EP1018597A1 - Moteur compressé à combustion interne à deux ou à quatre temps - Google Patents

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EP1018597A1
EP1018597A1 EP00400004A EP00400004A EP1018597A1 EP 1018597 A1 EP1018597 A1 EP 1018597A1 EP 00400004 A EP00400004 A EP 00400004A EP 00400004 A EP00400004 A EP 00400004A EP 1018597 A1 EP1018597 A1 EP 1018597A1
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EP
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cylinder
compressor
piston
engine
exhaust
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Daniel Drecq
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    • 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
    • F02B33/06—Engines with reciprocating-piston pumps; Engines with crankcase pumps with reciprocating-piston pumps other than simple crankcase pumps
    • F02B33/20—Engines with reciprocating-piston pumps; Engines with crankcase pumps with reciprocating-piston pumps other than simple crankcase pumps with pumping-cylinder axis arranged at an angle to working-cylinder axis, e.g. at an angle of 90 degrees
    • 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
    • F02B63/00—Adaptations of engines for driving pumps, hand-held tools or electric generators; Portable combinations of engines with engine-driven devices
    • F02B63/06—Adaptations of engines for driving pumps, hand-held tools or electric generators; Portable combinations of engines with engine-driven devices for pumps
    • 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
    • F02B75/00—Other engines
    • F02B75/02—Engines characterised by their cycles, e.g. six-stroke
    • F02B2075/022—Engines characterised by their cycles, e.g. six-stroke having less than six strokes per cycle
    • F02B2075/025—Engines characterised by their cycles, e.g. six-stroke having less than six strokes per cycle two
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
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    • F02B75/00—Other engines
    • F02B75/02—Engines characterised by their cycles, e.g. six-stroke
    • F02B2075/022—Engines characterised by their cycles, e.g. six-stroke having less than six strokes per cycle
    • F02B2075/027—Engines characterised by their cycles, e.g. six-stroke having less than six strokes per cycle four

Definitions

  • the present invention relates to a compressed engine with two- or four-stroke internal combustion, comprising one or more several cylinders, and operating by admitting fuel mixture or by admitting fresh air with direct or indirect injection of fuel.
  • the invention applies equally well to a petrol engine equipped spark plugs, than to the diesel engine whose ignition is obtained by compression.
  • the mixture inlet lights open substantially at the same time as the exhaust lights, so that about 20% of the mixture is directly discharged to the exhaust, causing high fuel consumption and high pollution atmospheric.
  • the main advantage of this engine is its low cost, but the new anti-pollution standards ultimately condemn this type engine.
  • Another known motor is of the loop scanning type, which works with a positive displacement compressor, for example of the type Roots, to facilitate the introduction of the fuel mixture into the cylinder and cause a low pressure boost.
  • This engine has also a mixture inlet pipe and a pipe exhaust pipes, both of which lead through lights in the lower part of the cylinder.
  • the mixture fuel is admitted into the cylinder from the compressor, with a orientation such that the mixture undergoes a rotational movement ascending in a loop, like a looping, in the cylinder, while the gases burned from the previous cycle are evacuated by the exhaust lights.
  • the particular arrangement of the lights intake and exhaust allows not to send directly towards the exhaust part of the admitted mixture, which reduces both consumption and environmental pollution.
  • Yet another known engine is of the "uniflow" type which also works with a positive displacement compressor.
  • This engine has an intake pipe connected upstream to the compressor and downstream to an intake ring which opens by a plurality of lights in the lower part of the cylinder, with an orientation such that the mixture is introduced with a significant rotational movement.
  • the burnt gases are evacuated in the upper part of the cylinder through one or several exhaust valves.
  • This type of motor allows check the filling of the cylinder and the possible recycling of gases burned, to obtain a less polluting combustion. Otherwise, when this type of engine runs on diesel, the introduction of air in the lower part of the cylinder makes it possible to obtain a very strong movement of air rotation, which is necessary for good performance.
  • This engine consumes even less fuel than the loop scanning motor and also reduces polluting emissions to the outside.
  • Roots compressor does not work beyond a pressure greater than 1.2 bars.
  • the object of the invention is to propose a motor compressed to two- or four-stroke internal combustion, for example of the loop, uniflow or valve, or four-stroke valves, which improves performance and reduces polluting emissions.
  • the invention relates to a combustion engine internal two- or four-stroke, operating by admission of fuel mixture or by fresh air intake with direct injection or indirect fuel, the engine comprising at least one cylinder defining a variable volume combustion chamber, in which alternately moves a motor piston which is coupled by a crankpin connecting rod of a crankshaft, and an associated compressor to each cylinder to obtain a cylinder overfeeding fuel or fresh air mixture, characterized in that said compressor is a compressor comprising at least one stage, in the compression chamber from which a compressor piston moves, which is coupled to the crankshaft by a link articulated on a eccentric, said eccentric being mounted on the shaft of said crankshaft.
  • the angle of the dihedral is of the order of 90 ° to obtain a phase shift between the top dead center (TDC) of the engine piston and compressor piston associated with the same cylinder, phase shift which ensures maximum pressure in the chamber compression before admitting fuel mixture or fresh air in the combustion chamber.
  • TDC top dead center
  • the displacement of the compressor is of the order of size of that of the cylinder, but with a compressor piston having a diameter significantly greater than the diameter of the engine piston, to obtain a small compression stroke of the piston compressor in the compression chamber.
  • the piston of compressor is rigidly fixed in its center to the connecting rod with the eccentric, so that the compressor piston moves in the compression chamber by alternating tilting around the lower and upper parts of the compression chamber, the axis of the compressor being offset, in the direction of the crankshaft axis, by relative to the axis of the cylinder.
  • the compressor piston can have at its periphery a spherical border provided with a segment spherical seal which is preferably stationary in rotation by relative to the compressor piston, in a position such as the slot of the segment is not placed in the lower part of the compressor, to limit oil consumption and therefore pollution of the environment.
  • the compressor piston is secured in its center by a rod articulated to the connecting rod with the eccentric, said rod being guided in translation in one direction which intersects the axis of the cylinder.
  • the piston compressor is a deformable membrane connected at its periphery to the side wall of the compression chamber, said membrane preferably having a ripple at its periphery to facilitate its deformation.
  • the compressor piston is a rigid cylinder displaceable in axial translation and provided at its periphery of at least one sealing segment.
  • This second embodiment is advantageous in that it poses no risk of oil passing between the crankcase and the compressor compression chamber, because it is possible to have a seal or bellows on the piston rod of the compressor.
  • the compression is two stages located on either side of the piston compressor, a first stage being supplied with a fuel mixture or fresh air by a first non-return valve or a valve, and connected by a discharge pipe fitted with a second non-return valve or a valve, on the second stage which communicates with the cylinder by an intake manifold possibly fitted with a third valve check valve or valve.
  • the use of a two compressor stages provides higher boost pressure in the cylinder.
  • the volumetric ratio of the cylinder may be reduced so as not to reach maximum pressure which is incompatible with the mechanical strength of the cylinder.
  • the engine fitted with this two-stage compressor will operate analogously to the known type supercharging system hyperbar.
  • the two-stroke engine of the invention can also be equipped with a device to recover energy from puffs exhaust and partial exhaust gas recirculation in providing an additional volume communicating with the cylinder to through shutter and opening means, the movements of which are controlled synchronously or out of phase with those of the piston engine in the cylinder, so that, during the expansion phase, the burnt gases compress the air in the additional volume by entering it at least partially, that this mixture of air and burnt gases is trapped there under pressure, then this mixture is admitted into the cylinder during the compression phase.
  • said additional volume is again filled with fresh air by from the compressor.
  • the sealing means and opening aforementioned comprise two rotary shutters, for example multi-way rotary valves, interconnected by the additional volume, one of the shutters being associated with the compressor and the other shutter at the cylinder exhaust.
  • the two rotary shutters are arranged so that the following operations take place: in a first time, when the engine piston is near its TDC, a air flow from the compressor through the lower shutter associated with the compressor, sweeps the additional volume, crosses the upper shutter associated with the exhaust and escapes towards the exterior by an exhaust manifold; in a second time, from about half the trigger stroke of the engine piston, on the one hand, the upper shutter connects the cylinder with the additional volume to fill it with an air and gas mixture burned under pressure, and on the other hand, the cylinder communicates with the exhaust; thirdly, the upper shutter traps the mixture of air and burnt gases in the additional volume; in one fourth step, air from the compressor is admitted to the cylinder, and in a fifth step, at the start of the compression of the engine piston, the trapped and pressurized mixture is admitted into the cylinder.
  • the upper shutter is associated with at least one exhaust valve located at the top of the cylinder and the lower shutter is connected to the cylinder by a pipe arranged in the lower part of the cylinder, so that the additional volume is put under pressure by its upper end by means of the burnt gases from the exhaust valve through the shutter upper, and is emptied into the cylinder by its lower end at through the lower shutter.
  • the upper shutter is connected to the cylinder by a pipe arranged in the lower part of the cylinder and the lower shutter is interposed on the discharge pipe between the two stages of the compressor, so that the volume additional is put under pressure by means of burnt gases from from the cylinder through the upper shutter and is emptied into the cylinder by the pipe connected to the upper shutter.
  • the intake pipe to the cylinder and / or the discharge of the two-stage compressor is cooled by all means appropriate.
  • the two-stroke engine can be of the loop scanning type, into which the fuel mixture or fresh air is admitted from compressor by an inlet manifold opening through lights in the lower part of the cylinder with an orientation such as mixing or the air is introduced with an upward rotation movement in a loop, while the gases burned from the previous cycle are evacuated by exhaust lights also arranged in the lower part of the cylinder.
  • the two-stroke engine can also be of the uniflow type, in which the fuel mixture or air is admitted in the lower part of the cylinder through intake lights distributed at the base of the cylinder and powered by a crown itself connected to the compressor, then that the gases burned from the previous cycle are evacuated through one or several exhaust valves provided at the top of the cylinder.
  • the two or four stroke engine can be of the exhaust and intake valves, in which the valves are located at the top of the cylinder and the inlet valve (s) are powered by the compressor.
  • the invention also applies to an engine of the type with several in-line cylinders, in which the compressors associated with each cylinder are arranged alternately on each side of the housing cylinder.
  • Figures 1 to 9 show various variants of the invention applied to a two-cylinder single-cylinder M1 internal combustion engine time and loop scan.
  • the engine M1 comprises a cylinder 1 defined between the cylinder block 2 and the cylinder head 3 of the engine.
  • the cylinder head 3 has an obviously 3a in upper part of cylinder 1 to define a combustion chamber, because the proposed representation is that of a gasoline engine.
  • the invention can be applied just as well to a direct injection diesel engine or indirect.
  • cylinder 1 In cylinder 1, alternately moves a piston of engine 4 which defines a combustion chamber 5 inside the cylinder 1 between cylinder head 3 and piston 4.
  • the engine piston 4 is provided at its periphery with sealing segments 6 shown on the Figure 1.
  • a connecting rod 7 is articulated by its connecting rod 7a to the piston 4 and by its connecting rod head 7b to the crankpin 8 of a crankshaft 9.
  • An eccentric 10 is mounted on the crankshaft 9 and articulated on a link 11 which is rigidly fixed in the center of a compressor piston 12 in the shape of a disc.
  • the piston of compressor 12 has at its periphery a spherical border 12a provided with a sealing segment 13 also having a spherical border, which is immobilized in rotation relative to the compressor piston, in a position such that the segment 13 slot is not placed in lower part of the casing 2.
  • the compressor piston 12 moves alternately by tilting inside the chamber compression 14a of a single-stage compressor 14 attached to the casing 2.
  • the compression chamber 14a of the compressor 14 is supplied with fuel or fresh air mixture via a suction line 15 fitted with a non-return suction valve 15a.
  • the fuel mixture or the pressurized fresh air is discharged from the compressor 14 to a intake pipe 16 fitted with a non-return discharge valve 16a.
  • the intake pipe 16 opens at the bottom of the cylinder 1 by a plurality of lights 17 which have such an orientation that the mixture or the air under pressure is introduced with a movement of rotation ascending in a loop in the cylinder in the manner of a looping.
  • the cylinder 1 is further provided with one or more pipes exhaust 18 which open into the lower part of the cylinder, substantially at the same level as the intake lights 17.
  • the eccentric 10 is offset by angle ⁇ of the order of 90 ° relative to the crank pin 8, in the direction of rotation of the crankshaft, as indicated by arrow F, so that the TDC of engine piston 4 is 90 ° out of phase with TDC of the compressor piston 12.
  • the axis of the link 11 of the compressor 14 is offset by a distance d relative to the axis of the connecting rod 7 of the engine piston 4.
  • the displacement of cylinder 1 is substantially of the same order of size than the displacement of compressor 14, but the piston of compressor 12 has a diameter significantly larger than that of the engine piston 4, so that the compression stroke c of the piston compressor 12 is relatively small.
  • the intake pipe 16 can be provided with a heat exchanger 19, conveying a refrigerant, for example from water or fresh air can be blown for a air cooling, to cool the air leaving the compressor 14, which increases the mass of air admitted into cylinder 1, all the more so as the compression of the air in the compressor 14 gives off a large amount of heat.
  • a refrigerant for example from water or fresh air
  • the cooling of the intake pipe 16 is optional.
  • crankpin 8 of crankshaft 9 is provided opposite the big end 7b a counterweight 20 which serves as a counterweight.
  • FIG. 1 The broken lines in FIG. 1 indicate the TDC and TDC positions of the engine piston 4.
  • the engine piston is at the end of compression, at its TDC, while the compressor piston 12 is at its TDC, that is to say in its rightmost position in Figure 2A.
  • the engine piston goes down, as illustrated in the figure 2B, after a rotation of approximately 90 ° of the crankshaft 9, which causes simultaneously tilting the compressor piston 12 around its upper portion, thus generating a first compression in the compression chamber 14a.
  • the engine piston 4 arrives at his PMB, simultaneously discovering the tubing exhaust 18 and intake lights 17, after rotation additional 90 ° of the crankshaft 9.
  • the piston of compressor 12 swings around its lower portion to reach its leftmost maximum compression position in the chamber of compression 14a, which causes the admission of air or fuel mixture under pressure in the combustion chamber 5, thus driving the burnt gases towards the exhaust and filling the cylinder.
  • the engine piston has been represented during of its compression phase, after an additional 90 ° rotation of the crankshaft, which closes both the exhaust and the intake and causes the compressor piston 12 to tilt around its upper portion, and thus a first relaxation of the compression 14a, the fresh air or the fuel mixture being sucked in by the suction line 15, due to the vacuum thus generated in room 14a.
  • the eccentric 10 is formed by a disc eccentrically mounted on the shaft of crankshaft 9.
  • This compressor piston 112 also has at its periphery a sealing segment and comprises in its center a rod 121 rigidly fixed to the compressor piston 112 and articulated at its free end to the link 11 connecting with the eccentric 10.
  • the rod 121 is guided in translation by a guide sleeve 122 which is connects to the casing 2 by a vertical partition 123.
  • the sleeve 122 can be fitted internally with a sealing ring through which the rod 121, or alternatively a sealing bellows S can be connected between the rod 121 and said vertical partition 123, which removes all risk of oil passing between the crankcase and the compressor.
  • FIGS. 5 to 7 it can be seen that the cylinder 1 as well as the compressor 14 are provided with cooling fins 21.
  • a spark plug 22 is arranged at the top of the cylinder 1.
  • the motor M1 here consists of a first block which forms the cylinder 1, a second block which forms the casing 2 and a third block which forms the compressor 14.
  • the compressor piston 112 in the form of a rigid disc can be replaced by a membrane deformable 212 whose periphery is fixed between the second and third aforementioned blocks.
  • a corrugation 212a can be provided in the vicinity of its periphery, as visible in FIG. 6A.
  • the rod 121 connects the center of the deformable membrane 212 to an articulated cross member 124 whose free ends slide in a groove 125 provided in the casing 2 and are each connected to two arms 111, which extend from on either side of the axis of the compressor 14.
  • the connecting rod to the eccentric is thus formed by the assembly of the cross member 124 and two arms 111.
  • the two arms 111 of the link are each mounted on a disc 10 which is respectively mounted eccentrically on the shaft 9 of the crankshaft between the side wall of the casing 2 and an arm of the crankpin 8.
  • Needle roller bearings 22 to 24 are respectively provided at the free ends of the cross member 124, between each link arm 111 and eccentric disc 10, and at shaft level crankshaft 9. However, if the rotation is slow enough, these bearings can be replaced by ball bearings or by slip rings.
  • the axis of the piston compressor is centered on the axis of the engine piston, unlike the variant of the tilting compressor piston of Figures 1 to 3.
  • the operating cycle of this engine including the piston compressor is mounted with a stick rod, is substantially the same as that of the tilting piston engine.
  • the cross member 124 moves in rectilinear translation in the grooves 125, which causes the displacement of the rod 121 which causes a deformation of the membrane 212.
  • the engine piston 4 is at TDC, and the diaphragm is deformed into bending to the right towards the crankshaft.
  • the engine piston is halfway in its expansion phase, and the membrane 212 is in a substantially flat, vertical position.
  • the engine piston 4 is at its PMB, and the membrane 212 is deformed in flexion to the left, opposite the crankshaft.
  • the engine piston 4 is halfway in its upward compression stroke, and the membrane 212 is again in a flat position, at rest.
  • the engine shown in Figures 5 to 7 comprises a cylinder 1 having a diameter of approximately 42 mm and a useful stroke of 38 mm for the engine piston 4, and a compressor 14 having a diameter of 80 mm, with a useful stroke of about 8.5 mm for compressor piston 212.
  • the variant illustrated in Figure 8 differs from the variant represented in FIG. 4, essentially by the fact that the compressor 14 has a two-stage compression chamber 14a and 14b.
  • the first stage 14b is formed between the partition 123 and the compressor piston 112, while the second stage 14a is formed on the other side of the compressor piston 112.
  • the first stage 14b has in the upper part a suction pipe 115 provided with a non-return valve 115a.
  • This first stage 14b is crossed by the rod 121 of the compressor piston 112.
  • an intermediate discharge pipe 130 is provided which communicates in the lower part of the second stage 14a of the compressor 14.
  • This intermediate discharge line 130 is provided with a non-return valve 130a and a cooling system 19.
  • the second stage 14a of compressor 14 communicates in the upper part with the intake manifold 16, similar to the compressor single-stage described in Figures 1 to 7.
  • valves 115a, 130a and 16a of the compressor 14 and the engine valves 118a and 217 can advantageously be replaced by mechanically or electronically controlled valves, or hydro-electronics, which can be managed by a computer digital, in order to control all motor parameters on demand, know the compression ratio in the compressor and / or in the engine cylinder, as well as expansion rates.
  • Figure 8 shows a compressor piston 112 in rigid flat disc shape, it could just as easily be replaced by a deformable membrane similar to that shown on the Figures 5 and 6.
  • the piston compressor 112 moves to the right to compress the first stage 14b of the compression chamber, which causes the air delivery, via line 130, to the second stage 14a.
  • the compressor piston 112 moves to the left, causing overcompression of the air contained in the second stage 14a, which does not can go back through line 130, due to the non-return valve 130a, and therefore escapes towards the intake pipe 16 to a pressure higher than that which would be obtained with a compressor single-stage.
  • depression is generated in the first stage 14b, which causes the suction of air from the suction pipe 115.
  • the motor in FIG. 8 is equipped with a device energy recovery from exhaust puffs and partial recirculation of exhaust gases, the principle of which is described in detail in French patent application No. 98-07835 of 22 June 1998 belonging to the present applicant.
  • An additional volume 40 which can have any suitable form, communicates in the lower part with a pipe 41 which leads to a rotary shutter 42, for example, a three-way rotary plug tracks, which is interposed on the above-mentioned discharge line 130, downstream of the valve 130a.
  • Additional volume 40 communicates also, in the upper part, with a pipe 43 which leads to a second upper rotary shutter 44, for example a plug turning in three ways, the latter communicating, on the one hand, by a pipe 45 in the lower part of cylinder 1, and, on the other hand, by a line 46, with an exhaust manifold (not shown) connected to the aforementioned exhaust pipe 18.
  • the lower plug 42 communicates the first stage 14b of compressor 14 with line 41, while closing the passage to the second stage 14a, while the plug upper 44 connects line 43 with line exhaust 46, while closing the passage to the pipe 45 which opens into the lower part of cylinder 1.
  • the air compressed by the compressor piston 112 in the first stage 14b is evacuated to the exhaust, by sweeping the additional volume 40, the balance of the air and burnt gas mixture in this volume 40 thus being evacuated to the outside and replaced by fresh air.
  • the engine piston 4 When the engine piston 4 substantially reaches the end of trigger, the engine piston 4 discovers the opening of the pipeline 45 and the combustion gases being under pressure in cylinder 1 then escape through this pipe 45 and pass through the shutter 44 up to additional volume 40, the upper shutter 44 being in a position for closing the exhaust pipe 46. Simultaneously, the shutter 42 closes the passage of the pipe 41, so that the burnt gases compress the air in the additional volume 40 and partially penetrate it.
  • the engine piston 40 also discovers the exhaust manifold 18, to evacuate the rest of the burnt gases, which are expelled by the fresh air under pressure introduced by the intake ports 17 and coming from the second stage 14a of the compressor, under the compression action exerted by the compressor piston 112 which moves to the left.
  • the upper plug 44 blocks all communication and the lower plug 42 opens the passage between the first and the second stage of the compressor, while now closed the passage to line 41, so that the pressurized mixture of air and burnt gases, which was in the volume additional 40 is thus trapped there.
  • the scanning of cylinder 1 is finishes and the latter begins to fill with fresh air at high pressure delivered by the compressor 14.
  • the compressor piston 112 delivers compressed air to the first stage 14b towards the second stage 14a, through the lower plug 42 which keeps the line 130 communication open, while now closed the passage to line 41.
  • the upper plug 44 opens the passage between the additional volume 40 and cylinder 1, while keeping the passage to the exhaust pipe 46, so that the air and gas mixture burned which is trapped in volume 40 can escape through them lines 43 and 45 in cylinder 1, which achieves both a supercharging in cylinder 1 and energy recovery from exhaust puffs.
  • the two-stage compressor 14 has lower efficiency than in Figure 8, because part of the compression stroke of the first stage 14b of the compressor 14 is used to scan additional volume 40.
  • the intake pipe 16 opens onto an annular ring 117 surrounding the lower part of the cylinder 1, said ring 117 having a plurality of lights (not shown) which partially open bottom of cylinder 1 with an orientation such that air is introduced in the cylinder with a large rotational movement.
  • the exhaust pipe 118 is provided at the top of cylinder 1 and has at least one valve 118a which is controlled by any adapted means.
  • the one or more exhaust valves 118a are closed, as well as the lights which are blocked by the body of the engine piston 4.
  • the exhaust valve (s) 118a open, to evacuate the burnt gases, and the engine piston 4 uncovers the lights on the intake crown 117, so that the compressed air coming from the compressor 14 pushes up the gases burned towards the exhaust.
  • the filling of cylinder 1 in combustion air continues until the compression piston begins engine 4, as long as the intake lights remain uncovered by the engine piston 4.
  • the motor M2 is also equipped with a device to recover energy from puffs exhaust and partial exhaust gas recycling.
  • This device has an additional volume 140 which is formed by a adapted section pipe communicating at both ends with a rotary shutter 142, 144 which may be constituted by a multi-way rotating bushel.
  • the upper bushel 144 communicates, in addition, with the exhaust pipe 118, downstream the exhaust valve (s) 118a provided at the top of the cylinder 1, and with two other pipes 145 and 146 which terminate to an exhaust manifold not shown.
  • the lower plug 142 communicates, in addition, with a pipe 141 which opens at the bottom of cylinder 1, above of the intake ring 117, and with the intake pipe 16.
  • the rotary movements of the plugs 142, 144 are linked by any suitable way, known to those skilled in the art and therefore not described, to the rotary movement of the crankshaft 9, in 1/1 ratio or different from 1/1, phased or phase-shifted relative to the movement of the crankshaft.
  • FIG. 13 the positions of the two stages 14a and 14b of compressor 14 are reversed with respect to the piston of compressor 112.
  • the intake pipe 16 communicates with stage 14b which is located between the compressor piston 112 and the vertical wall 123, while the first stage 14a located on the side of the compressor piston 112 opposite crankshaft 9, is supplied with air fresh via the suction line 115.
  • crankpin 8 of crankshaft must be phase shifted by an angle ⁇ of about 90 ° relative to the eccentric 10, in the direction of rotation F of the crankshaft 9.
  • valve 118a or the exhaust valves which are possibly provided, are closed as well as plugs 142 and 144.
  • the one or more exhaust valves 118a open and the upper shutter 144 swivels, for example in the same direction as the crankshaft 9, to make communicating the exhaust pipe 118 with the pipe 140 forming the additional volume.
  • the lower bushel 142 has also turned the same amount in the same direction, but this did brought no connection of pipes.
  • the result a puff of burnt gas under pressure is discharged via the exhaust pipe 118 in pipe 140, which compresses the air therein, while introducing a portion of gas therein burned, corresponding to the angular period of transfer.
  • the shutter superior 144 Although having continued to rotate, maintains the communication between lines 118 and 145; the shutter lower 142 also rotated, but without setting communication; the intake crown lights 117 are unmasked.
  • the air coming from stage 14b of the compressor 14 performs a sweep which evacuates the burnt gases through the exhaust valve (s) 118a and the cylinder 1 is filled with air at the relatively high pressure of compressor 14.
  • the mixture air / burnt gas is still trapped under pressure in line 140.
  • Figures 14 and 15 show the application of the invention has an M3 engine of the two-stroke single-cylinder type and exhaust and intake valves.
  • Figures 14 and 15 show two variants which correspond to the variants of FIGS. 10 and 11 of the M2 motor of the type uniflow.
  • the only difference, which is common to both variants, is in that the intake pipe 16 opens at the top of the cylinder 1 where one or more intake valves 217 are provided.
  • the operation of this type of engine is analogous to the previous ones.
  • FIGS. 14 and 15 include a single-stage compressor, we could also provide a two-stage compressor (see motor of the type shown in Figure 17) and / or a device for partial recirculation of exhaust gases, without departing from the scope of the invention.
  • an M4 compressor motor has been represented. two-stage which can be used as well for a two-stroke engine than for a four-stroke engine.
  • the engine piston 4 is at the end of compression, at its TDC, while the compressor piston 12 is at its TDC, that is, in its rightmost position in Figure 18.
  • the intake valve 217 and the exhaust valve 118a are closed, as well as the suction valve 15a and the repression 16a.
  • the angular phase shift between the crankpin 8 and the eccentric 10 is of the order of 90 °, but this phase shift is more precisely calculated according to the efficiency of the compressor and the cylinder filling rate.
  • the position illustrated in figure 18 corresponds to the ignition of the fuel mixture in the combustion.
  • the chamber 14a of the compressor 14 is filled with fresh air, while the pipeline intake is filled with hot compressed air.
  • crankshaft 9 As illustrated in FIG. 18, the rotation of the crankshaft 9 is carried out clockwise, illustrated by arrow F.
  • the engine piston 4 arrives at its PMB, as illustrated in figure 20 after rotation of approximately 30 ° clockwise as indicated by the arrow F.
  • the compressor piston 12 has finished tilting around its lower portion to reach its position of leftmost maximum compression in the compression 14a.
  • the inlet valve 15a remains closed and the discharge 16a remains open to finish over-compressing the air in the intake pipe 16, as indicated by arrow F1.
  • the burnt gases continue to escape through the tubing exhaust 118, in the direction of arrow F2.
  • the engine piston 4 during its phase of compression of the combustion chamber, expels the burnt gases to the exhaust manifold 118.
  • the crankshaft has rotated by an additional 160 °.
  • the compressor piston 12 has tilted around its upper portion, then around its lower portion, to reach an expansion position of the compression chamber 14a.
  • the suction valve 15a is open and the discharge valve 16a is closed, to suck in air fresh, as indicated by arrow F3 in the compression chamber 14a.
  • the intake valve 217 opens to admit the compressed air in the combustion chamber as illustrated by the arrow F4 and thus expel the rest of the burnt gases towards the manifold exhaust.
  • Figure 22 shows the end of the compression stroke of the engine piston 4, for which the crankshaft 9 has made a 360 ° rotation from its initial position illustrated in the figure 18. In this position, the suction valve 15a has closed, and the two valves 217 and 118a remain open.
  • the arrow F4 indicates the admission of compressed hot air into the combustion chamber.
  • the position of figure 22 illustrates the second time of the cycle with four time.
  • the crankshaft 9 has pivoted by one twenty additional degrees, to start the phase of expansion of the engine piston 4.
  • the valve 118a has closed, but the intake valve remains opened.
  • the discharge valve 16a also opens to discharge the fresh air contained in the compression chamber 14a in the intake pipe 16, as indicated by arrow F1.
  • the combustion chamber 5 has been filled with hot compressed air on the one hand, from the compressed air contained in the pipeline intake 16 and, on the other hand, compressed air contained in the compression chamber 14a and discharged by the compressor piston 12, since the discharge valve 16a has remained open. We have thus obtained a double filling of the combustion chamber 5.
  • the different engines of the invention can be fitted with injectors, for direct injection or indirect petrol or diesel, or work with mixtures precarburized.
  • a motor M has been represented with four cylinders 1 in line, comprising four compressors 14 of the single-stage type with tilting compressor piston, the links 11 of which are shown off-axis with respect to the axis of the respective cylinder, the compressors 14 being arranged alternately on each side face of the cylinder block 2.

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Abstract

Moteur à combustion interne à deux ou à quatre temps (M1), fonctionnant par admission de mélange carburé ou par admission d'air frais avec injection directe ou indirecte de carburant, le moteur comportant au moins un cylindre (1) définissant une chambre de combustion à volume variable, dans laquelle se déplace alternativement un piston de moteur (4) qui est attelé par une bielle (7) au maneton (8) d'un vilebrequin (9), et un compresseur (14) associé à chaque cylindre pour obtenir une suralimentation du cylindre en mélange carburé ou en air frais, caractérisé par le fait que ledit compresseur est un compresseur comportant au moins un étage, dans la chambre de compression (14a, 14b) duquel se déplace un piston de compresseur (112), qui est attelé au vilebrequin par une biellette (111) articulée sur un excentrique (10), ledit excentrique étant monté sur l'arbre dudit vilebrequin. <IMAGE>

Description

La présente invention concerne un moteur compressé à combustion interne à deux ou à quatre temps, comportant un ou plusieurs cylindres, et fonctionnant par admission de mélange carburé ou par admission d'air frais avec injection directe ou indirecte de carburant. L'invention s'applique aussi bien au moteur à essence équipé de bougies d'allumage, qu'au moteur diesel dont l'allumage est obtenu par compression.
Bien que l'invention soit décrite dans la suite plus particulièrement en référence à un moteur monocylindre pour le moteur à deux temps, qui est bien adapté pour toutes les applications des petits moteurs industriels destinés à la motoculture, aux outils de jardin, aux tondeuses à gazon, aux tronçonneuses, aux débroussailleuses ou analogues, l'invention n'y est nullement limitée et elle s'applique également aux moteurs à plusieurs cylindres à deux ou à quatre temps, en ligne ou en V.
On connaít déjà un moteur monocylindre à deux temps qui fonctionne par aspiration naturelle dans le cylindre d'un mélange carburé qui transite par le carter du cylindre. Ce moteur comporte une canalisation d'admission du mélange air/carburant et une canalisation d'échappement des gaz brûlés, qui débouchent toutes les deux par des lumières en partie basse du cylindre, au voisinage du Point Mort Bas (PMB). Le mélange carburé provenant du carburateur est aspiré dans le carter au travers d'un clapet, lors de la phase ascendante du piston qui engendre une dépression dans le carter, puis est refoulé vers le cylindre, lors de la phase descendante du piston engendrant une surpression dans le carter. Lors de la phase descendante du piston, les lumières d'admission du mélange s'ouvrent sensiblement en même temps que les lumières d'échappement, de sorte qu'environ 20 % du mélange est directement évacué vers l'échappement, ce qui provoque une consommation élevée en carburant et une forte pollution atmosphérique. L'avantage principal de ce moteur est son faible coût, mais les nouvelles normes antipollution condamnent, à terme, ce type de moteur.
Un autre moteur connu est du type à balayage en boucle, qui fonctionne avec un compresseur volumétrique, par exemple du type Roots, pour faciliter l'introduction du mélange carburé dans le cylindre et engendrer une suralimentation à basse pression. Ce moteur comporte également une canalisation d'admission du mélange et une canalisation d'échappement, les canalisations débouchant toutes les deux par des lumières en partie basse du cylindre. Dans ce moteur, le mélange carburé est admis dans le cylindre à partir du compresseur, avec une orientation telle que le mélange subisse un mouvement de rotation ascendant en boucle, à la manière d'un looping, dans le cylindre, pendant que les gaz brûlés du cycle précédent sont évacués par les lumières d'échappement. L'agencement particulier des lumières d'admission et d'échappement permet de ne pas envoyer directement vers l'échappement une partie du mélange admis, ce qui réduit à la fois la consommation et la pollution de l'environnement.
Encore un autre moteur connu est du type "uniflow" qui fonctionne également avec un compresseur volumétrique. Ce moteur comporte une canalisation d'admission reliée en amont au compresseur et en aval à une couronne d'admission qui débouche par une pluralité de lumières en partie basse du cylindre, avec une orientation telle que le mélange soit introduit avec un mouvement de rotation important. Les gaz brûlés sont évacués en partie haute du cylindre à travers une ou plusieurs soupapes d'échappement. Ce type de moteur permet de contrôler le remplissage du cylindre et le recyclage éventuel des gaz brûlés, pour obtenir une combustion moins polluante. Par ailleurs, lorsque ce type de moteur fonctionne en diesel, l'introduction de l'air en partie basse du cylindre permet d'obtenir un très fort mouvement de rotation de l'air, ce qui est nécessaire pour obtenir un bon rendement. Ce moteur permet de consommer encore moins de carburant que le moteur à balayage en boucle et permet également de réduire les émissions polluantes vers l'extérieur.
Toutefois, ces deux derniers types de moteur ont un coût bien supérieur au moteur à transfert par le carter, car ils comportent plus d'organes, notamment le compresseur, et en outre, pour le moteur uniflow, une commande de soupape. En outre, les compresseurs de type Roots ont un faible rendement, par exemple un moteur monocylindre à deux temps ayant une cylindrée d'un litre et une puissance de 55kW , consommera 17kW pour entraíner le compresseur. Au surplus, un compresseur Roots ne fonctionne pas au-delà d'une pression supérieure à 1,2 bars.
On connaít enfin le moteur à soupapes d'échappement et d'admission, qui permet d'obtenir les plus faibles consommations et les émissions polluantes les plus réduites, mais ce moteur est également le plus coûteux car il nécessite de commander à la fois les soupapes d'échappement et d'admission. Le rendement de ce moteur est meilleur car la commande de l'ouverture et de la fermeture des soupapes par des organes extérieurs au cylindre, permet d'utiliser toute la course du piston, alors qu'avec les moteurs précédents où l'admission s'effectue par des lumières, une partie de la course de compression et de la course de détente est perdue.
Le but de l'invention est de proposer un moteur compressé à combustion interne à deux ou à quatre temps, par exemple du type à balayage en boucle, uniflow ou à soupapes, ou à quatre temps à soupapes, qui permette d'améliorer le rendement et de réduire les émissions polluantes.
A cet effet, l'invention a pour objet un moteur à combustion interne à deux ou à quatre temps, fonctionnant par admission de mélange carburé ou par admission d'air frais avec injection directe ou indirecte de carburant, le moteur comportant au moins un cylindre définissant une chambre de combustion à volume variable, dans laquelle se déplace alternativement un piston de moteur qui est attelé par une bielle au maneton d'un vilebrequin, et un compresseur associé à chaque cylindre pour obtenir une suralimentation du cylindre en mélange carburé ou en air frais, caractérisé par le fait que ledit compresseur est un compresseur comportant au moins un étage, dans la chambre de compression duquel se déplace un piston de compresseur, qui est attelé au vilebrequin par une biellette articulée sur un excentrique, ledit excentrique étant monté sur l'arbre dudit vilebrequin.
De préférence, l'angle du dièdre, dont l'arête est formée par l'axe du vilebrequin et dont les deux demi-plans s'étendent respectivement vers l'excentrique et le maneton, est de l'ordre de 90° pour obtenir un déphasage entre les points morts hauts (PMH) du piston de moteur et du piston de compresseur associés au même cylindre, déphasage qui assure une pression maximale dans la chambre de compression avant l'admission du mélange carburé ou de l'air frais dans la chambre de combustion.
Dans ce cas, lorsque l'étage de la chambre de compression, qui communique directement avec le cylindre, est situé entre le piston de compresseur et le vilebrequin, le maneton est déphasé en avance par rapport à l'excentrique dans le sens de rotation du vilebrequin, et inversement, lorsque l'étage précité est situé du côté du piston de compresseur opposé au vilebrequin, l'excentrique est déphasé en avance par rapport au maneton dans le sens de rotation du vilebrequin.
Avantageusement, la cylindrée du compresseur est de l'ordre de grandeur de celle du cylindre, mais avec un piston de compresseur ayant un diamètre nettement supérieur au diamètre du piston de moteur, pour obtenir une faible course de compression du piston de compresseur dans la chambre de compression.
Dans une forme de réalisation particulière, le piston de compresseur est rigidement fixé en son centre à la biellette de liaison avec l'excentrique, de sorte que le piston de compresseur se déplace dans la chambre de compression par basculement alternatif autour des parties inférieure et supérieure de la chambre de compression, l'axe du compresseur étant décalé, dans la direction de l'axe du vilebrequin, par rapport à l'axe du cylindre. Dans ce cas, le piston de compresseur peut comporter à sa périphérie une bordure sphérique munie d'un segment d'étanchéité sphérique qui est de préférence immobile en rotation par rapport au piston de compresseur, dans une position telle que la fente du segment ne soit pas placée en partie basse du compresseur, pour limiter la consommation d'huile et en conséquence, la pollution de l'environnement.
Dans une autre forme de réalisation, le piston de compresseur est solidaire en son centre d'une tige articulée à la biellette de liaison avec l'excentrique, ladite tige étant guidée en translation dans une direction qui intersecte l'axe du cylindre. Dans une première variante, le piston de compresseur est une membrane déformable reliée à sa périphérie à la paroi latérale de la chambre de compression, ladite membrane comportant, de préférence, une ondulation à sa périphérie pour faciliter sa déformation. Dans une deuxième variante, le piston de compresseur est un cylindre rigide déplaçable en translation axiale et muni à sa périphérie d'au moins un segment d'étanchéité.
Cette deuxième forme de réalisation est avantageuse en ce qu'elle ne présente aucun risque de passage d'huile entre le carter et la chambre de compression du compresseur, car il est possible de disposer un joint d'étanchéité ou un soufflet d'étanchéité sur la tige du piston de compresseur.
Dans un mode de réalisation particulier, la chambre de compression est à deux étages situés de part et d'autre du piston de compresseur, un premier étage étant alimenté en mélange carburé ou en air frais par un premier clapet anti-retour ou une soupape, et relié par une tubulure de refoulement munie d'un deuxième clapet anti-retour ou une soupape, au deuxième étage qui communique avec le cylindre par une tubulure d'admission éventuellement munie d'un troisième clapet anti-retour ou une soupape. L'utilisation d'un compresseur à deux étages permet d'obtenir une pression de suralimentation supérieure dans le cylindre. Toutefois, dans ce cas, le rapport volumétrique du cylindre pourra être diminué de façon à ne pas atteindre une pression maximale de combustion qui soit incompatible avec la résistance mécanique du cylindre. Le moteur équipé de ce compresseur bi-étages fonctionnera de manière analogue au système de suralimentation connu de type hyperbar.
Le moteur à deux temps de l'invention peut également être équipé d'un dispositif de récupération de l'énergie des bouffées d'échappement et de recirculation partielle de gaz d'échappement en prévoyant un volume additionnel communiquant avec le cylindre à travers des moyens d'obturation et d'ouverture, dont les mouvements sont commandés de façon synchrone ou déphasable avec ceux du piston de moteur dans le cylindre, de façon que, lors de la phase de détente, les gaz brûlés compriment l'air se trouvant dans le volume additionnel en y pénétrant au moins partiellement, que ce mélange air et gaz brûlés y soit piégé sous pression, puis que ce mélange soit admis dans le cylindre lors de la phase de compression.
Avantageusement, après que le mélange air et gaz brûlés préalablement piégé dans le volume additionnel, ait été admis dans le cylindre, ledit volume additionnel est à nouveau rempli d'air frais en provenance du compresseur.
Selon une autre caractéristique, les moyens d'obturation et d'ouverture précités comportent deux obturateurs rotatifs, par exemple des boisseaux tournants à plusieurs voies, reliés entre eux par le volume additionnel, l'un des obturateurs étant associé au compresseur et l'autre obturateur à l'échappement du cylindre.
De préférence, les deux obturateurs rotatifs sont agencés de façon que se produisent les opérations suivantes : dans un premier temps, lorsque le piston de moteur est au voisinage de son PMH, un flux d'air en provenance du compresseur traverse l'obturateur inférieur associé au compresseur, balaye le volume additionnel, traverse l'obturateur supérieur associé à l'échappement et s'échappe vers l'extérieur par un collecteur d'échappement ; dans un deuxième temps, à partir d'environ la moitié de la course de détente du piston de moteur, d'une part, l'obturateur supérieur met en communication le cylindre avec le volume additionnel pour le remplir d'un mélange air et gaz brûlés sous pression, et d'autre part, le cylindre communique avec l'échappement ; dans un troisième temps, l'obturateur supérieur piège le mélange air et gaz brûlés dans le volume additionnel ; dans un quatrième temps, l'air en provenance du compresseur est admis dans le cylindre, et dans un cinquième temps, au début de la course de compression du piston de moteur, le mélange piégé et sous pression est admis dans le cylindre.
Dans une première variante, l'obturateur supérieur est associé à au moins une soupape d'échappement située au sommet du cylindre et l'obturateur inférieur est relié au cylindre par une canalisation disposée en partie basse du cylindre, de sorte que le volume additionnel soit mis sous pression par son extrémité supérieure au moyen des gaz brûlés provenant de la soupape d'échappement à travers l'obturateur supérieur, et soit vidé dans le cylindre par son extrémité inférieure à travers l'obturateur inférieur.
Dans une deuxième variante, l'obturateur supérieur est relié au cylindre par une canalisation disposée en partie basse du cylindre et l'obturateur inférieur est intercalé sur la canalisation de refoulement entre les deux étages du compresseur, de sorte que le volume additionnel soit mis sous pression au moyen des gaz brûlés provenant du cylindre à travers l'obturateur supérieur et soit vidé dans le cylindre par la canalisation reliée à l'obturateur supérieur.
Avantageusement, pour les moteurs deux ou quatre temps, la canalisation d'admission vers le cylindre et/ou la canalisation de refoulement du compresseur bi-étages est refroidie par tous moyens appropriés.
Le moteur à deux temps peut être du type à balayage en boucle, dans lequel le mélange carburé ou l'air frais est admis à partir du compresseur par une tubulure d'admission débouchant par des lumières en partie basse du cylindre avec une orientation telle que le mélange ou l'air soit introduit avec un mouvement de rotation ascendant en boucle, pendant que les gaz brûlés du cycle précédent sont évacués par des lumières d'échappement disposées également en partie basse du cylindre.
Le moteur à deux temps peut encore être du type uniflow, dans lequel le mélange carburé ou l'air est admis en partie basse du cylindre à travers des lumières d'admission réparties à la base du cylindre et alimentées par une couronne elle-même reliée au compresseur, alors que les gaz brûlés du cycle précédent sont évacués à travers une ou plusieurs soupapes d'échappement prévues au sommet du cylindre.
Enfin, le moteur à deux ou quatre temps peut être du type à soupapes d'échappement et d'admission, dans lequel les soupapes sont situées au sommet du cylindre et la ou les soupapes d'admission sont alimentées par le compresseur.
L'invention s'applique également à un moteur du type à plusieurs cylindres en ligne, dans lequel les compresseurs associés à chaque cylindre sont disposés alternativement sur chaque face du carter cylindre.
Pour mieux faire comprendre l'objet de l'invention, on va en décrire maintenant, à titre d'exemples purement illustratifs et non limitatifs, plusieurs modes de réalisation représentés sur le dessin annexé.
Sur ce dessin :
  • la figure 1 est une vue schématique en coupe verticale d'un premier mode de réalisation du moteur de l'invention, du type à deux temps à balayage en boucle, à compresseur mono-étage et à piston de compresseur basculant avec un agrandissement partiel de ce dernier ;
  • les figures 2A à 2D sont des vues partielles analogues à la figure 1 et en coupe verticale suivant la ligne II sur la figure 3, représentant respectivement le piston de moteur à son PMH, en cours de détente, à son PMB et en cours de compression, pour un moteur à deux temps ;
  • la figure 3 est une vue en coupe suivant la ligne III de la figure 2A ;
  • la figure 4 est une vue analogue à la figure 1, mais suivant une variante dans laquelle le piston de compresseur est à déplacement linéaire, avec un agrandissement partiel de ce dernier ;
  • les figures 5A à 5D sont des vues analogues aux figures 2A à 2D et en coupe verticale suivant la ligne V sur la figure 6A, mais représentant une autre variante, dans laquelle le piston de compresseur est une membrane déformable et le cylindre est équipé d'une bougie d'allumage ;
  • les figures 6A à 6D sont des vues en coupe suivant la ligne VI des figures 5A à 5D respectivement, avec un agrandissement partiel de ladite membrane sur la figure 6A ;
  • la figure 7 est une vue en coupe suivant la ligne VII de la figure 5A ;
  • la figure 8 est une vue analogue à la figure 4, mais représentant un moteur à deux temps à compresseur bi-étages ;
  • la figure 9 est une vue analogue à la figure 8, mais représentant le moteur à deux temps équipé, en outre, d'un système de recirculation partielle des gaz d'échappement ;
  • les figures 10 et 11 sont des vues analogues respectivement aux figures 1 et 4, mais représentent un deuxième mode de réalisation du moteur à deux temps de l'invention du type uniflow ;
  • la figure 12 est une vue analogue à la figure 11, mais représentant le moteur à deux temps équipé d'un compresseur bi-étages ;
  • la figure 13 est une vue analogue à la figure 12, mais représentant le moteur à deux temps équipé, en outre, d'un système de récupération de l'énergie des bouffées d'échappement ;
  • les figures 14 et 15 sont des vues analogues aux figures 1 et 4 respectivement, mais représentent un troisième mode de réalisation du moteur à deux temps de l'invention, du type à soupapes d' échappement et d'admission ;
  • la figure 16 est une vue schématique de dessus d'un moteur à quatre cylindres en ligne selon l'invention ;
  • la figure 17 est une vue analogue à la figure 15, mais représentant un moteur à quatre temps équipé d'un compresseur bi-étages ;
  • les figures 18 à 25 sont des vues partielles et en coupe, analogues à la figure 14, représentant un moteur à quatre temps au cours des différentes phases successives de son cycle.
Pour un souci de clarté, dans toutes les figures, les éléments identiques ou analogues porteront les mêmes chiffres de référence.
Les figures 1 à 9 représentent diverses variantes de l'invention appliquées à un moteur à combustion interne M1 monocylindre à deux temps et à balayage en boucle.
Dans la première variante représentée sur les figures 1 à 3, le moteur M1 comporte un cylindre 1 défini entre le carter cylindre 2 et la culasse 3 du moteur. La culasse 3 comporte un évidemment 3a en partie haute du cylindre 1 pour définir une chambre de combustion, car la représentation proposée est celle d'un moteur à essence. L'invention peut s'appliquer tout aussi bien à un moteur diesel à injection directe ou indirecte.
Dans le cylindre 1, se déplace alternativement un piston de moteur 4 qui définit une chambre de combustion 5 à l'intérieur du cylindre 1 entre la culasse 3 et le piston 4. Le piston de moteur 4 est muni à sa périphérie de segments d'étanchéité 6 représentés sur la figure 1. Une bielle 7 est articulée par son pied de bielle 7a au piston 4 et par sa tête de bielle 7b au maneton 8 d'un vilebrequin 9.
Un excentrique 10 est monté sur l'arbre de vilebrequin 9 et articulé sur une biellette 11 qui est rigidement fixée au centre d'un piston de compresseur 12 en forme de disque. Le piston de compresseur 12 présente à sa périphérie une bordure sphérique 12a munie d'un segment d'étanchéité 13 à bordure également sphérique, qui est immobilisé en rotation par rapport au piston de compresseur, dans une position telle que la fente du segment 13 ne soit pas placée en partie basse du carter 2. Le piston de compresseur 12 se déplace alternativement par basculement à l'intérieur de la chambre de compression 14a d'un compresseur mono-étage 14 attaché au carter 2. La chambre de compression 14a du compresseur 14 est alimentée en mélange carburé ou en air frais par une canalisation d'aspiration 15 munie d'un clapet d'aspiration anti-retour 15a. Le mélange carburé ou l'air frais sous pression est refoulé à partir du compresseur 14 vers une canalisation d'admission 16 munie d'un clapet de refoulement anti-retour 16a. La canalisation d'admission 16 débouche en partie basse du cylindre 1 par une pluralité de lumières 17 qui ont une orientation telle que le mélange ou l'air sous pression soit introduit avec un mouvement de rotation ascendant en boucle dans le cylindre à la manière d'un looping. Le cylindre 1 est muni, en outre, d'une ou plusieurs tubulures d'échappement 18 qui débouchent en partie basse du cylindre, sensiblement au même niveau que les lumières d'admission 17.
Comme visible sur la figure 1, l'excentrique 10 est décalé d'un angle  de l'ordre de 90° par rapport au maneton 8, dans le sens de rotation du vilebrequin, comme indiqué par la flèche F, de façon que le PMH du piston de moteur 4 soit déphasé de 90° par rapport au PMH du piston de compresseur 12. En se référant à la figure 3, on voit que l'axe de la biellette 11 du compresseur 14 est décalé d'une distance d par rapport à l'axe de la bielle 7 du piston de moteur 4.
La cylindrée du cylindre 1 est sensiblement du même ordre de grandeur que la cylindrée du compresseur 14, mais le piston de compresseur 12 présente un diamètre nettement supérieur à celui du piston de moteur 4, de façon que la course de compression c du piston de compresseur 12 soit relativement faible.
Enfin, la canalisation d'admission 16 peut être munie d'un échangeur de chaleur 19, véhiculant un réfrigérant, par exemple de l'eau, ou bien de l'air frais peut être soufflé pour un moteur à refroidissement à air, pour refroidir l'air en sortie du compresseur 14, ce qui permet d'augmenter la masse d'air admise dans le cylindre 1, d'autant plus que la compression de l'air dans le compresseur 14 dégage une grande quantité de chaleur. Toutefois, le refroidissement de la canalisation d'admission 16 est optionnel.
En se référant maintenant aux figures 2 et 3, on voit que le maneton 8 du vilebrequin 9 est muni à l'opposé de la tête de bielle 7b d'une masselotte 20 qui sert de contrepoids.
On a indiqué par des traits interrompus sur la figure 1 les positions du PMH et du PMB du piston de moteur 4.
On a également indiqué, en traits mixtes sur la figure 1, le trajet de l'excentrique 10 et le trajet du maneton 8.
On va maintenant décrire le fonctionnement de ce moteur en référence aux figures 2A à 2D.
Sur la figure 2A, le piston de moteur est en fin de compression, à son PMH, alors que le piston de compresseur 12 est à son PMB, c'est-à-dire dans sa position la plus à droite sur la figure 2A. En cours de détente, sous l'action de la combustion des gaz dans la chambre de combustion 5, le piston de moteur descend, comme illustré sur la figure 2B, après une rotation d'environ 90° du vilebrequin 9, ce qui provoque simultanément le basculement du piston de compresseur 12 autour de sa portion supérieure, engendrant ainsi une première compression dans la chambre de compression 14a. En fin de détente, le piston de moteur 4 arrive à son PMB, découvrant simultanément la tubulure d'échappement 18 et les lumières d'admission 17, après une rotation supplémentaire de 90° du vilebrequin 9. Simultanément, le piston de compresseur 12 bascule autour de sa portion inférieure pour atteindre sa position de compression maximale la plus à gauche dans la chambre de compression 14a, ce qui provoque l'admission de l'air ou du mélange carburé sous pression dans la chambre de combustion 5, chassant ainsi les gaz brûlés vers l'échappement et remplissant le cylindre. Sur la figure 2D, on a représenté le piston de moteur au cours de sa phase de compression, après une rotation supplémentaire de 90° du vilebrequin, ce qui obture à la fois l'échappement et l'admission et provoque le basculement du piston de compresseur 12 autour de sa portion supérieure, et ainsi une première détente de la chambre de compression 14a, l'air frais ou le mélange carburé étant aspiré par la canalisation d'aspiration 15, en raison de la dépression ainsi engendrée dans la chambre 14a. Enfin, lorsque le piston de moteur 4 arrive à son PMH illustré à la figure 2A, après une rotation supplémentaire de 90° du vilebrequin 9, le piston de compresseur 12 bascule autour de sa portion inférieure, pour le ramener vers sa position la plus à droite, l'air frais ou le mélange carburé continuant ainsi à être aspiré dans la chambre de compression 14a. Le cycle de fonctionnement qui vient d'être décrit est ainsi répété successivement.
Comme visible sur les figures 2A à 2D, l'excentrique 10 est formé par un disque monté de manière excentrée sur l'arbre de vilebrequin 9.
Toutefois, en raison du basculement alternatif du piston de compresseur 12, il y a des risques que l'huile contenue dans le carter passe dans la chambre de compression 14a, provoquant une consommation d'huile et une pollution de l'environnement du fait que l'huile est ainsi évacuée vers l'extérieur.
Cet inconvénient est supprimé dans la variante illustrée sur les figures 4 à 7, où le piston de compresseur basculant 12 est remplacé par un piston de compresseur 112 illustré sur la figure 4 qui se déplace alternativement en translation linéaire dans la chambre de compression 14a.
Ce piston de compresseur 112 présente également à sa périphérie un segment d'étanchéité et comporte en son centre une tige 121 rigidement fixée au piston de compresseur 112 et articulée à son extrémité libre à la biellette 11 de liaison avec l'excentrique 10. La tige 121 est guidée en translation par un manchon de guidage 122 qui se raccorde au carter 2 par une cloison verticale 123. Le manchon 122 peut être équipé intérieurement d'une bague d'étanchéité traversée par la tige 121, ou bien en variante un soufflet d'étanchéité S peut être relié entre la tige 121 et ladite cloison verticale 123, ce qui supprime tout risque de passage d'huile entre le carter et le compresseur.
Sur les figures 5 à 7, on voit que le cylindre 1 ainsi que le compresseur 14 sont munis d'ailettes de refroidissement 21.
Au sommet du cylindre 1, est agencée une bougie d'allumage 22.
Le moteur M1 est constitué ici d'un premier bloc qui forme le cylindre 1, d'un deuxième bloc qui forme le carter 2 et d'un troisième bloc qui forme le compresseur 14. De ce fait, le piston de compresseur 112 en forme de disque rigide peut être remplacé par une membrane déformable 212 dont la périphérie est fixée entre les deuxième et troisième blocs précités. Pour faciliter la déformation de membrane 212, une ondulation 212a peut être prévue au voisinage de sa périphérie, comme visible sur la figure 6A.
Comme mieux visible sur les figures 6A à 6D, la tige 121 relie le centre de la membrane déformable 212 à une traverse articulée 124 dont les extrémités libres coulissent dans une rainure 125 prévue dans le carter 2 et sont reliées chacune à deux bras 111, qui s'étendent de part et d'autre de l'axe du compresseur 14. La biellette de liaison à l'excentrique est ainsi formée par l'ensemble de la traverse 124 et des deux bras 111. Les deux bras 111 de la biellette sont montés chacun sur un disque 10 qui est respectivement monté de manière excentrique sur l'arbre 9 du vilebrequin entre la paroi latérale du carter 2 et un bras du maneton 8. Des roulements à aiguilles 22 à 24 sont respectivement prévus au niveau des extrémités libres de la traverse 124, entre chaque bras 111 de biellette et le disque excentrique 10, et au niveau de l'arbre de vilebrequin 9. Toutefois, si la rotation est suffisamment lente, ces roulements peuvent être remplacés par des roulements à billes ou par des bagues de glissement.
Comme visible sur la figure 7, dans ce cas, l'axe du piston de compresseur est centré sur l'axe du piston de moteur, contrairement à la variante du piston de compresseur basculant des figures 1 à 3.
Le cycle de fonctionnement de ce moteur dont le piston de compresseur est monté avec une biellette à crosse, est sensiblement le même que celui du moteur à piston basculant. Lors de la rotation du vilebrequin 9, la traverse 124 se déplace en translation rectiligne dans les rainures 125, ce qui provoque le déplacement de la tige 121 qui engendre une déformation de la membrane 212. Sur la figure 5A, le piston de moteur 4 est à son PMH, et la membrane est déformée en flexion vers la droite en direction du vilebrequin. Sur la figure 5B, le piston de moteur est à mi-course dans sa phase de détente, et la membrane 212 est dans une position sensiblement plane, verticale. Sur la figure 5C, le piston de moteur 4 est à son PMB, et la membrane 212 est déformée en flexion vers la gauche, à l'opposé du vilebrequin. Enfin, sur la figure 5D, le piston de moteur 4 est à mi-chemin dans sa course ascendante de compression, et la membrane 212 est à nouveau dans une position plane, au repos.
A titre d'exemple, le moteur représenté sur les figures 5 à 7 comporte un cylindre 1 ayant un diamètre d'environ 42 mm et une course utile de 38 mm pour le piston de moteur 4, et un compresseur 14 ayant un diamètre de 80 mm, avec une course utile d'environ 8,5 mm pour le piston de compresseur 212.
La variante illustrée sur la figure 8 se distingue de la variante représentée sur la figure 4, essentiellement par le fait que le compresseur 14 comporte une chambre de compression à deux étages 14a et 14b. Le premier étage 14b est formé entre la cloison 123 et le piston de compresseur 112, alors que le deuxième étage 14a est formé de l'autre côté du piston de compresseur 112. Le premier étage 14b comporte en partie haute une tubulure d'aspiration 115 munie d'un clapet anti-retour 115a. Ce premier étage 14b est traversé par la tige 121 du piston de compresseur 112. En partie basse du premier étage 14b, est prévue une canalisation de refoulement intermédiaire 130 qui communique en partie basse du deuxième étage 14a du compresseur 14. Cette canalisation de refoulement intermédiaire 130 est munie d'un clapet anti-retour 130a et d'un système de refroidissement 19. Le deuxième étage 14a du compresseur 14 communique en partie haute avec la tubulure d'admission 16, de manière analogue au compresseur mono-étage décrit sur les figures 1 à 7.
Les différents clapets 115a, 130a et 16a du compresseur 14 et les clapets 118a et 217 du moteur, peuvent être avantageusement remplacés par des soupapes à commande mécanique ou électronique ou hydro-électronique, qui peuvent être gérées par un calculateur numérique, afin de piloter à la demande tous les paramètres moteurs, à savoir le taux de compression dans le compresseur et/ou dans le cylindre moteur, ainsi que les taux de détente.
Bien que la figure 8 représente un piston de compresseur 112 en forme de disque plan rigide, il pourrait tout aussi bien être remplacé par une membrane déformable analogue à celle représentée sur les figures 5 et 6.
Lors de la phase de compression du piston de moteur 4, le piston de compresseur 112 se déplace vers la droite, pour comprimer le premier étage 14b de la chambre de compression, ce qui provoque le refoulement de l'air, via la canalisation 130, vers le deuxième étage 14a. Lors de la phase descendante de détente du piston de moteur 4, le piston de compresseur 112 se déplace vers la gauche, ce qui provoque une surcompression de l'air contenu dans le deuxième étage 14a, qui ne peut revenir en arrière par la canalisation 130, en raison du clapet anti-retour 130a, et s'échappe donc vers la canalisation d'admission 16 à une pression supérieure à celle qui serait obtenue avec un compresseur mono-étage. Simultanément, une dépression est engendrée dans le premier étage 14b, ce qui provoque l'aspiration de l'air à partir de la tubulure d'aspiration 115.
Sur la figure 8, on a indiqué en c la course du piston de compresseur 112.
Sur la figure 9, le moteur de la figure 8 est équipé d'un dispositif de récupération de l'énergie des bouffées d'échappement et de recirculation partielle des gaz d'échappement, dont le principe est décrit en détail dans la demande de brevet français n° 98-07835 du 22 juin 1998 appartenant au présent demandeur.
Un volume additionnel 40, qui peut avoir toute forme appropriée, communique en partie basse avec une canalisation 41 qui débouche sur un obturateur rotatif 42, par exemple, un boisseau tournant à trois voies, qui est intercalé sur la canalisation de refoulement 130 précitée, en aval du clapet 130a. Le volume additionnel 40 communique également, en partie haute, avec une canalisation 43 qui débouche sur un deuxième obturateur rotatif supérieur 44, par exemple un boisseau tournant à trois voies, ce dernier communiquant, d'une part, par une canalisation 45 en partie basse du cylindre 1, et, d'autre part, par une canalisation 46, avec un collecteur d'échappement (non représenté) relié à la tubulure d'échappement 18 précitée.
On va maintenant décrire le fonctionnement du moteur illustré sur la figure 9.
Lorsque le piston de moteur 4 arrive au voisinage de son PMH, en phase de compression, le boisseau inférieur 42 fait communiquer le premier étage 14b du compresseur 14 avec la canalisation 41, tout en obturant le passage vers le deuxième étage 14a, alors que le boisseau supérieur 44 fait communiquer la canalisation 43 avec la canalisation d'échappement 46, tout en obturant le passage vers la canalisation 45 qui débouche en partie basse du cylindre 1. Il en résulte que l'air comprimé par le piston de compresseur 112 dans le premier étage 14b est évacué vers l'échappement, en balayant le volume additionnel 40, le reliquat du mélange air et gaz brûlés se trouvant dans ce volume 40 étant ainsi évacué vers l'extérieur et remplacé par de l'air frais.
Puis, au début de la phase de détente du piston de moteur 4, représentée sur la figure 9, les boisseaux 42 et 44 obturent toute communication, la rotation des boisseaux pouvant être asservie à la rotation du vilebrequin 9, ou bien commandée par une unité centrale de gestion électronique.
Lorsque le piston de moteur 4 arrive sensiblement en fin de détente, le piston de moteur 4 découvre l'ouverture de la canalisation 45 et les gaz en combustion se trouvant sous pression dans le cylindre 1 s'échappent alors par cette canalisation 45 et traversent l'obturateur 44 jusqu'au volume additionnel 40, l'obturateur supérieur 44 étant dans une position d'obturation de la canalisation d'échappement 46. Simultanément, l'obturateur 42 ferme le passage de la canalisation 41, de sorte que les gaz brûlés compriment l'air qui se trouve dans le volume additionnel 40 et y pénètrent partiellement.
Simultanément, ou peu après l'ouverture de la canalisation 45, le piston de moteur 40 découvre également la tubulure d'échappement 18, pour évacuer le reste des gaz brûlés, qui sont chassés par l'air frais sous pression introduit par les lumières d'admission 17 et provenant du deuxième étage 14a du compresseur, sous l'action de compression exercée par le piston de compresseur 112 qui se déplace vers la gauche. Lorsque le piston de moteur 4 arrive à son PMB, le boisseau supérieur 44 obture toute communication et le boisseau inférieur 42 ouvre le passage entre le premier et le deuxième étage du compresseur, tout en maintenant fermé le passage vers la canalisation 41, de sorte que le mélange sous pression air et gaz brûlés, qui se trouvait dans le volume additionnel 40 y est ainsi piégé. Au PMB, le balayage du cylindre 1 se termine et ce dernier commence à se remplir d'air frais à la haute pression délivrée par le compresseur 14.
Lorsque la phase de compression commence dans le cylindre, le piston de compresseur 112 refoule l'air comprimé dans le premier étage 14b vers le deuxième étage 14a, à travers le boisseau inférieur 42 qui maintient ouverte la communication de la canalisation 130, tout en maintenant fermé le passage vers la canalisation 41. Simultanément, le boisseau supérieur 44 ouvre le passage entre le volume additionnel 40 et le cylindre 1, tout en maintenant fermé le passage vers la canalisation d'échappement 46, de sorte que le mélange air et gaz brûlés qui est piégé dans le volume 40 peut s'échapper par les canalisations 43 et 45 dans le cylindre 1, ce qui réalise à la fois une suralimentation dans le cylindre 1 et une récupération de l'énergie des bouffées d'échappement.
Lorsque le piston de moteur 4 dépasse environ la mi-course de sa phase ascendante, la tubulure d'échappement 18 et la canalisation 45 sont obturées par le piston de moteur 4 et les boisseaux 44 et 42 se déplacent progressivement vers la position qui met en communication le premier étage 14b du compresseur avec l'échappement 46.
On notera que, dans ce cas, le compresseur bi-étages 14 présente une efficacité moindre que dans le cas de la figure 8, car une partie de la course de compression du premier étage 14b du compresseur 14 est utilisée pour balayer le volume additionnel 40.
On va maintenant décrire l'application de l'invention à un moteur monocylindre à deux temps du type uniflow M2, en référence aux figures 10 à 13.
Les trois variantes représentées respectivement aux figures 10 à 12 correspondent aux variantes représentées sur les figures 1, 4 et 8 du moteur à balayage en boucle. Dans ces conditions, le fonctionnement du moteur uniflow M2 sera décrit une seule fois pour l'ensemble de ces trois variantes.
Dans un moteur uniflow, tel que représenté sur la figure 10, la canalisation d'admission 16 débouche sur une couronne annulaire 117 entourant la partie basse du cylindre 1, ladite couronne 117 présentant une pluralité de lumières (non représentées) qui débouchent en partie basse du cylindre 1 avec une orientation telle que l'air soit introduit dans le cylindre avec un mouvement de rotation important. La canalisation d'échappement 118 est prévue au sommet du cylindre 1 et comporte au moins une soupape 118a qui est commandée par tout moyen adapté.
Lorsque le piston de moteur 4 se trouve à son PMH, la ou les soupapes d'échappement 118a sont fermées, ainsi que les lumières d'admission qui sont bouchées par le corps du piston de moteur 4. En fin de détente du piston de moteur 4, la ou les soupapes d'échappement 118a s'ouvrent, pour évacuer les gaz brûlés, et le piston de moteur 4 découvre les lumières de la couronne d'admission 117, de sorte que l'air comprimé provenant du compresseur 14 chasse vers le haut les gaz brûlés en direction de l'échappement. Le remplissage du cylindre 1 en air comburant se poursuit jusqu'en début de compression du piston de moteur 4, tant que les lumières d'admission restent découvertes par le piston de moteur 4.
Dans la variante de la figure 13, le moteur M2 est également équipé d'un dispositif de récupération de l'énergie des bouffées d'échappement et de recyclage partiel des gaz d'échappement. Ce dispositif comporte un volume additionnel 140 qui est formé par une canalisation de section adaptée communiquant à ses deux extrémités avec un obturateur rotatif 142, 144 qui peut être constitué par un boisseau tournant à plusieurs voies. Le boisseau supérieur 144 communique, en outre, avec la canalisation d'échappement 118, en aval de la ou des soupapes d'échappement 118a prévues au sommet du cylindre 1, et avec deux autres canalisations 145 et 146 qui aboutissent à un collecteur d'échappement non représenté.
Le boisseau inférieur 142 communique, en outre, avec une canalisation 141 qui débouche en partie basse du cylindre 1, au-dessus de la couronne d'admission 117, et avec la canalisation d'admission 16.
Les mouvements rotatifs des boisseaux 142, 144 sont liés de toutes façons appropriées, connues de l'homme du métier et donc non décrites, au mouvement rotatif du vilebrequin 9, en rapport 1/1 ou différent de 1/1, phasé ou déphasable par rapport au mouvement du vilebrequin.
En outre, sur la figure 13, les positions des deux étages 14a et 14b du compresseur 14 sont inversées par rapport au piston de compresseur 112. En effet, la canalisation d'admission 16 communique avec l'étage 14b qui est situé entre le piston de compresseur 112 et la paroi verticale 123, alors que le premier étage 14a situé du côté du piston de compresseur 112 opposé au vilebrequin 9, est alimenté en air frais via la canalisation d'aspiration 115. De ce fait, le fonctionnement du compresseur 14 est inversé, et le maneton 8 du vilebrequin doit être déphasé d'un angle  d'environ 90° par rapport à l'excentrique 10, dans le sens de rotation F du vilebrequin 9.
Lorsque le piston de moteur 4 est à son PMH, la soupape 118a ou les soupapes d'échappement qui sont éventuellement prévues, sont fermées ainsi que les boisseaux 142 et 144.
Au cours de la phase de détente du piston de moteur 4, la ou les soupapes d'échappement 118a s'ouvrent et l'obturateur supérieur 144 pivote, par exemple dans le même sens que le vilebrequin 9, pour faire communiquer la canalisation d'échappement 118 avec la canalisation 140 formant le volume additionnel. Le boisseau inférieur 142 a également tourné de la même quantité dans le même sens, mais cela n'a amené aucune mise en communication de canalisations. Il en résulte qu'une bouffée de gaz brûlés sous pression est refoulée via la canalisation d'échappement 118 dans la canalisation 140, ce qui comprime l'air s'y trouvant, tout en y introduisant une portion de gaz brûlés, correspondant à la période angulaire de transfert.
Lorsque le piston de moteur 4 atteint une position intermédiaire entre la canalisation 141 et la couronne d'admission 117, la ou les soupapes d'échappement 118a sont toujours ouvertes, mais le boisseau 144 ayant tourné met en communication les canalisations 118 et 145, tout en fermant le passage vers la canalisation 140 ; le boisseau inférieur 142 a également tourné, mais sans réaliser de mise en communication. Il en résulte que le mélange air/gaz brûlés, qui a été introduit précédemment sous pression (environ 3,5 bars à pleine charge) dans la canalisation 140, y est piégé et que les gaz brûlés s'échappent par la canalisation 145 vers le collecteur d'échappement.
Lorsque le piston de moteur 4 arrive à son PMB, l'obturateur supérieur 144, bien qu'ayant continué à tourner, maintient la communication entre les canalisations 118 et 145 ; l'obturateur inférieur 142 a également tourné, mais sans réaliser de mise en communication ; les lumières de la couronne d'admission 117 sont démasquées. Il en résulte que l'air en provenance de l'étage 14b du compresseur 14 exécute un balayage qui évacue les gaz brûlés à travers la ou les soupapes d'échappement 118a et le cylindre 1 se remplit d'air à la pression relativement élevée du compresseur 14. Le mélange air/gaz brûlés est toujours piégé sous pression dans la canalisation 140.
Lorsque le piston de moteur 4 commence sa phase de compression, il vient obturer les lumières de la couronne d'admission 117 et affleure au niveau de la canalisation 141 ; l'obturateur 142 ayant continué à tourner, les canalisations 118 et 145 peuvent être toujours communicantes, mais cela est sans effet car la ou les soupapes d'échappement 118a sont refermées ; le boisseau inférieur 142 met en communication la canalisation 141 avec la canalisation 140. Il en résulte que le mélange air/gaz brûlés, qui était piégé sous pression dans cette canalisation 140, s'échappe et remplit sous pression le cylindre 1. Cela réalise à la fois une suralimentation du cylindre et une recirculation partielle des gaz brûlés, opération connue sous le nom de EGR (Exhaust Gas Recirculation), et qui a pour effet de diminuer les émissions d'oxyde d'azote à bas régime.
Lorsque le piston de moteur 4 poursuit sa compression, jusqu'à obturer la canalisation 141, la ou les soupapes d'échappement 118a restent fermées, et les boisseaux 142, 144 pivotent dans une position où toutes les communications sont interdites.
Lorsque le piston de moteur 4 arrive sensiblement en fin de compression, la ou les soupapes d'échappement 118a restent fermées, mais le boisseau supérieur 144 met en communication la canalisation 140 avec la canalisation 146 ; le boisseau inférieur 142 met en communication la canalisation 140 avec la canalisation d'admission 16. Il en résulte que l'air frais, provenant du compresseur 14, emprunte les canalisations 16, 140 et 146 pour évacuer le mélange résiduel air/gaz brûlés se trouvant dans la canalisation 140 vers l'extérieur.
Lorsque le piston de moteur atteint le PMH, le cycle est prêt à recommencer.
Sur les figures 14 et 15, on a représenté l'application de l'invention à un moteur M3 du type monocylindre à deux temps et à soupapes d'échappement et d'admission.
Les figures 14 et 15 représentent deux variantes qui correspondent aux variantes des figures 10 et 11 du moteur M2 du type uniflow.
La seule différence, qui est commune aux deux variantes, réside dans le fait que la canalisation d'admission 16 débouche au sommet du cylindre 1 où est prévue une ou plusieurs soupapes d'admission 217. Le fonctionnement de ce type de moteur est analogue aux précédents.
Bien que les deux variantes des figures 14 et 15 comportent un compresseur mono-étage, on pourrait également prévoir un compresseur bi-étages (voir moteur du type représenté sur la figure 17) et/ou un dispositif de recirculation partielle des gaz d'échappement, sans sortir du cadre de l'invention.
Sur la figure 17, on a représenté un moteur M4 à compresseur bi-étages qui peut être utilisé aussi bien pour un moteur à deux temps que pour un moteur à quatre temps. Les éléments de ce moteur M4, qui sont identiques à ceux des moteurs précédemment décrits, portent les mêmes chiffres de référence.
Sur les figures 18 à 25, on a représenté les différentes phases du cycle de fonctionnement d'un moteur à quatre temps M4 du type à soupapes d'échappement et d'admission et à compresseur mono-étage comportant un piston de compresseur basculant. Bien entendu, le moteur M4 peut comporter un ou plusieurs cylindres. Le fonctionnement du moteur à quatre temps va maintenant être décrit en référence aux figures 18 à 25.
Sur la figure 18, le piston de moteur 4 est en fin de compression, à son PMH, alors que le piston de compresseur 12 est à son PMB, c'est-à-dire dans sa position la plus à droite sur la figure 18. Dans cette position, la soupape d'admission 217 et la soupape d'échappement 118a sont fermées, ainsi que le clapet d'aspiration 15a et le clapet de refoulement 16a. Le déphasage angulaire entre le maneton 8 et l'excentrique 10 est de l'ordre de 90°, mais ce déphasage est plus précisément calculé en fonction du rendement du compresseur et du taux de remplissage du cylindre. La position illustrée sur la figure 18 correspond à l'allumage du mélange carburé dans la chambre de combustion.
Pour la position illustrée sur la figure 18, la chambre 14a du compresseur 14 est remplie d'air frais, alors que la canalisation d'admission est remplie d'air chaud comprimé.
En cours de détente, sous l'action de la combustion des gaz dans la chambre de combustion 5, le piston de moteur descend, comme illustré sur la figure 19, après une rotation d'environ 150° du vilebrequin 9, ce qui provoque simultanément le basculement du piston de compresseur 12 autour de sa portion supérieure, puis un début de basculement autour de sa portion inférieure, engendrant ainsi une première compression dans la chambre de compression 14a.
Comme illustré sur la figure 18, la rotation du vilebrequin 9 s'effectue dans le sens horaire, illustrée par la flèche F.
Dans la position illustrée sur la figure 19, la chambre de combustion 5 est remplie de gaz brûlés qui commencent à s'échapper par la tubulure d'échappement 118, comme illustré par la flèche F2, à la suite de l'ouverture de la soupape d'échappement 118a qui se déplace dans sa position basse comme illustré sur la figure 19. Le clapet d'admission 15a reste fermé, mais le clapet de refoulement 16a s'ouvre, ce qui permet de refouler l'air comprimé dans la chambre de compresseur 14a vers la canalisation d'admission 16 qui contient déjà de l'air comprimé. Ainsi, on obtient de l'air surcomprimé dans la canalisation d'admission 16, comme illustré par la flèche F1.
En fin de détente, le piston de moteur 4 arrive à son PMB, comme illustré sur la figure 20 après rotation d'environ 30° supplémentaires dans le sens horaire comme indiqué par la flèche F. Dans cette position, le piston de compresseur 12 a terminé de basculer autour de sa portion inférieure pour atteindre sa position de compression maximale la plus à gauche dans la chambre de compression 14a. Le clapet d'admission 15a reste fermé et le clapet de refoulement 16a reste ouvert pour finir de surcomprimer l'air dans la canalisation d'admission 16, comme indiqué par la flèche F1. Dans cette position, les gaz brûlés continuent à s'échapper par la tubulure d'échappement 118, dans la direction de la flèche F2. On a ici atteint le premier temps du cycle à quatre temps du moteur M4.
Lors de la rotation ultérieure du vilebrequin 9, comme illustré sur la figure 21, le piston de moteur 4 au cours de sa phase de compression de la chambre de combustion, vient refouler les gaz brûlés vers la tubulure d'échappement 118. Dans la position illustrée sur la figure 21, le vilebrequin a tourné d'environ 160° supplémentaires. Dans cette position, le piston de compresseur 12 a basculé autour de sa portion supérieure, puis autour de sa portion inférieure, pour atteindre une position de détente de la chambre de compression 14a. Au cours de la phase de détente du compresseur 14, le clapet d'aspiration 15a est ouvert et le clapet de refoulement 16a est fermé, pour aspirer de l'air frais, comme indiqué par la flèche F3 dans la chambre de compression 14a. Simultanément, la soupape d'admission 217 s'ouvre pour admettre l'air comprimé dans la chambre de combustion comme illustré par la flèche F4 et chasser ainsi le reste des gaz brûlés vers la tubulure d'échappement. La figure 22 montre la fin de la course de compression du piston de moteur 4, pour laquelle le vilebrequin 9 a effectué une rotation de 360° par rapport à sa position initiale illustrée sur la figure 18. Dans cette position, le clapet d'aspiration 15a s'est fermé, et les deux soupapes 217 et 118a restent ouvertes. La flèche F4 indique l'admission de l'air chaud comprimé dans la chambre de combustion. La position de la figure 22 illustre le deuxième temps du cycle à quatre temps.
Pour passer à la figure 23, le vilebrequin 9 a pivoté d'une vingtaine de degrés supplémentaires, pour commencer la phase de détente du piston de moteur 4. Dans cette position, la soupape d'échappement 118a s'est refermée, mais la soupape d'admission reste ouverte. Le clapet de refoulement 16a s'ouvre également pour refouler l'air frais contenu dans la chambre de compression 14a dans la canalisation d'admission 16, comme indiqué par la flèche F1. Lorsque le piston de moteur 4 atteint son PMB comme illustré sur la figure 24, c'est-à-dire lors du troisième temps du cycle à quatre temps, la chambre de combustion 5 a été remplie d'air comprimé chaud provenant, d'une part, de l'air comprimé contenu dans la canalisation d'admission 16 et, d'autre part, de l'air comprimé contenu dans la chambre de compression 14a et refoulé par le piston de compresseur 12, étant donné que le clapet de refoulement 16a est resté ouvert. On a ainsi obtenu un double remplissage de la chambre de combustion 5.
Sur la figure 25, on a représenté la rotation supplémentaire du vilebrequin 9 d'environ 30°. Dans cette position, les deux soupapes 217 et 118a sont fermées et on obtient un début de compression de l'air contenu dans la chambre de combustion 5. Le clapet de refoulement 16a est également fermé, mais le clapet d'admission 15a est ouvert pour admettre à nouveau de l'air frais dans la chambre de compression 14a. Au plus tard en fin de course de compression du piston de moteur 4, le carburant peut être injecté dans la chambre de combustion 5. Puis, le piston de moteur 4 atteint son PMH, comme illustré sur la figure 18.
Bien que cela ne soit pas représenté, les différents moteurs de l'invention peuvent être équipés d'injecteurs, pour l'injection directe ou indirecte d'essence ou de diesel, ou bien fonctionner avec des mélanges précarburés.
Enfin, sur la figure 16, on a représenté un moteur M à quatre cylindres 1 en ligne, comportant quatre compresseurs 14 du type mono-étage à piston de compresseur basculant, dont les biellettes 11 sont représentées désaxées par rapport à l'axe du cylindre respectif, les compresseurs 14 étant disposés alternativement sur chaque face latérale du carter cylindre 2.
Bien entendu, l'invention s'applique également à tous types de moteurs, mono ou poly-cylindres, en ligne ou en V.
Bien que l'invention ait été décrite en liaison avec plusieurs modes de réalisation particulier, il est bien évident qu'elle n'y est nullement limitée et qu'elle comprend tous les équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons si celles-ci entrent dans le cadre de l'invention.

Claims (19)

  1. Moteur à combustion interne à deux ou à quatre temps (M, M1, M2, M3, M4), fonctionnant par admission de mélange carburé ou par admission d'air frais avec injection directe ou indirecte de carburant, le moteur comportant au moins un cylindre (1) définissant une chambre de combustion (5) à volume variable, dans laquelle se déplace alternativement un piston de moteur (4) qui est attelé par une bielle (7) au maneton (8) d'un vilebrequin (9), et un compresseur (14) associé à chaque cylindre pour obtenir une suralimentation du cylindre en mélange carburé ou en air frais, caractérisé par le fait que ledit compresseur (14) est un compresseur comportant au moins un étage, dans la chambre de compression (14a, 14b) duquel se déplace un piston de compresseur (12, 112, 212), qui est attelé au vilebrequin (9) par une biellette (11, 111) articulée sur un excentrique (10), ledit excentrique étant monté sur l'arbre dudit vilebrequin (9), et par le fait que l'angle () du dièdre, dont l'arête est formée par l'axe du vilebrequin (9) et dont les deux demi-plans s'étendent respectivement vers l'excentrique (10) et le maneton (8), est de l'ordre de 90° pour obtenir un déphasage entre les points morts hauts (PMH) du piston de moteur (4) et du piston de compresseur (12, 112, 212) associés au même cylindre, déphasage qui assure une pression maximale dans la chambre de compression (14a, 14b) avant l'admission du mélange carburé ou de l'air frais dans la chambre de combustion (5).
  2. Moteur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que, lorsque l'étage (14b) de la chambre de compression, qui communique directement avec le cylindre (1), est situé entre le piston de compresseur (112, 212) et le vilebrequin (9), le maneton (8) est déphasé en avance par rapport à l'excentrique (10) dans le sens de rotation (F) du vilebrequin, et inversement, lorsque l'étage précité (14a) est situé du côté du piston de compresseur (12, 112, 212) opposé au vilebrequin, l'excentrique est déphasé en avance par rapport au maneton dans le sens de rotation du vilebrequin.
  3. Moteur selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que la cylindrée du compresseur (14) est de l'ordre de grandeur de celle du cylindre (1), mais avec un piston de compresseur (12, 112, 212) ayant un diamètre nettement supérieur au diamètre du piston de moteur (4), pour obtenir une faible course de compression (C) du piston de compresseur dans la chambre de compression.
  4. Moteur selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que le piston de compresseur (112, 212) est solidaire en son centre d'une tige (121) articulée à la biellette (111) de liaison avec l'excentrique (10), ladite tige étant guidée en translation dans une direction qui intersecte l'axe du cylindre (1).
  5. Moteur selon la revendication 4, caractérisé par le fait que le piston de compresseur est une membrane déformable (212) reliée à sa périphérie à la paroi latérale de la chambre de compression, ladite membrane comportant, de préférence, une ondulation (212a) à sa périphérie pour faciliter sa déformation.
  6. Moteur selon la revendication 4, caractérisé par le fait que le piston de compresseur est un cylindre rigide (112) déplaçable en translation axiale et muni à sa périphérie d'au moins un segment d'étanchéité.
  7. Moteur selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que le piston de compresseur (12) est rigidement fixé en son centre à la biellette (11) de liaison avec l'excentrique (10), de sorte que le piston de compresseur se déplace dans la chambre de compression (14a) par basculement alternatif autour des parties inférieure et supérieure de la chambre de compression, l'axe du compresseur (14) étant décalé, dans la direction de l'axe du vilebrequin (9), par rapport à l'axe du cylindre (1).
  8. Moteur selon la revendication 7, caractérisé par le fait que le piston de compresseur (12) comporte à sa périphérie une bordure sphérique (12a) munie d'un segment d'étanchéité sphérique (13) qui est de préférence immobile en rotation par rapport au piston de compresseur, dans une position telle que la fente du segment ne soit pas placée en partie basse du compresseur (14).
  9. Moteur selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé par le fait que la chambre de compression est à deux étages (14a, 14b) situés de part et d'autre du piston de compresseur (112, 212), un premier étage (14a ou 14b) étant alimenté en mélange carburé ou en air frais par un premier clapet anti-retour (115a) ou une soupape, et relié par une tubulure de refoulement (130) munie d'un deuxième clapet anti-retour (130a) ou une soupape, au deuxième étage (14b ou 14a) qui communique avec le cylindre (1) par une tubulure d'admission (16) éventuellement munie d'un troisième clapet anti-retour (16a) ou une soupape.
  10. Moteur à combustion interne à deux temps selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé par le fait qu'il est équipé d'un volume additionnel (40, 140) communiquant avec le cylindre (1) à travers des moyens d'obturation et d'ouverture (42, 44 ; 142, 144), dont les mouvements sont commandés de façon synchrone ou déphasable avec ceux du piston de moteur (4) dans le cylindre, de façon que, lors de la phase de détente, les gaz brûlés compriment l'air se trouvant dans le volume additionnel en y pénétrant au moins partiellement, que ce mélange air et gaz brûlés y soit piégé sous pression, puis que ce mélange soit admis dans le cylindre lors de la phase de compression.
  11. Moteur selon la revendication 10, caractérisé par le fait qu'après que le mélange air et gaz brûlés préalablement piégé dans le volume additionnel (40, 140), ait été admis dans le cylindre (1), ledit volume additionnel est à nouveau rempli d'air frais en provenance du compresseur (14).
  12. Moteur selon la revendication 10 ou 11, caractérisé par le fait que les moyens d'obturation et d'ouverture précités comportent deux obturateurs rotatifs (42, 44 ; 142, 144), par exemple des boisseaux tournants à plusieurs voies, reliés entre eux par le volume additionnel (40, 140), l'un (42, 142) des obturateurs étant associé au compresseur (14) et l'autre obturateur (44, 144) à l'échappement du cylindre (1).
  13. Moteur selon la revendication 12, caractérisé par le fait que les deux obturateurs rotatifs sont agencés de façon que se produisent les opérations suivantes : dans un premier temps, lorsque le piston de moteur (4) est au voisinage de son PMH, un flux d'air en provenance du compresseur (14) traverse l'obturateur inférieur (42, 142) associé au compresseur, balaye le volume additionnel (40, 140), traverse l'obturateur supérieur (44, 144) associé à l'échappement et s'échappe vers l'extérieur par un collecteur d'échappement ; dans un deuxième temps, à partir d'environ la moitié de la course de détente du piston de moteur, d'une part, l'obturateur supérieur (44, 144) met en communication le cylindre (1) avec le volume additionnel pour le remplir d'un mélange air et gaz brûlés sous pression, et d'autre part, le cylindre communique avec l'échappement ; dans un troisième temps, l'obturateur supérieur piège le mélange air et gaz brûlés dans le volume additionnel ; dans un quatrième temps, l'air en provenance du compresseur (14) est admis dans le cylindre, et dans un cinquième temps, au début de la course de compression du piston de moteur, le mélange piégé et sous pression est admis dans le cylindre.
  14. Moteur selon les revendications 10 et 13 prises en combinaison, caractérisé par le fait que l'obturateur supérieur (44) est relié au cylindre (1) par une canalisation (45) disposée en partie basse du cylindre et l'obturateur inférieur (42) est intercalé sur la canalisation de refoulement (130) entre les deux étages (14a, 14b) du compresseur (14), de sorte que le volume additionnel (40) soit mis sous pression au moyen des gaz brûlés provenant du cylindre (1) à travers l'obturateur supérieur (44) et soit vidé dans le cylindre par la canalisation (45) reliée à l'obturateur supérieur.
  15. Moteur selon la revendication 13, caractérisé par le fait que l'obturateur supérieur (144) est associé à au moins une soupape d'échappement (118a) située au sommet du cylindre (1) et l'obturateur inférieur (142) est relié au cylindre (1) par une canalisation (141) disposée en partie basse du cylindre, de sorte que le volume additionnel (140) soit mis sous pression par son extrémité supérieure au moyen des gaz brûlés provenant de la soupape d'échappement (118a) à travers l'obturateur supérieur (144), et soit vidé dans le cylindre par son extrémité inférieure à travers l'obturateur inférieur (142).
  16. Moteur selon l'une des revendications 1 à 14, caractérisé par le fait qu'il est du type à balayage en boucle (M1), dans lequel le mélange carburé ou l'air frais est admis à partir du compresseur (14) par une tubulure d'admission (16) débouchant par des lumières (17) en partie basse du cylindre (1) avec une orientation telle que le mélange ou l'air soit introduit avec un mouvement de rotation ascendant en boucle, pendant que les gaz brûlés du cycle précédent sont évacués par des lumières d'échappement (18) disposées également en partie basse du cylindre.
  17. Moteur selon l'une des revendications 1 à 13 et 15, caractérisé par le fait qu'il est du type uniflow (M2), dans lequel le mélange carburé ou l'air est admis en partie basse du cylindre (1) à travers des lumières d'admission réparties à la base du cylindre et alimentées par une couronne (117) elle-même reliée au compresseur (14), alors que les gaz brûlés du cycle précédent sont évacués à travers une ou plusieurs soupapes d'échappement (118a) prévues au sommet du cylindre.
  18. Moteur à combustion interne à deux temps selon l'une des revendications 1 à 13 et 15, ou moteur à combustion interne à quatre temps selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé par le fait qu'il est du type à soupapes d'échappement et d'admission (M3, M4), dans lequel les soupapes (118a, 217) sont situées au sommet du cylindre (1) et la ou les soupapes d'admission (217) sont alimentées par le compresseur (14).
  19. Moteur selon l'une des revendications 1 à 18, caractérisé par le fait qu'il est du type à plusieurs cylindres en ligne (M), dans lequel les compresseurs (14) associés à chaque cylindre (1) sont disposés alternativement sur chaque face du carter cylindre (2).
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