DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION

Le moteur thermique à quatre temps; la distribution:

La présente invention concerne le mode d’introduction, d’étanchéité haute et d’évacuation des gaz dans un moteur à quatre temps: La distribution .

ETAT DE LA TECHNIQUE

La distribution est un ensemble de pièces mécaniques coordonné, dont le but est d’assurer de manière cyclique, l’introduction dans le moteur du comburant (air) et de carburant. De garder étanche ce flux dans la chambre de combustion lors des compressions puis, d’évacuer les gaz brûlés après les temps-moteur.

Un moteur moderne de quatre cylindres rassemblerait plus qu’une soixantaine de pièces essentielles pour ce faire, et un six cylindres une bonne centaine.

Dans les agencements mécaniques dont est constitué un moteur classique, la distribution est non seulement la partie la plus complexe, mais aussi celle dont différentes modifications auront apporté au moteur thermique à quatre temps une évolution notoire. Un grand nombre de constituants fonctionne en mouvement et par conséquent, subissent des frottements des résistances et des risques d’usure.

Il faut rajouter que le temps d’intervention qui est alloué de la fabrique et aux assemblages, depuis les usines jusqu’aux ateliers d’entretien de cette partie du moteur est considérablement important.

Nous avons observé l’ensemble des constructeurs; partir de l’arbre à cames logé dans le bloc moteur et entrainé par de grands pignons, qui commandaient la levée des poussoirs. Ceux-ci soulevant de longues tiges qui remontaient jusqu’à la culasse, puis ces tiges actionnaient le pivotement des culbuteurs sur un axe ou deux; culbuteurs qui enfin commandaient l’ouverture des soupapes. Longue procédure aujourd’hui dépassée.

Plus proche encore, les moteurs équipés d’arbre à cames en tête venaient quelque peu révolutionner le système de distribution, avec jusqu’à ce jour le poussoir hydraulique de compensation de jeu. D’hier à aujourd’hui, la distribution à quatre soupapes par cylindre est à son tour, la solution privilégiée que la majorité des firmes ou presque aurons adoptées. Notons par ailleurs que le ressort de rappel dans cette distribution traditionnelle est resté incontournable. Plus gênant encore, il est devenu de plus en plus raide ou même doublé; ceci pour qu’il assure le plus vite possible, le rappel de la soupape pour l’étanchéité, en plaquant celle-ci sur son siège.

Les organes qui composent la distribution d’un moteur moderne de quatre cylindres classiques sont généralement les suivants:

- Un ou deux arbres à cames

- Seize poussoirs ou culbuteurs ou les deux en même temps

- Seize soupapes

- Seize guides de soupapes

- Seize ressorts de rappel ou trente deux

- Un collecteur d’admission

- Un collecteur d’échappement et bien de multiples accessoires pour l’agencement et le confort mécanique.

C’est en fait plus qu’une soixantaine de pièces la plupart en mouvement, qui sont ainsi fabriquées et harmonieusement ajustées. Le but recherché étant d’assurer un meilleur remplissage des cylindres à alimenter, d’étancher ce flux et ainsi améliorer les performances de nos moteurs. Avec en ligne de compte: la diminution de matière et par conséquent de poids d’encombrement, de frottements et des coûts de production.

Un autre type de levée et de fermeture de soupapes octroyant des résultats nettement meilleurs au point de doubler sa vitesse de rotation, est le mode mis au point par les préparateurs des moteurs de course: la commande pneumatique. Elle élimine le ressort de rappel et assimilés pour l’usage de la pression d’air. Dans ce procédé de bien haute technologie connue, les charges moteur sont nettement allégées mais compte tenu de la complexité du système et des coûts de revient important, ce procédé depuis sa découverte reste l’apanage des sports mécaniques de haut niveau. Il n’est pas vulgarisé pour la série nous semble-t-il pour ces raisons.

Les résultats obtenus sont élevés à la hauteur des rendements et performances que nos moteurs ont atteints aujourd’hui. Nous le mentionnons pour mémoire : « Frottements et résistances sont les principaux facteurs de pertes de rendement ». Les pièces dessus citées sont donc ces consommateurs nécessaires dans cette distribution à soupapes comme dans d’autres. La quête de leur diminution est un des buts de cette étude, qui maximiserait sans aucun doute la puissance restituée pour l’usage.

Un facteur plus que gênant de cette lutte anti-résistances est la compression imposée par le fonctionnement, de ces multiples ressorts de rappel de soupapes qui, pour un moteur qui doit tourner encore plus vite, se font de plus en plus raides et exigent un supplément d’effort moteur pour ce faire: « Paradoxe » !

Un autre facteur mécanique lui est conséquent. Trop tôt la vitesse de rotation des moteurs à soupapes se limite malgré cette raideur revue à la hausse. Ces puissants ressorts tardent toujours à rappeler les soupapes sur leurs sièges à vitesse élevée. Les soupapes courent ainsi le risque de se faire rattraper par les pistons remontant plus vite que ne se détendent les ressorts désormais trop lents.

L’ensemble des constructeurs s’oblige ainsi, peu avant ce seuil d’autodestruction connu de tous ; de brider sous cette contrainte la vitesse maximale de rotation de leurs moteurs bien malgré eux. Nous appelons ce troisième facteur : «Limite mécanique du système ». En somme ; c’est ce nombre de pièces de plus en plus élevé dans la distribution du moteur de pointe d’aujourd’hui qui présente, non seulement un maximum de frottements, de résistances, de risques accrus d’usure, de pannes et d’encombrement ; mais aussi des limites mécaniques tôt perçues chez tous les constructeurs toutes firmes confondues qui motive notre étude. Nous osons remettre en question un processus universalisé, et vieux de plus d’un siècle déjà. Cet apport est une étape inhérente aux exigences de la technique de pointe en perpétuelle quête de mieux, vers la perfection encore avenir.

Nous proposons dans cette étude basique, une pièce unique par ligne de cylindres dans la première version, et deux pièces pour la deuxième. Ces pièces de conception simple mais précise, devraient mieux assurer la distribution des prochains moteurs, au point d’améliorer leurs performances et mieux d’augmenter leur rendement.

Il s’agit du cylindre de distribution mixte, et des cylindres distincts d’admission et d’échappement. Nous abrégeons cette appellation par trois lettres: CDM. EXPOSE DE L'INVENTION

Le principe que nous proposons aux constructeurs dans cette étude disons-nous est basique, simple et essentiellement modulable par tous les réalisateurs. La plage de diversification de ce moteur est large pour satisfaire tous les usages. Du monocylindre 50cc au moteur de planeur, d’automobiles toutes catégories, de camions et même de navires, tous carburants confondus.

Il s’agit d’un grand cylindre creux en son intérieur, suffisamment épais et minutieusement poli. Après l’étude sur le choix du matériau adéquat qui devra répondre aux contraintes thermiques et anti-usure. Il lui faudra résister sans déformation aux températures aussi élevées que dans une chambre de combustion traditionnelle, et aux compressions du moteur qu’il subira. L’alliage qui structure cette pièce vitale devra demeurer stable.

Ce grand cylindre recevra deux orifices ou œillets par section, correspondant à chaque tête de piston qu’il coiffera. Ces orifices seront disposés exactement aux mêmes angles d’ouverture et de fermeture que le sont les cames classiques.

Tous les orifices d’admission correspondant aux cames d’admission et de même pour les échappements. Le cylindre de distribution qui en même temps remplacera les collecteurs d’entrée et de sortie des gaz recevra de l’intérieur, une cloison épaisse et totalement étanche qui disposera dans un même compartiment les œillets d’admission et de l’autre ceux d’échappement. Cette disposition s’opérera sur toute la longueur du CDM. Le tout minutieusement équilibré pour la rotation à grande vitesse. L’admission se fera par l’avant du cylindre et l’échappement à l’opposé. Ce sera le cylindre mixte. «Il sera fixé sur la culasse de façon excentrée» et un palier unique couvrira toute sa longueur. Il tournera sur roulements à la vitesse d’un tour pour deux tours du vilebrequin, tout comme un arbre à cames classique. La deuxième version sera dotée de deux cylindres distincts. Un premier recevra uniquement les œillets d’admission et n’assumera que cette fonction et le deuxième cylindre bien évidement assurera le rôle d’évacuer les gaz brûlés par ses œillets. Cette version n’a naturellement pas besoin de cloison interne.

Nous présentons divers types de séparations internes du cylindre de distribution mixte; le plus complexe. (Fig 5 et 6).

Ils répondent tous au principe que nous décrivons, et plusieurs autres développements peuvent se constituer au gré des réalisateurs. Nous avons dénommé quelques-uns :

Cylindre à lame sinusoïdale,

Cylindre à cloison moulée,

Cylindre à pipe encastrée.

Sous la base de la forme de ce dernier, nous avons pensé un type de turbine que le corps déjà rotatif du CDM abriterait. Appelons-le : « Turbine intégrée ou Turbo-i ». Le concept simple sera adapté et efficace. Il est exploité en aviation. Nous réexpliquons ce principe déjà connu plus loin, ainsi que son application au moteur à quatre temps.

L’allègement et les économies de matières s’extériorisent désormais, non dans les seuls organes de distribution ; mais à cet indispensable équipement de privilège et forcement davantage.

Afin de recevoir le cylindre de distribution dans ses deux versions, et pour que le système soit logiquement fonctionnel, une modification de la culasse s’impose.

La nouvelle culasse sera désormais creuse à son dessus et sur toute sa longueur, il y sera creusé une ou deux rigoles en demi-cercle d’exactement 180 degrés pour chacune des versions. C’est dans ces rigoles arrondies que logeront les cylindres de distribution. (Voir Fig 2). Il sera également opéré sur le plan de joint, très exactement aux endroits où remontent les pistons, autant de trous débouchant dans ces rigoles, qu’il y aura de cylindre moteur aux mêmes diamètres. Ces ouvertures dans la culasse seront ainsi le prolongement des cylindres moteurs de sorte que ; lorsque celle-ci sera posée sur son bloc, l’on continuera de voir les têtes des pistons qui alors, dépasseront légèrement la hauteur finie du bloc moteur.

Ce léger déport volontaire des pistons juste avant le premier segment se logera dans notre nouvelle culasse. Le cylindre de distribution effleurera ainsi les têtes des pistons en position PMH, sans pour autant les toucher. L’espace restant entre ces deux pièces sera calibré juste, et constituera la nouvelle chambre de combustion de cette version. (Voir Fig 2).

Par contre, l’option du cylindre mixte dans notre concept, recevra une lèvre sur le bloc moteur remontant ici à gauche. Elle sera solidaire ou boulonnée selon les commodités. Du côté opposé une entretoise spécialement conçue portera bougies ou injecteurs à son extérieur. Son intérieur sera lui aussi calibré pour créer une chambre de combustion. Lèvre et entretoise formeront un demi-cercle d’exactement 180°. (Voir Fig 1). De la forme des orifices d’entrée et de sortie de gaz ou œillets :

Ces orifices autour du CDM auront la forme ovale à bords parallèles. La longueur sera disposée dans le même sens que celle du cylindre de distribution pendant que les arrondis des extrémités seront presque égaux au diamètre du cylindre moteur à alimenter.

La largeur occupera exactement le même angle sur le CDM que celui d’ouverture d’une came classique : 75° environ (Voir Fig 3). Il en sera ainsi pour tous les œillets dont la disposition angulaire respectera celle des cames dans les deux versions CDM mixte et distinct.

BREVE DESCRIPTION DES FIGURES

La Figure 1 - vue éclaté du moteur équipé au (CDM mixte.

La Figure 2- Coupe du moteur équipé de deux cylindres distinct.

La Figure 3- Comparaison des entrées d’air offerte par les orifices du CDM par rapport aux soupapes.

La Figure 4- Différentes vues de la bague incurvé pour l’étanchéité.

La Figure 5- Matérialisation des 4 temps en 2d.

La Figure 6- Différentes vues du CDM à pipes encastrées équipé de turbine intégré.

REMARQUE

La multiplication des soupapes dans une distribution a pour but, le meilleur remplissage des cylindres. En observant par comparaison l’espace que nous offre l’orifice d’un CDM bayant devant le cylindre qu’il alimente, l’on peut par soi-même conclure qu’avec ce nouveau système, le remplissage et les avantages conquis passent largement au-dessus des deux soupapes jouant le même rôle (Voir Fig 3).

Note : Il a été dit dans la description sommaire que le CDM mixte sera fixé de manière déportée : Cette excentricité du CDM sur le cylindre qu’il alimente et évacue est prévu, afin de laisser un accès depuis l’extérieur dans la chambre de combustion ; qui saura ainsi recevoir les bougies d’allumage, celles de préchauffages ou les injecteurs en version diesel. L’entretoise spéciale décrite plus haut compense cet espace. (Voir Fig 1 ).

La version des cylindres distincts recevra sans gènes ces indispensables accessoires en son milieu. De l’étanchéité des compressions :

Une bague incurvée de section rectangulaire, dont le contour cernera la chambre de combustion sera conçue en matériau approprié. (Voir Fig 4) Cette bague unie se logera dans une gorge dont le façonnage précis bouclera de l’extérieur, ladite chambre. Elle sera maintenue en contact du CDM d’abord par d’infimes lames de ressort à l’arrêt ; puis par de la pression d’huile, sortant des orifices de graissages prévus à cet effet depuis le fond du dit logement. La bague sous cette pression calibrée, raclera ainsi le cylindre de distribution. Le contact juste et rodé des deux surfaces : CDM et bague empêche résolument les fuites de compressions.

Fonctionnement :

Le moteur équipé de la distribution à cylindre ne connaîtra pas de différence dans le fonctionnement, par rapport à son homologue à soupapes. L’orifice d’admission ; synchronisé à la première descente du piston s’ouvre, tout comme la soupape d’entrée d’air. Lors de la remontée correspondant à la compression, la partie pleine du CDM bouche la chambre de feu étanchée par la bague pour l’explosion. Puis enfin s’ouvre l’orifice d’évacuation pour le quatrième temps et le cycle peut recommencer. (Voir planche de l’abrégé descriptif).

Les calages variables, les turbines et les compresseurs d’air continuent de justifier en mieux leurs apports pour la suralimentation.

La turbine intégrée :

Le concept est celui d’un turbo réacteur, (Voir Fig 6).

Le flux d’air entre par l’avant, aspiré par un ou plusieurs rotor-compresseur, solidaire du même axe sur lequel est fixée l’hélice arrière motrice. L’orientation des pâlies est conçue favorable pour que les gaz d’échappement sortant à l’arrière entrainent l’ensemble. Plus lesdits gaz précipitent leur sortie sur les pâlies arrière motrices, plus la pression de suralimentation augmente par entrainement du compresseur à l’amont.

Une vanne régulatrice module la pression aux besoins.

La grande compétition peut y trouver des éléments utiles à faire valoir.

Nous présentons (Fig 1 ) une esquisse en trois dimensions de notre prototype de moteur au CDM mixte. Il est non seulement débarrassé de tous les accessoires de distribution déjà cités dans cette description ; collecteurs d’admission et d’échappement compris mais aussi, nous lui avons ôté la culasse pour un palier unique. Le concept est encore plus léger, compact, économique et logiquement fonctionnel.

Dans le même esprit, nous rendons plus léger la turbine puisque débarrassé de son lourd corps de fonte extérieur.

La compacité offerte ici permet enfin aux petites cylindrées de bénéficier des avantages de la suralimentation (motocycles et autres).

Un autre avantage non moins significatif est le mode de recyclage des gaz brûlés pratiqué par la quasi-totalité des concepteurs ; Il devient un processus interne qui ne nécessitera plus forcément d’accessoires extérieurs.

La gestion des températures autour du CDM est indispensable et techniquement maitrisable. Nous avons pensé à un refroidissement mixte ; air/eau; (voir l’esquisse de notre prototype). Compte tenu de ce qui précède, il est évident que son mode d’entrainement se fasse par une chaine dite de distribution.

Les moteurs sont tous des convertisseurs d’énergie. Le rendement du moteur thermique à quatre temps demeure bas et les chercheurs continuent de s’y déployer. Notre étude se veut contributive pour l’augmenter de quelques points; tout en évitant de l’enchérir ou de l’encombrer.