FR3069577A1 - Cylindre de moteur a combustion interne a deux temps - Google Patents

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Gaetano DE PAOLA
Olivier Laget
Thierry Colliou
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Abstract

L'objet de l'invention concerne un cylindre (1) de moteur à combustion interne à deux temps et à balayage équicourant qui comprend une première rangée d'ouvertures (4) supérieures positionnée au-dessus d'une seconde rangée d'ouvertures inférieures (5), et les ouvertures supérieures (4) et inférieures (5) sont séparées par une barrette (9).

Description

La présente invention concerne le domaine des moteurs à combustion interne à deux-temps et à balayage équicourant (ou uniflow en anglais). Dans ce type de moteurs, l’admission de gaz frais s’effectue au travers de lumières (ou ouvertures) aménagées en partie basse d’un cylindre (également appelé chemise), dont l’ouverture est contrôlée par le mouvement axial d’un piston, et l’échappement des gaz brûlés s’effectue par des orifices situés en partie supérieure du cylindre de façon à ce que l’écoulement soit orienté axialement lors d’une phase de balayage, c’est-à-dire quand l’admission et l’échappement sont simultanément ouverts. L’invention concerne plus particulièrement les cylindres constitutifs de ce type de moteurs.
Afin d’améliorer le rendement du moteur, on connaît le document DE754166A qui décrit un moteur à combustion à deux-temps comprenant des lumières positionnées en partie basse du cylindre. Le cylindre comprend ici deux rangées de lumières superposées et qui sont séparées par une barrette.
Outre le fait que les taux de balayage (dénommé scavenging ratio en anglais) et de charge (dénommé charging ratio en anglais) du moteur restent faibles dans le cas de ces moteurs, la séparation des deux rangées de lumières par une barrette induit d’une part une diminution de la surface débitante du fait de la barrette et d’autre part limite la longévité mécanique de l’ensemble en raison du frottement des segments induit par le déplacement axial du piston dans le cylindre.
Afin de pallier aux inconvénients mentionnés précédemment, un premier aspect de l’invention consiste donc à développer un cylindre comprenant deux rangées d’ouvertures qui permet d’avoir une surface débitante de gaz optimale et une longévité mécanique améliorée. La surface débitante optimale, assurée par la barrette permet également un balayage optimal des gaz brûlés, un bon remplissage des gaz et un contrôle du mouvement de rotation axiale des gaz dans le cylindre.
A cet effet, l’invention concerne un cylindre de moteur à combustion interne à deuxtemps à balayage équicourant qui comprend une paroi périphérique qui s’élève le long d’un axe de révolution de manière à former une chemise cylindrique dans laquelle coulisse un piston et une première rangée circulaire d’au moins deux ouvertures supérieures positionnée au-dessus d’une seconde rangée circulaire d’au moins deux ouvertures inférieures.
L’invention se caractérise plus précisément par le fait que les ouvertures inférieures et les ouvertures supérieures sont séparées par une barrette contenue dans la paroi périphérique du cylindre, et que ladite barrette comprend un chambrage qui court à partir du côté intérieur du cylindre vers l’extérieur de celui-ci sur une longueur L de manière à obtenir une section interne d’une hauteur H3 sur le côté intérieur de la barrette.
La barrette séparant les rangées inférieure et supérieure est chambrée de façon à éviter le frottement des segments sur la barrette. Cela permet en outre d’accroitre la surface débitante de l’écoulement et ainsi d’améliorer la perméabilité des lumières.
Selon un aspect de l’invention chaque ouverture supérieure est orientée selon un premier axe relatif de direction X-X’ qui forme un premier angle (a1) d’orientation horizontale avec un plan P2 vertical et chaque ouverture inférieure est orientée selon un deuxième axe relatif de direction Y-Y’ qui forme un deuxième angle (a2) d’orientation horizontale avec un plan P3 vertical de manière à ce que les ouvertures supérieures et les ouvertures inférieures soient orientées horizontalement. Les plans P2 et P3 verticaux passent d’une part par l’axe de révolution (Δ) du cylindre et d’autre part, au niveau des ouvertures, par une section d’admission des gaz respective à chaque ouverture.
L’effet d’avoir un angle horizontal pour les ouvertures supérieures permet de générer un mouvement de rotation axiale à l’écoulement en vue de favoriser le mélange pendant la phase de combustion. Cela permet en outre d’assurer le balayage des gaz brûlés à proximité de la chemise et d’assurer l’horizontalité et la planéité de l’interface séparant les gaz frais des gaz brûlés pendant le balayage. Les effets de l’angle horizontal des ouvertures inférieures sont de modérer le mouvement de rotation axiale généré par la rangée supérieure, et d’assurer ainsi le remplissage des gaz frais.
Selon un aspect de l’invention, l’axe relatif de direction X-X’ des ouvertures supérieures forme avec un plan P1 transversal à la largeur du cylindre un premier angle (Θ1) d’orientation verticale et l’axe relatif de direction Y-Y’ des ouvertures inférieures forme avec le plan P1 un deuxième angle (Θ2) d’orientation verticale de manière à ce que les ouvertures supérieures ou inférieures soit dirigées vers le haut ou vers le bas du cylindre.
Ainsi le fait que les ouvertures de la rangée supérieure soit orientées verticalement a pour effet de permettre le balayage des gaz brûlés à proximité du piston. Le fait que les ouvertures de la rangée inférieure soit dirigées vers le haut du cylindre a pour effet d’assurer le remplissage du cylindre.
Selon un aspect de l’invention, l’ouverture supérieure comprend une section d’admission de hauteur H1 et une section de sortie de hauteur H1’ inférieure de 10 à 30 % à la hauteur H1 de manière à avoir une forme convergente de l’ouverture supérieure.
La forme de l’ouverture supérieure est convergente de façon à repousser la surface débitante minimale à l’extrémité du canal de jonction.
Selon un aspect de l’invention, l’ouverture inférieure comprend une section d’admission de hauteur H2 et une section de sortie de hauteur H2’ inférieure de 10 à 30 % à la hauteur H2 de manière à avoir une forme convergente de l’ouverture inférieure.
De la même manière que précédemment, la forme de l’ouverture inférieure peut être convergente de façon à repousser la surface débitante minimale à l’extrémité du canal de jonction.
Selon un aspect de l’invention, la hauteur H1 est comprise entre 20 et 30% d’une hauteur totale H définie par l’addition de H1, H2 et H3, la hauteur H2 est comprise entre 60 et 70% de la hauteur totale H, et la hauteur H3 de la barrette est approximativement de 10% de la hauteur totale H.
Un deuxième aspect de l’invention concerne également un moteur à combustion interne à deux-temps et à balayage équicourant qui comprend au moins un cylindre tel que décrit précédemment.
L’intérêt d’avoir un moteur comprenant de tels cylindres est qu’il a des performances améliorées.
Présentation succincte des figures
D'autres caractéristiques et avantages du dispositif selon l'invention, apparaîtront à la lecture de la description ci-après d'un exemple non limitatif de réalisation, en se référant aux figures annexées et décrites ci-après.
La figure 1 est une vue en perspective du bas du cylindre selon un mode de réalisation de l’invention,
La figure 2 est une vue en coupe de côté selon deux plans P2 et P3,
La figure 3 est une vue de face de l’intérieur du bas du cylindre selon un mode de réalisation de l’invention,
La figure 4 est une vue en coupe du cylindre de la figure 3 selon un plan P1,
La figure 5 est une vue en coupe du cylindre de la figure 3 selon un plan P1.
Description détaillée de l'invention
La figure 1 représente, schématiquement et de manière non limitative, un cylindre 1 (qui peut également être appelé chemise) de moteur à combustion interne à deux-temps et à balayage équicourant et plus particulièrement la partie basse du cylindre 1. Classiquement ce cylindre 1 est composé d’une paroi périphérique 3 qui s’élève, selon un axe de révolution Δ, sur une certaine distance qui est fonction des dimensions du moteur. Dans certains cas la paroi périphérique 3 s’élève jusqu’à une culasse (non représentée) qui ferme le haut du cylindre 1 et qui intègre des soupapes (non représentées). D’autres cas peuvent également se présenter comme celui de moteurs à pistons opposés où le haut du cylindre 1 n’est pas fermé par la culasse. Le bas du cylindre 1 comprend une double rangée de lumières (également appelées ouvertures) convergentes inclinées horizontalement et/ou verticalement. Le cylindre 1 intègre en son sein un piston mobile (non représenté). La figure 2 représente une vue en coupe, selon deux plans P2 et P3, d’une ouverture supérieure 4 et d’une ouverture inférieure 5. La vue en coupe selon A-A’ est une vue de côté dans le plan P2 d’une des ouvertures supérieure 4 de la rangée supérieure et est visualisable sur la partie haute de la figure 2. La vue en coupe selon B-B’ est une vue de côté dans le plan P3 d’une des ouvertures inférieures 5 de la rangée inférieure et est visualisable sur la partie basse de la figure 2. En lien avec les figures 1 et 2, la paroi 3 du cylindre 1 comprend les ouvertures supérieures 4 et inférieures 5. Les ouvertures supérieures 4 et inférieures 5 traversent la paroi périphérique 3 du cylindre 1. Chaque ouverture (4,5) est composée d’une section d’admission 6 comprenant un centre C. Cette section d’admission 6 est la surface par laquelle les gaz vont rentrer dans les ouverture (4,5). Chaque ouverture (4,5) est également composée d’une section de sortie 7 des gaz comportant un centre C’. Cette section de sortie 7 est positionnée sur la paroi 3 du cylindre 1 à l’opposé de la section d’admission 6 et correspond à la surface par laquelle les gaz vont être admis dans le cylindre 1. Entre ces deux sections on trouve un canal 8 de jonction qui a pour but de relier lesdites sections (6,7) entre elles. Les gaz vont emprunter ce canal 8 de jonction. Le plan P2 défini précédemment est le plan qui passe par l’axe de révolution Δ du cylindre 1 et par le centre Cde la section d’admission 6 de l’ouverture supérieure 4 et le plan P3 introduit plus haut est le plan qui passe par l’axe de révolution Δ du cylindre 1 et par le centre Cde la section d’admission 6 de l’ouverture inférieure 5. Les ouvertures supérieures 4 sont orientées selon un premier axe relatif de direction X-X’. Cet axe relatif de direction s’étire du centre C de la section d’admission 6 au centre C’ de la section de sortie 7 sensiblement parallèlement au canal 8 de jonction. Il est propre à chaque ouverture supérieure 4. Les ouvertures inférieures 5 sont quant à elles orientées selon un deuxième axe relatif de direction Y-Y’ qui s’étire du centre C de leur section d’admission 6 au centre C’ de leur section de sortie 7 et ceci sensiblement parallèlement au canal 8 de jonction des ouvertures inférieures 5. De la même manière chaque ouverture inférieure 5 comprend son propre axe de direction.
Toujours en lien avec les figures 1 et 2, la première rangée d’ouvertures comprend une alternance d’ouvertures supérieures 4 dans la paroi périphérique 3 du cylindre 1 et chaque ouverture 4 est orientée selon l’axe relatif de direction X-X’ qui lui est propre. En dessous de cette première rangée d’ouvertures, le cylindre 1 comprend une seconde rangée d’ouvertures qui comprend également une alternance d’ouvertures inférieures 5 dans la paroi périphérique 3 du cylindre 1 et qui sont orientées selon l’axe relatif de direction Y-Y’ qui lui est propre. Dans des variantes de réalisation, le nombre d’ouvertures supérieures 4 et inférieures 5 peut être le même ou le nombre d’ouvertures supérieures 4 peut être supérieur ou inférieur au nombre d’ouvertures inférieures 5 sans sortir pour autant du cadre de l’invention.
Dans le cadre de l’invention, l’axe relatif de direction X-X’ des ouvertures supérieures 4 forme avec un plan P1 un premier angle (Θ1 ). Cet angle, appelé angle d’orientation verticale, est choisi de manière à ce que le canal 8 de jonction des ouvertures supérieures 4 soit dirigé verticalement dans le cylindre 1, et plus précisément vers le bas du cylindre 1. Le plan P1 est un plan qui est transversal à la largeur du cylindre 1 et perpendiculaire à l’axe de révolution Δ, comme visible sur les figures 2 et 3. L’axe relatif de direction Y-Y’ des ouvertures inférieures 5 forme avec le plan P1 un deuxième angle (Θ2) d’orientation verticale de manière à ce que le canal 8 de jonction des ouvertures inférieures 5 soit dirigé également verticalement et notamment vers le haut du cylindre 1.
Dans un exemple de réalisation non limitatif, le premier angle (Θ1) d’orientation verticale est compris préférentiellement entre -5° et -30° et le deuxième angle (Θ2) d’orientation verticale est compris préférentiellement entre 5° et 30°. Bien entendu ces angles peuvent varier en fonction du nombre d’ouvertures supérieures 4 et inférieures 5 et ne sont pas limités à ces plages angulaires. Dans une variante de réalisation des angles, le premier angle (Θ1) d’orientation verticale peut être compris entre 5° et 30° tandis que le deuxième angle (02) d’orientation verticale peut être compris entre -5° et -30°.
Comme visible à la figure 2, la section d’admission 6 de l’ouverture supérieure 4 a une hauteur H1. La section de sortie 7 de l’ouverture supérieure 4 a une hauteur H1’. La hauteur ΗΊ est inférieure de 10 à 30 % à la hauteur H1 ce qui permet d’avoir une forme convergente vers l’intérieur du cylindre 1 du canal 8 de jonction et plus particulièrement de l’ouverture supérieure 4.
Il en est de même pour la section d’admission 6 de l’ouverture inférieure 5 qui a une hauteur H2 qui est supérieure de 10 à 30 % à la hauteur H’2 de la section de sortie 7 de l’ouverture inférieure 5 et ceci toujours dans le but d’avoir une forme convergente de l’ouverture inférieure 5.
La première rangée d’ouvertures ainsi que la deuxième rangée d’ouvertures sont séparées par une barrette 9 visible sur la figure 2. La barrette 9 est contenue dans la paroi périphérique 3 du cylindre et comprend un évidemment, ou chambrage, qui court à partir du côté intérieur du cylindre 1 vers l’extérieur de celui-ci sur une longueur L. Cette longueur L peut être de quelques millimètres à quelques centimètres et va dépendre de l’épaisseur de la paroi 3 du cylindre 1 mais aussi de la taille des sections de sortie des ouvertures. L’évidemment laisse apparaître une section 10 interne sur le côté intérieur de la barrette 9. Cette section 10 a une hauteur H3.
Le chambrage est appliqué de façon à éviter le contact entre la barrette 9 et la segmentation d’une part et à éviter une réduction de la surface débitante d’autre part.
Dans différents cas de réalisation, on peut avoir un profil de la barrette 9 qui soit conforme avec l’orientation des ouvertures et notamment avoir un profil rectangulaire, carré ou en forme d’aile d’avion.
La hauteur totale H du dispositif des ouvertures est donnée par l’addition des hauteurs des sections de sortie 7 et de la hauteur de la section 10 interne de la barrette 9, soit l’addition de H1, H2 et H3. Dans le mode de réalisation de l’invention, la rangée supérieure a une hauteur H1 de 20 à 30% de la hauteur totale H, la rangée inférieure a une hauteur H2 de à 70% de la hauteur totale H et la hauteur de la section 10 interne de la barrette 9 séparant les rangées supérieure et inférieure a une hauteur H3 de 10% environ de la hauteur totale H.
Les ouvertures supérieures 4 et inférieures 5 ont également une orientation horizontale qui est représentée sur les figures 3 à 5. A cet effet la figure 3, représente une vue de face de l’intérieur du bas du cylindre 1 qui laisse apparaître les sections de sortie 7 des ouvertures supérieures 4 et inférieures 5 et indirectement la section 10 interne de la barrette 9 (non visible dans la mesure où celle-ci se situe en retrait par rapport aux autre sections (6,7)). Les figures 4 et 5 sont des coupes dans le plan P1 de la figure 3. Les ouvertures 4 de la rangée supérieure sont orientées tangentiellement de façon à induire un mouvement de rotation axiale (ou de swirl) à l’écoulement dans le cylindre 1 et les ouvertures de la rangée inférieure 5 ont un angle horizontal nul ou négatif de façon à assurer le remplissage et à modérer le swirl généré par les ouvertures de la rangée supérieure 4.
A cet effet le premier axe relatif de direction X-X’ forme un premier angle (cri), appelé angle d’orientation horizontale, avec le plan P2, comme visible sur la figure 4 qui est une vue en coupe de dessus selon C-C’ dans le plan P1 de la figure 3 des ouvertures supérieures 4.
Cet angle d’orientation horizontale est choisi de manière à ce que le canal 8 de jonction des ouvertures soit dirigé horizontalement. Autrement dit, la direction du canal de jonction peut être décalée par rapport à l’axe de révolution Δ du cylindre 1. Le premier angle (cri ) d’orientation horizontale est compris entre 20° et 60°.
Le deuxième axe relatif de direction Y-Y’ forme un deuxième angle (a2) d’orientation horizontale avec le plan P3, comme visible sur la figure 5 qui est une vue en coupe de dessus selon D-D’ dans le plan P1 des ouvertures inférieures 5.
Selon un exemple de réalisation, le deuxième angle (a2) d’orientation horizontale est compris entre -20° et 0°. La plage angulaire peut bien évidemment être ajustée selon le nombre d’ouvertures inférieures 5. Dans une variante de réalisation des angles, le premier angle d’orientation horizontale peut être compris entre -20° et -60° tandis que le deuxième angle d’orientation horizontale peut être compris entre 20° et 0°.
L’invention fonctionne de la manière suivante : le processus d’échange de gaz, dit balayage, est caractérisé par une quasi-simultanéité des phases d’admission et d’échappement où les gaz brûlés dans le cylindre 1 sont poussés par les gaz frais issus de l’admission. L’admission de gaz frais dans le cylindre 1 est assurée par les ouvertures inférieures 5 du cylindre 1 qui sont successivement découvertes et masquées par le déplacement du piston.
Comme les ouvertures supérieures 4 sont orientées tangentiellement, on a un effet de mouvement de rotation axiale pour les gaz admis à l’écoulement dans le cylindre 1 et comme les ouvertures inférieures 5 ont un angle horizontal nul ou négatif, on a dans le même temps le remplissage du cylindre 1 qui est réalisé et le mouvement de rotation axiale est atténué et maîtrisé. Aussi comme la barrette 9 séparant les ouvertures (4,5) est évidée on évite le frottement des segments du piston sur la barrette 9 et la surface débitante disponible aux gaz admis est maximisée. Les deux types d’ouvertures (4,5) ayant une forme convergente, on peut, dans le processus de fonctionnement du moteur, repousser la surface débitante minimale à l’extrémité de la barrette 9. Le fonctionnement d’un tel moteur s’effectue en trois phases.
Dans un premier temps les ouvertures supérieures 4 sont découvertes et les gaz frais sont admis tangentiellement dans le cylindre.
Dans un second temps, les ouvertures supérieures 4 et inférieures 5 sont découvertes et on obtient une baisse du mouvement de rotation axiale, un remplissage et une ascension de l’interface séparant les gaz frais les gaz brûlés.
Dans un troisième temps, seules les ouvertures supérieures 4 sont découvertes et sont progressivement fermées par la montée du piston.
Un tel moteur présente ainsi un balayage des gaz brûlés plus performant que les moteurs de l’état de l’art, notamment sur la périphérie du cylindre 1.
Selon le mode de réalisation de l’invention, ou selon d’autres modes de réalisation, les ouvertures supérieures 4 ou inférieures 5 peuvent être disposées entre elles en quinconce ou alignées sans que la qualité du balayage ne soit affectée.
En outre, l’intérêt d’un tel moteur réside dans le fait que le niveau de l’effet de mouvement de rotation axiale est ajustable et contrôlable soit par le calibrage de l’angle des ouvertures supérieures 4, soit par le calibrage des hauteurs de ces mêmes ouvertures, soit encore par le calibrage de l’angle des ouvertures inférieures 5 ou par le calibrage des hauteurs de ces mêmes ouvertures inférieures.
Comme il va de soi, l’invention ne se limite pas à la seule forme de réalisation des ouvertures, décrites ci-dessus à titre d’exemple, elle embrasse au contraire toutes les variantes de réalisation.

Claims (7)

  1. REVENDICATIONS
    1) Cylindre (1) de moteur à combustion interne à deux-temps à balayage équicourant, ledit cylindre (1) comprenant :
    - une paroi périphérique (3) qui s’élève le long d’un axe de révolution (Δ) de manière à former une chemise cylindrique dans laquelle coulisse un piston,
    - une première rangée circulaire d’au moins deux ouvertures supérieures (4) positionnée au-dessus d’une seconde rangée circulaire d’au moins deux ouvertures inférieures (5), caractérisé en ce que les ouvertures inférieures (5) et les ouvertures supérieures (4) sont séparées par une barrette (9) contenue dans la paroi périphérique (3) du cylindre (1), ladite barrette (9) comprenant un chambrage qui court à partir d’un côté intérieur du cylindre (1) vers un côté extérieur de celui-ci sur une longueur L de manière à obtenir une section interne (10) d’une hauteur H3 sur le côté intérieur de la barrette (9).
  2. 2) Cylindre (1) de moteur à combustion selon la revendication précédente caractérisé en ce que chaque ouverture supérieure (4) est orientée selon un premier axe relatif de direction X-X’ qui forme un premier angle (a1) d’orientation horizontale avec un plan P2 vertical et chaque ouverture inférieure (5) est orientée selon un deuxième axe relatif de direction Y-Y’ qui forme un deuxième angle (a2) d’orientation horizontale avec un plan P3 vertical de manière à ce que les ouvertures supérieures (4) et les ouvertures inférieures (5) soient orientées horizontalement, lesdits plans P2 et P3 verticaux passent d’une part par l’axe de révolution (Δ) du cylindre 1 et d’autre part, au niveau des ouvertures, par une section d’admission 6 des gaz respective à chaque ouverture.
  3. 3) Cylindre (1) de moteur à combustion selon la revendication précédente caractérisé en ce que le premier axe relatif de direction X-X’ des ouvertures supérieures (4) forme avec un plan P1 transversal à la largeur du cylindre (1) un premier angle (Θ1) d’orientation verticale et l’axe relatif de direction Y-Y’ des ouvertures inférieures (5) forme avec le plan P1 un deuxième angle (Θ2) d’orientation verticale de manière à ce que les ouvertures supérieures (4) ou inférieures (5) soient dirigées respectivement vers le haut et vers le bas du cylindre (1).
  4. 4) Cylindre (1) de moteur à combustion selon l’une des revendications précédentes caractérisé en ce que les ouvertures supérieures (4) comprennent une section d’admission (6) de hauteur H1 et une section de sortie (7) de hauteur ΗΓ inférieure de 10 à 30 % à la hauteur H1 de manière à avoir une forme convergente des ouvertures
    5 supérieures (4) qui soit dirigée vers l’intérieur du cylindre (1 ).
  5. 5) Cylindre (1) de moteur à combustion selon l’une des revendications précédentes caractérisé en ce que les ouvertures inférieures (5) comprennent une section d’admission (6) de hauteur H2 et une section de sortie (7) de hauteur H2’ inférieure de 10 à 30 % à la hauteur H2 de manière à avoir une forme convergente des ouvertures
    10 inférieures (5) qui soit dirigée vers l’intérieur du cylindre (1 ).
  6. 6) Cylindre (1) de moteur à combustion selon les revendications 4 et 5 caractérisé en ce que la hauteur H1 est comprise entre 20 et 30% d’une hauteur totale H définie par l’addition des hauteurs H1, H2 et H3, la hauteur H2 étant comprise entre 60 et 70% de la hauteur totale H, et la hauteur H3 de la barrette (9) étant approximativement de 10%
    15 de la hauteur totale H.
  7. 7) Moteur à combustion interne à deux-temps et à balayage équicourant caractérisé en ce qu’il comprend au moins un cylindre (1) selon l’une des revendication précédentes.
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