certain engine speed.
  • the additional chamber or resonator has a fixed and predetermined volume; the method further comprises modulating the opening of the connecting element by a specific means and said resonator is put into communication with the crankcase beyond a certain engine speed, when the power modulation is sought.
  • the opening of the link element as a function of the engine speed or a parameter representative of the engine speed.
  • one modulates the opening of the connecting element as a function of the speed of the vehicle or a parameter representative of the speed of the vehicle.
  • the opening of the connecting element is modulated thanks to a valve or a bushel or a butterfly.
  • the modulation means of the opening is controlled by an electric motor, or a lung pneumatic or mechanical regulator.
  • the fuel supply can be achieved by a connected carburettor at the air inlet in the crankcase.
  • the fuel supply is carried out by at least one direct fuel injection means in the combustion chamber.
  • FIG. 1 schematically represents a 2-cycle engine according to a embodiment of the invention.
  • this engine comprises a cylinder 1, an element 2, a piston 3 movable in translation in the cylinder 1 and delimiting with the cylinder and a cylinder head 4 the combustion chamber itself 5.
  • crankcase 6 In the extension of the piston 3 and the combustion chamber 5, on the opposite side to the combustion chamber is a crankcase 6 which is therefore separated from the combustion chamber 5 by the piston 3.
  • At least one transfer conduit 7 connects the crankcase 6 to the combustion chamber 5.
  • a transfer port, chamber side of 5, is referenced 8 in FIG.
  • An exhaust duct 9 opens into the chamber of combustion 5, for the exhaust of burnt gases.
  • a gas inlet port 10 in the crankcase 6 is provided, associated with a conduit 11.
  • a valve 12 may be disposed in the duct 11 just upstream of the orifice 10 in order to control the arrival of the gases.
  • a connecting rod 13 allows the transformation of the translation movement piston in one rotation.
  • an additional chamber 14 still called resonator in the rest of this text is provided, connected to the crankcase 6 by a connecting element 15 (or duct).
  • This room 14 has a predetermined, fixed volume.
  • the geometry of the resonator 14 is chosen such that it modifies the acoustic effects in the crankcase 6 to limit the delivery rate and therefore the power of the engine, especially for close to the rated engine speed.
  • Modulation means 16 of the opening of the duct 15 is preferentially disposed in the conduit 15, rather close to the crankcase 6.
  • the conduit 15 is placed in communication with the crankcase 6 by example beyond a certain engine speed.
  • the opening of the element connection that is to say the section of passage between the crankcase-pump 6 and the resonator 14, is controlled to obtain the power modulation rate wish.
  • the means 16 may consist of a valve, a bushel or a throttle connected to a control member such as an electric motor, or connected to a pneumatic lung or a mechanical regulator.
  • the parameters that are used to drive the medium 16 can be representative of the engine speed: will then use for example the pressure in the crankcase 6, to the exhaust, at the outlet of the cooling fan ...; voltage alternator terminals or the ignition frequency can also be chosen as control parameters of the means 16.
  • control of the closure of the connecting conduit 15 can be made according to any parameter or combination of parameters appropriate, depending on the application chosen.
  • the curves in FIG. 2 represent the relative power P / P max of the motor as a function of the relative speed N / N max .
  • the present invention whose results are symbolized by the dotted curve D, allows a climb power up to a certain N1 regime and then a significant drop in the power beyond this regime.
  • the engine according to the invention is therefore controlled in power of a both new and inventive way.
  • pollutant emissions remain simultaneously at a low level thanks to the low rate of unburnt exhaust gases. This is linked to the reduction of the delivery rate, reduction generated by the modulated communication.

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Description

La présente invention concerne le domaine des moteurs à combustion interne à 2 temps à carter-pompe.
Plus précisément, elle concerne la modulation de la puissance de pleine charge de tels moteurs.
Dans certains domaines d'application, pour satisfaire des contraintes réglementaires, ou pour la préservation de l'intégrité mécanique des moteurs, les constructeurs sont amenés à limiter la puissance des moteurs dans certaines zones de fonctionnement.
Par exemple, dans le domaine des véhicules à deux ou trois roues motorisés, la catégorie cyclomoteurs impose par construction une vitesse maximum. En Europe cette vitesse maximum autorisée varie actuellement selon les pays entre 25 et 50 km/h.
Cette contrainte réglementaire nécessite une adéquation entre la puissance moteur au régime de vitesse maximum et la puissance de résistance à l'avancement, caractéristique de chaque véhicule.
Cette adéquation ne peut être obtenue qu'en contrôlant la puissance moteur au régime de vitesse maximum. Ceci est généralement obtenu en dégradant le rendement. On observe alors une réduction des performances du véhicule, souvent accompagnée d'une augmentation des émissions spécifiques des polluants.
La présente invention propose un nouveau mode de contrôle de la puissance du moteur, avec les avantages de préserver ses performances nominales et d'optimiser les émissions polluantes pendant la modulation de la puissance.
De façon connue, les moteurs 2 temps auxquels l'invention est susceptible de s'appliquer comportent généralement au moins un cylindre avec, associé à chaque cylindre, un carter-pompe communiquant avec l'une des extrémités du cylindre et assurant l'introduction de gaz frais dans le cylindre, par l'intermédiaire d'au moins un conduit et une ouverture de transfert. Le piston qui se déplace de manière alternative dans le cylindre assure également l'aspiration et la compression des gaz frais dans le carter-pompe. Un dispositif d'admission permet l'introduction des gaz frais dans le carter, lorsque le piston se déplace dans la direction opposée au carter, ces gaz frais étant ensuite comprimés, lorsque le piston se déplace en direction du carter. Lorsque les ouvertures correspondantes du cylindre sont dégagées par le piston, ces gaz frais sont introduits dans le cylindre par les conduits et ouvertures de transfert et produisent un balayage au moins destiné à remplacer les gaz brûlés qui sont évacués par au moins une ouverture d'échappement généralement disposée de façon légèrement décalée par rapport aux ouvertures de transfert. Le piston se déplace en s'éloignant du carter, de manière à comprimer les gaz contenus dans le cylindre. L'allumage et la combustion du mélange produisent alors le déplacement moteur du piston vers le carter.
Selon le concept choisi, les gaz frais peuvent être un mélange air/essence ou de l'air. Dans ce dernier cas l'alimentation en carburant est assurée directement dans la chambre de combustion par un dispositif approprié.
Concernant les moyens pour contrôler la puissance au régime de vitesse maximum, on connaít déjà des organes de commande à force centrifuge tel que décrit par exemple dans le document DE-0S-2721 904. Ces organes agissent directement sur l'allumage qui est modifié ou interrompu dès qu'une vitesse prédéterminée est dépassée. Ce concept présente cependant l'inconvénient majeur de produire des gaz de combustion imbrûlés à l'échappement dû à une combustion incomplète voire inexistante du carburant.
On connaít aussi, par la demande de brevet français FR 2 451 287, un dispositif de limitation de vitesse d'un véhicule, qui consiste à commander automatiquement la fermeture du papillon d'admission au-delà d'une certaine vitesse grâce à un organe de commande disposé dans la poignée de réglage de la vitesse.
Ce type de dispositif paraít être délicat à mettre en oeuvre en toute sécurité sur des cyclomoteurs ; de plus des contraintes réglementaires peuvent empêcher son utilisation.
Certains dispositifs connus tels que les organes de restriction de section de passage des gaz, limitent la puissance du moteur sur toute la plage de régime ce qui réduit de manière significative les accélérations du véhicule lors de son intégration dans le trafic, et donc la sécurité du conducteur.
Par ailleurs le brevet US 4 955 333 décrit un moteur 2 temps dans lequel un élément additionnel de volume variable est relié au carter-pompe. Ainsi la variation du volume additionnel permet le contrôle de la vitesse d'introduction des gaz frais dans le cylindre et son optimisation pour les différents points de fonctionnement, ce qui ne peut être réalisé sans ce volume de variable additionnel. Cette variation du volume additionnel impose cependant une commande complexe et coûteuse.
Dans le document Patent Abstracts of Japan vol.8, no 108 (M-297) (1984-05-19) & JP 59 018229, le moteur deux temps comprend un carter-pompe avec une chambre additionnelle dont la communication avec ce carter-pompe est contrôlée par une valve. Cette communication modifie le taux de compression de l'air contenu dans ce carter-pompe et permet d'obtenir ainsi un grand couple en sortie moteur. Ce moteur ne permet cependant pas de limiter sa puissance au régime de vitesse maximum.
La présente invention vise à moduler la puissance de pleine charge du moteur et simultanément à limiter les émissions de polluants, d'une façon à la fois simple et efficace.
Dans le cas de moteurs de cyclomoteurs, il s'agit selon l'invention de moduler la puissance développée par le moteur autour du régime de vitesse maximum.
Ainsi l'invention a pour objet un procédé de modulation de la puissance d'un moteur à combustion interne à 2 temps comprenant au moins un cylindre, un élément d'allumage, un piston mobile en translation dans ledit cylindre et délimitant une chambre de combustion, un carter-pompe séparé de la chambre de combustion par le piston, au moins un conduit de transfert entre le carter-pompe et la chambre de combustion, au moins un conduit d'échappement, un orifice d'admission de gaz dans le carter-pompe, un moyen d'alimentation en carburant, une chambre additionnelle reliée au carter-pompe par un élément de liaison dont l'ouverture est modulée par un moyen spécifique, caractérisé en ce que la chambre additionnelle est constituée d'un résonateur présentant un volume fixe et prédéterminé et en ce que ledit résonateur est mis en communication avec le carter-pompe au delà d'un certain régime du moteur.
Selon l'invention, la chambre additionnelle ou résonateur présente un volume fixe et prédéterminé ; le procédé consiste en outre à moduler l'ouverture de l'élément de liaison par un moyen spécifique et ledit résonateur est mis en communication avec le carter-pompe au delà d'un certain régime du moteur, lorsque la modulation de puissance est recherchée.
Selon un mode de réalisation de l'invention, on module l'ouverture de l'élément de liaison en fonction du régime du moteur ou d'un paramètre représentatif du régime moteur.
En accord avec un autre mode de réalisation de l'invention, on module l'ouverture de l'élément de liaison en fonction de la vitesse du véhicule ou d'un paramètre représentatif de la vitesse du véhicule.
De façon préférentielle, l'on module l'ouverture de l'élément de liaison grâce à une vanne ou un boisseau ou un papillon.
Selon un aspect particulier de l'invention, le moyen de modulation de l'ouverture est commandé par un moteur électrique, ou un poumon pneumatique ou un régulateur mécanique.
L'alimentation en carburant peut être réalisée par un carburateur relié à l'orifice d'admission d'air dans le carter-pompe.
Sans sortir du cadre de l'invention, l'alimentation en carburant est réalisée par au moins un moyen d'injection directe de carburant dans la chambre de combustion.
D'autres aspects, particularités, détails et avantages de l'invention apparaítront mieux à la lecture de la description qui va suivre, faite à titre illustratif et nullement limitatif en référence aux dessins annexés sur lesquels :
  • La figure 1 est une coupe longitudinale simplifiée d'un moteur selon un mode de réalisation de l'invention;
  • La figure 2 illustre des courbes de la puissance en fonction du régime-moteur, obtenues selon l'art antérieur et selon l'invention.
La figure 1 représente schématiquement un moteur 2 temps selon un mode de réalisation de l'invention.
De façon connue, ce moteur comprend un cylindre 1, un élément d'allumage 2, un piston 3 mobile en translation dans le cylindre 1 et délimitant avec le cylindre et une culasse 4 la chambre de combustion elle-même 5.
Dans le prolongement du piston 3 et de la chambre de combustion 5, du côté opposé à la chambre de combustion, se trouve un carter-pompe 6 qui est donc séparé de ia chambre de combustion 5 par le piston 3.
Au moins un conduit de transfert 7 relie le carter-pompe 6 à la chambre de combustion 5. Un orifice de transfert, côté chambre de combustion 5, est référencé 8 sur la figure 1.
Un conduit d'échappement 9 débouche dans la chambre de combustion 5, pour l'échappement des gaz brûlés.
Par ailleurs, un orifice 10 d'admission de gaz dans le carter-pompe 6 est prévu, associé à un conduit 11. Un clapet 12 peut être disposé dans le conduit 11 juste en amont de l'orifice 10 afin de contrôler l'arrivée des gaz.
Une bielle 13 permet la transformation du mouvement de translation du piston en une rotation.
Conformément à l'invention, une chambre additionnelle 14 encore appelée résonateur dans la suite de ce texte est prévu, relié au carter-pompe 6 par un élément de liaison 15 (ou conduit). Cette chambre 14 présente un volume prédéterminé, fixe.
La géométrie du résonateur 14 est choisie telle qu'elle modifie les effets acoustiques dans le carter-pompe 6 pour limiter le taux de livraison et par conséquent la puissance du moteur, notamment pour les régimes proches du régime nominal du moteur.
Un moyen de modulation 16 de l'ouverture du conduit 15 est préférentiellement disposé dans le conduit 15, plutôt à proximité du carter-pompe 6.
Le conduit 15 est mis en communication avec le carter-pompe 6 par exemple au-delà d'un certain régime du moteur.
Selon un mode de réalisation de l'invention, l'ouverture de l'élément de liaison, c'est-à-dire la section de passage entre le carter-pompe 6 et le résonateur 14, est contrôlée pour obtenir le taux de modulation de puissance souhaité.
Ainsi, vis-à-vis d'un moteur dépourvu d'un tel résonateur 14 ainsi relié au carter-pompe, il est possible de modifier l'évolution de la pression dans le carter-pompe pendant le cycle.
Plus précisément, les différences réalisées sont les suivantes :
  • la pression dans le carter 6 pendant la phase d'admission est plus élevée ce qui provoque une diminution du taux de livraison et donc de la puissance du moteur,
  • la pression dans le carter 6 au début de la phase de balayage est plus faible ce qui permet de réaspirer une quantité plus importante de gaz brûlés qui sont encore dans le cylindre 1. Ceci a pour effet de retarder le balayage avec les gaz frais et donc d'en limiter le court-circuit. Les émissions de polluants par court-circuitrage sont donc plus faibles, le rendement de livraison étant aussi favorisé par la baisse du taux de livraison.
Ces effets sont plus ou moins importants selon la section de passage du conduit de liaison 15, ce qui permet le contrôle de l'efficacité du résonateur 14 et donc la modulation de puissance de pleine charge du moteur.
Par ailleurs le moyen 16 peut consister en une vanne, en un boisseau ou un papillon relié à un organe de commande tel qu'un moteur électrique, ou bien relié à un poumon pneumatique ou encore un régulateur mécanique.
Les paramètres qui sont utilisés pour piloter le moyen 16 (c'est-à-dire l'ouverture du conduit 15) peuvent être représentatifs du régime-moteur : on utilisera alors par exemple la pression dans le carter-pompe 6, à l'échappement, en sortie de la soufflante de refroidissement... ; la tension aux bornes de l'alternateur ou la fréquence d'allumage peuvent aussi être choisis comme paramètres de pilotage du moyen 16.
Sans sortir du cadre de l'invention, et dans le cas d'application sur véhicule routier, il est possible de piloter le moyen 16 à partir d'un paramètre tel que la vitesse de rotation de la roue, ou d'un des organes de transmission représentatif de la vitesse du véhicule.
Autrement dit, le contrôle de l'obturation du conduit de liaison 15 peut être réalisé en fonction de tout paramètre ou combinaison de paramètres appropriés, selon l'application choisie.
La figure 2 met en relief l'effet avantageux apporté par l'invention.
Les courbes de la figure 2 représentent la puissance relative P/Pmax du moteur en fonction de la vitesse relative N/Nmax.
Les courbes A, B et C en traits pleins concernent des résultats où :
  • pour la courbe A, le moyen d'obturation est fermé quel que soit le régime-moteur;
  • pour la courbe B, le moyen d'obturation est à demi-ouvert quel que soit le régime moteur;
  • pour la courbe C le moyen d'obturation est totalement ouvert sur toute la place de fonctionnement du moteur.
On observe que les courbes A et B ne permettent pas de faire chuter la puissance de façon significative ni surtout de façon importante au delà d'une certaine vitesse.
Par ailleurs lorsque le moyen d'obturation est toujours ouvert (courbe C) la puissance obtenue reste faible quel que soit le régime.
De façon différente et avantageuse, la présente invention, dont les résultats sont symbolisés par la courbe D en pointillés, permet une montée en puissance jusqu'à un certain régime N1 puis une chute significative de la puissance au-delà de ce régime.
Comme il a déjà été dit, cette chute est obtenue lorsque le résonateur 14 est mis en communication avec le carter-pompe 6.
En agissant sur le degré d'ouverture du moyen 16 de contrôle, on obtient une modulation du "taux de livraison" et donc de la puissance du moteur.
Le moteur selon l'invention est donc contrôlé en puissance d'une façon à la fois nouvelle et inventive.
Par ailleurs les émissions de polluants restent simultanément à un niveau faible grâce au faible taux de gaz imbrûlés à l'échappement. Ceci est lié à la réduction du taux de livraison, réduction générée par la mise en communication modulée.

Claims (7)

  1. Procédé de modulation de la puissance d'un moteur à combustion interne à 2 temps comprenant au moins un cylindre (1), un élément d'allumage (2), un piston (3) mobile en translation dans ledit cylindre et délimitant une chambre de combustion (5), un carter-pompe (6) séparé de la chambre de combustion (5) par le piston (3), au moins un conduit de transfert (7) entre le carter-pompe (6) et la chambre de combustion (5), au moins un conduit d'échappement (9), un orifice d'admission de gaz dans le carter-pompe (6), un moyen d'alimentation en carburant, une chambre additionnelle (14) reliée au carter-pompe (6) par un élément de liaison (15) dont l'ouverture est modulée par un moyen spécifique, caractérisé en ce que la chambre additionnelle (14) est constituée d'un résonateur présentant un volume fixe et prédéterminé et en ce que ledit résonateur (14) est mis en communication avec le carter-pompe (6) au delà d'un certain régime du moteur.
  2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on module l'ouverture de l'élément de liaison (15) en fonction du régime du moteur ou d'un paramètre représentatif du régime moteur.
  3. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'on module l'ouverture de l'élément de liaison (15) en fonction de la vitesse du véhicule ou d'un paramètre représentatif de la vitesse du véhicule.
  4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'on module l'ouverture de l'élément de liaison (15) grâce à une vanne, un boisseau ou un papillon.
  5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que le moyen (16) de modulation de l'ouverture est commandé par un moteur électrique, ou un poumon pneumatique ou un régulateur mécanique.
  6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce l'alimentation en carburant est réalisée par un carburateur relié à l'orifice (10) d'admission d'air dans le carter-pompe (6).
  7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'alimentation en carburant est réalisée par au moins un moyen d'injection directe de carburant dans la chambre de combustion (5).
EP19990403283 1999-01-08 1999-12-24 Procédé de modulation de puissance d'un moteur à combustion interne à 2 temps par un résonateur relié au carterpompe Expired - Lifetime EP1018596B1 (fr)

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