L'utilisation de moteurs à explosion à deux temps se traduit, par rapport à celle de moteurs à explosion à quatre temps, par une série d'avantages et de désavantages bien connus dans l'art en question.
En particulier, à même cylindrée et pour une vitesse de rotation identique de l'arbre moteur, les premiers permettent d'obtenir un nombre d'explosions motrices par unité de temps qui est double de celui susceptible d'être produit avec les seconds mais cela avec un rendement énergétique inférieur. Cette diminution du rendement énergétique dépend essentiellement du peu de temps dont dispose un moteur à deux temps pour admettre le carburant, pour réaliser la combustion du mélange obtenu ainsi que pour évacuer les gaz brûlés.
La présente invention se propose de créer un moteur thermique altematif présentant les avantages du moteur à deux temps traditionnel tout en obviant aux inconvénients de celui-ci résultant du temps réduit à disposition pour la combustion du mélange comburant-carburant et permettant l'utilisation dans des machines thermiques de carburants liquides ou gazeux à basse teneur calorifique ou difficilement inflammables, tout en assurant une combustion intégrale de ceux-ci.
A cet effet, I'invention a pour objet un moteur thermique se caractérisant par le fait qu'il comprend une source d'air comprimé, un cylindre et son piston coulissant, un ensemble bielle-manivelle reliant le piston à un arbre rotatif, au moins deux chambres de combustion, un premier et un second conduit associés à chaque chambre de combustion et reliant la chambre respective à ladite source d'air et au cylindre respectivement, une premiére et une seconde soupape associées à chaque chambre de combustion et disposées, la première entre la chambre respective et la source d'air, la seconde entre la chambre et le cylindre, un dispositif d'injection de carburant dans chaque chambre et un organe d'allumage de ce carburant, des moyens pour actionner chaque dispositif d'injection et chaque organe d'allumage,
un conduit pour relier le cylindre avec l'atmosphère extérieure, une soupape reliant le cylindre à ce conduit, et des moyens de commande desdites soupapes.
L'invention a également pour objet un procédé de mise en action de ce moteur, qui est caractérisé par le fait que, dans un premier temps, correspondant au déplacement du piston dans le cylindre de son point mort bas (PMB) vers son point mort haut (PMH), on introduit une charge d'air comprimé dans la première desdites chambres de combustion, on laisse se poursuivre, dans la seconde chambre, une combustion à volume constant commencée lors du cycle précédent et on met en liaison le cylindre avec l'at mosphère, dans un deuxième temps, correspondant au déplacement du piston de son PMH, vers son PMB, on injecte une charge de carburant dans la première chambre, on allume le mélange de carburant et d'air comprimé que contient cette chambre de manière à obtenir une combustion à volume constant de ce mélange, on interrompt la liaison du cylindre avec l'atmosphère,
on met en communication la seconde chambre de combustion et le cylindre de manière à obtenir une combustion à volume variable dans la seconde chambre et dans le cylindre et, partant, une poussée motrice sur le piston, dans un troisième temps, correspondant à un nouveau déplacement du piston de son PMB vers son PMH, on laisse se poursuivre, dans la première chambre, la combustion à volume constant commencée lors du temps précédent, on introduit une charge d'air comprimé dans la deuxième chambre et on met en liaison le cylindre avec l'atmosphère, et, dans un quatrime et dernier temps, correspondant à un nouveau déplacement du piston de son PMH vers son PMB, on met en communication la première chambre de combustion et le cylindre de manière à obtenir une combustion à volume variable dans la première chambre et dans le cylindre et, partant, une seconde poussée motrice sur le piston,
on injecte une charge de carburant dans la seconde chambre, et on allume le mélange de carburant et d'air comprimé que contient cette chambre de manière à obtenir une combustion à volume constant du mélange.
Une forme d'exécution du moteur objet de l'invention sera dé crite, à titre d'exemple, en se référant au dessin annexé, dans lequel:
La fig. 1 montre un schéma bloc du moteur, et
la fig. 2 un diagramme explicatif du fonctionnement.
Le moteur thermique, dont le schéma est représenté à la fig. 1, comprend un compresseur d'air Co, qui peut être soit du type à piston soit du type rotatif, deux chambres de combustion à volume constant C1 et C2, reliées au compresseur Co par un conduit tl et par un conduit t2 respectivement, et un cylindre-moteur à piston M relié aux chambres C1 et C2 par des conduits t3 et t4 respectivement.
L'entrée d'air comprimé, provenant du compresseur Co, à l'intérieur des deux chambres de combustion C1 et C2 peut être interrompue par actionnement, dans le sens de la fermeture, de soupapes S1 et S2 respectivement, disposées à l'extrémité aval des conduits tl et t2, respectivement.
Ces soupapes sont, à cet effet, soumises à l'action de cames K1 et K2 calées sur des arbres 11 et 12 respectivement, entraînés, à partir de l'arbre Ar du moteur M, par un arbre 10 commandé par celui-ci.
Bien que les chambres C1 et C2 aient été représentées sous forme de rectangles, il va de soi qu'elles présenteront en réalité une forme particulièrement adaptée à leur fonction. Elles pourront, notamment, être sphériques totalement ou partiellement. En outre, elles seront avantageusement disposées le plus près possible du cylindre-moteur M, voire être fixées directement sur la culasse de celui-ci. En pareil cas, les conduits t3 et t4 auront évidemment une longueur particulièrement réduite, de quelques centimètres par exemple.
L'écoulement de fluide gazeux de l'une ou l'autre chambre C1 et C2 au travers des conduits t3 et t4 respectivement peut être interrompu par actionnement, dans le sens de la fermeture, de deux soupapes S3 et S4 disposées à l'extrémité aval des conduits t3 et t4 respectivement. En variante, non représentée, ces soupapes pourraient également être disposées à l'extrémité amont desdits conduits.
Les soupapes S3 et S4 sont soumises à l'action de cames K3 et K4 calées sur des arbres 13 et 14 respectivement, ces arbres étant, eux aussi, entrainés, à partir de l'arbre Ar par l'arbre 10.
Les chambres C1 et C2 portent chacune un injecteur de carburant, li et 12 respectivement, et un organe d'allumage de ce carbuant, Al et A2 respectivement, I'injecteur et l'organe d'allumage attribués à chaque chambre étant actionnés par une came propre, K6 et K7 respectivement, montée sur un arbre. 16 et 17 respectivement, entraîné par l'arbre 10.
Les injecteurs 11 et 12 peuvent, par exemple, être de construction très analogue à celle des injecteurs de moteur Diesel.
Les organes d'allumage Al et A2 peuvent revêtir la forme de bougies d'allumage du genre utilisé traditionnellement dans les moteurs à explosion par exemple.
Chaque injecteur est alimenté en carburant liquide sous pression à partir d'une source de ce carburant, non représentée.
Les organes d'allumages Al et A2 sont alimentés en énergie électrique à partir d'une source de courant à tension relativement haute, non représentée, par exemple une source telle qu'on en utilise dans les voitures automobiles.
Le cylindre-moteur M présente un cylindre, un piston et un embiellage de construction générale correspondant sensiblement à celle des moteurs à explosion traditionnels, que ce soit à deux ou à quatre temps. Comme dans ces derniers, son cylindre présente évidemment une fenêtre d'expulsion des gaz brûlés, non représentée, dont l'ouverture peut être obturée grâce à une soupape Ss ou être mise en liaison avec une conduite d'échappement t5.
La soupape Ss est soumise à l'action d'une came K5 montée sur un arbre 15 entraîné à partir de l'arbre 10.
Dans une variante, non représentée, il serait possible de monter les différentes cames K1 à K7 sur un arbre à cames unique, commandé par l'arbre moteur Ar.
Il est encore à remarquer que, lorsque le compresseur Co est un compresseur à piston, celui-ci pourra être entraîné directement par le cylindre-moteur M, ces deux machines devant toutefois être accouplées de manière que le piston de chacune d'elles se déplace simultanément de son point mort haut (PMH) vers son point mort bas (PMB) et vice versa.
Voyons maintenant comment fonctionne le moteur thermique décrit et reportons-nous, à cet effet, au diagramme faisant l'objet de la fig. 2.
Le fait que le moteur thermique décrit comprenne deux chambres de combustion implique que cette machine fonctionne selon un cycle de combustion à quatre temps pour chaque chambre, temps caractérisés par les références romaines I à IV.
Le diagramme montre, en fonction de ces temps, quels sont la durée et le moment de l'ouverture des différentes soupapes S1 à Ss (lignes homonymes de celui-ci), quels sont la durée et le moment de l'injection du carburant dans chaque chambre C1 ou C2 (lignes I1 et I2) et quel est l'instant de l'allumage du mélange carburant-comburant dans chaque chambre (lignes A1 et A2).
Le diagramme de la fig. 2 montre en outre quand a lieu la combustion dans chacune des chambres de combustion C1 et C2 et ainsi que dans le cylindre du moteur (ligne CM).
Pour un moteur comprenant un compresseur à piston, il montre en outre quels sont les temps de compression de celui-ci (temps I et III de la ligne Co).
Au début du temps I du cycle, les soupapes S1, S3 et Ss sont ouvertes et les soupapes S2 et S4 sont fermées. Le piston du cylindre-moteur M et celui du compresseur Co sont dans leur point mort bas (PMB).
Dés que le piston du cylindre-moteur et celui du compresseur commencent à se mouvoir en direction de leur point mort haut (PMH), le premier refoule les gaz brûlés, résultant d'une combustion précédente, vers l'extérieur, au travers du conduit tS et le second pompe de l'air dans la chambre C1. Comme la soupape S3 est ouverte, cet air s'échappe dans le cylindre-moteur M et effectue donc le balayage de cette chambre et, partiellement il est vrai, du cylindre. La soupape S3 se ferme rapidement (voir ligne S3 du diagramme de la fig. 2) et le piston du cylindre-moteur M finit de repousser vers l'atmosphère les gaz de combustion que contient le cylindre-moteur alors que le compresseur Co alimente la chambre C en air comprimé.
Pendant tout ce premier temps, la chambre C2 est fermée et est le siège d'une combustion à volume constant qui a commencé lors du cycle précédent.
A la fin du premier temps, respectivement au début du temps II, les soupapes S1 et S3 sont conduites en position fermée et la soupape S4 en position ouverte.
En outre, la came K6 commande l'alimentation de l'injecteur I,, de sorte que la chambre C1 reçoit une charge de carburant. Il se forme donc, dans la chambre C1, un mélange carburant-air comprimé qui sera d'autant plus homogène que le carburant aura pu être fractionné en fines gouttelettes, voire être vaporisé s'il est suffisamment volatil. Ce mélange est allumé par l'organe A1 dès que l'injection de carburant dans la chambre cesse (ligne Al du diagramme). Comme la chambre Cl est isolée du cylindre-moteur M, la combustion qui résulte de cet allumage s'effectue à volume constant et restera telle également pendant tout le temps suivant (temps III).
Comme, par ailleurs, la soupape S4 est ouverte, la combustion qui a lieu dans la chambre C2, et qui s'effectuait précédemment à volume constant, peut se poursuivre à volume variable à l'intérieur de cette chambre et du cylindre-moteur M tout en repoussant le piston de celui-ci vers son PMB. Le temps II est donc un temps-moteur de la machine thermique.
Pendant ce même temps, le compresseur Co effectue une aspiration d'air frais.
Au début du troisième temps, les soupapes S2, S4 et Sg sont ouvertes et les soupapes S1 et S3 sont fermées.
Dans la chambre C1, qui est totalement isolée, la combustion qui avait débuté lors du temps précédent se poursuit à volume constant (voir ligne Cul).
La chambre C2 est, au contraire, reliée au compresseur Co, qui l'alimente en air frais sous pression dès que le piston de celuici se meut dans le cylindre respectif de son PMB vers son PMH, ce que fait également le piston du cylindre-moteur M. Cette chambre C2 est également reliée, par la soupape S4, au cylindre du moteur, ce qui permet à l'air frais provenant du compresseur de balayer la chambre C2 et, partiellement, le cylindre-moteur M.
Après fermeture de la soupape S4, le compresseur Co peut remplir la chambre C2 en air comprimé et cela jusqu'à la fin du troisième temps, temps pendant lequel le piston du cylindre-moteur M pourvoit à l'évacuation des gaz brûlés remplissant le cylindre de celui-ci.
Au début du temps suivant (temps IV), la soupape S3 est conduite en position d'ouverture alors que les autres soupapes demeurent fermées. Il s'ensuit que la combustion qui s'est effectuée dans la chambre C1 à volume constant pendant la majeure partie du second temps et pendant tout le troisième temps, peut se poursuivre à volume variable dans cette chambre C1 ainsi que dans le cylindre-moteur. Le piston de ce cylindre-moteur est poussé du
PMH vers le PMB par les gaz sous pression qui l'envahissent et c'est le second temps moteur du cycle.
Au début de ce quatrième temps, la chambre C2 reçoit une charge de carburant par l'injecteur I2 de manière à former, dans cette chambre, un mélange carburant-comburant qui est allumé subséquemment en alimentant l'organe A2 en courant électrique.
La combustion débute dans cette chambre C2; elle s'effectue à volume constant pendant le reste du quatrième temps de ce cycle pour se poursuivre, toujours à volume constant, pendant le premier temps du cycle suivant, etc...
Il résulte de la description du fonctionnement que le moteur décrit est basé sur le principe de séparation des moyens destinés à la préparation et à la combustion du mélange air-carburant de ceux destinés à la transmission de l'énergie des gaz à l'arbre d'en trainement. Cette séparation permet:
:
d'augmenter le temps de combustion, dans un cycle de travail déterminé, à 2 n-l où n représente le nombre de chambres de combustion à volume constant associées à un cylindre-moteur, chaque chambre formant avec le cylindre une unité de travail ayant un cycle de travail de 2n temps;
d'augmenter le nombre de temps moteur dans un cycle de travail d'une unité cylindre-chambre à n;
- d'obtenir des gaz d'échappement plus propres grâce à une combustion plus complète (plus longue);
- de varier la quantité du mélange air-carburant et le taux de sa compression, en fonction du genre et de la qualité du carburant, pour un même volume du cylindre-moteur;
- d'augmenter la puissance du moteur sans l'augmentation de la compression dans le cylindre-moteur et dans les chambres et
par conséquent sans l'augmentation de la température;
;
pour des vitesses de rotation usuelles de l'arbre moteur, de
l'ordre de 4000 à 5000 tours/minute, d'alimenter la machine ther
mique décrite avec du carburant à combustion relativement lente,
normalement inutilisable dans des moteurs à explosion.
Dans le moteur décrit, les moyens destinés à la préparation et
à la combustion du mélange air-carburant comprennent la source
d'air comprimé Co, deux chambres de combustion à volume cons
tant C1 et C2, les conduits tl et t2, des soupapes S1 et S2, les
moyens de commande 10, 11, 12, K1 et K2, de ces soupapes, les dispositifs d'injection du carburant I1 et 12, les organes d'allu mage Al et A2 et leurs moyens de commande 16, 17, K6 et K7.
Les moyens de transmission de l'énergie des gaz à l'arbre d'entraînement comprennent le cylindre-moteur M, I'ensemble biellemanivelle, l'arbre Ar, les soupapes S3, S4 et Ss, les moyens de commande 13, 14, 15, K3, K4 et K5 de ces soupapes, et les conduits t3, t4 et t5.
Le moteur comprenant deux chambres de combustion à volume constant pour un cylindre-moteur, le cycle de travail de chaque unité formée d'une chambre et du cylindre-moteur comprend donc quatre temps comme cela résulte de la description du fonctionnement (voir fig. 2). La combustion se fait pendant trois temps: deux temps à volume constant (pendant les deuxième et troisième pour la chambre C1, pendant les quatrième et premier pour la chambre C2) et un temps à volume variable (pendant le quatrième pour la chambre C1, pendant le deuxième pour la chambre C2). Le cycle comprend (le quatrième pour l'unité cylindre-chambre C1, le deuxième pour l'unité cylindre-chambre C2).