Brevet FR2267452A1 — publié le 19751107

notamment un moteur miniature L'invention a pour objet un moteur à combustion interne,/ comportant un arbre monté dans un carter de vilebrequin et au moins un cylindre qui est fixé sur le carter de vilebrequin et dans lequel se déplace un piston, lequel fait tourner l'arbre par l'intermédiaire d'une bielle reliée au piston et s'engageant dans l'arbre. Le moteur à combustion interne proposé présente des applications en particulier dans des modèles réduits d'avions et de bateaux et dans la propulsion de scies transportables et de pompes et générateurs de courant électrique mobiles, etc. L'invention a pour objet aussi bien des moteurs à deux temps et à quatre temps que des moteurs comprenant un système d'allumage et à auto-allumage qui comportent un ou plusieurs cylindres refroidis par de 1 air ou par de 1 eau. Il est connu que, dans les moteurs à combustion interne (à ltexception des moteurs à piston rotatif) le cylindre est disposé perpendiculairement à l'arbre moteur lequel est coudé au voisinage du cylindre, c1est-à-dire qu'il présente un tronçon replié en U comportant un maneton qui a une configuration lui permettant d'être joint à la bielle laquelle réalise la liaison au piston qui glisse dans le cylindre. Grâce à la bielle et à la partie coudée de l'arbre moteur, le mouvement oscillant du piston est transformé en mouvement de rotation de l'arbre moteur.La fabrication d'un tel mécanisme à manivelle est très coûteuse et pose, en particulier dans le cas de moteurs à combustion interne à grande vitesse, de nombreux problèmes comme par exemple celui de ltéquilibrage des forces massiques, le problème de la lubrification des éléments qui glissent l'un sur l'autre et celui de la résistance mécanique , etc.La disposition du cylindre et de l'arbre moteur perpendiculairement l'un par rapport à l'autre est désavantageuse pour beaucoup d'applications des moteurs à combustion interne parce qu'elle nécessite un certain encombrement en hauteur qui crée, dans de nombreux cas, de grandes difficultés d'incorporations, et ceci s'applique en particulier aux moteurs à combustion interne dont l'usage dans la propulsion de jouets et de petits appareils a pris une extension croissante tout récemment, et c'est à ce propos que l'invention intervient. L'invention a pour but de proposer un moteur à combustion interne présentant-un faible encombrement en hauteur qui puisse être fabriqué simplement et, par conséquent, économiquement et dans lequel l'équilibrage des forces massiques n'est pas problématique. Ce but est atteint avec un moteur à combustion interne du type mentionné au début et dans lequel l'axe du cylindre est incliné sur l'arbre en formant avec celui-ci un angle obtus, une manivelle frontale est prévue sur l'arbre et la bielle est articulée à la manivelle frontale et au piston par des articulations à rotule. Une réduction de l'encombrement en hauteur du moteur résulte de l'inclinaison oblique du cylindre sur l'arbre. En outre, l'obliquité du cylindre permet une structure très compacte parce que le piston peut être amené jusque sur l'axe de l'arbre au point mort inférieur ; cette structure compacte donne lieu à un moteur de poids relativement réduit. Puisque le centre de gravité de la bielle se déplace essentiellement suivant une trajectoire circulaire, l'équilibrage radial est facilement réalisable.Pendant le mouvement du piston sa force radiale présente une variation représentée par un vecteur décrivant une spirale et ceci aune répercussion positive en ce qui concerne la réduction de l'usure des parois du piston et du cylindre en particulier lors du mouvement descendant pendant le temps moteur. Puisqu'on peut disposer le tuyau d'échappement de manière à ce qu'il soit orienté dans la direction de l'arbre, on obtient l'avantage supplémentaire suivant, qui est d'une importance particulière dans le cas des modèles réduits d'avions : les gaz d'échappement peuvent être évacués à travers le fuselage. de l'avion directement vers le bas, le cas échéant par l'intermédiaire d'un silencieux. Selon une autre caractéristique de l'invention; l'arbre est monté de manière à pouvoir être déplacé axialement avec la manivelle frontale. Pour un faible déplacement de l'arbre le rapport de compression peut varier dans une gamme étendue pendant le fonctionnement du moteur. Le. but de cette variation du rapport de compression est de maintenir constante la pression de combustion maximale dans le cylindre ; on obtient une faible vitesse de rotation à vide pour un petit rapport de compression et une grande puissance à pleins gaz pour un rapport de compression élevé. Ceci est d'une importance particulière dans le cas de moteurs miniatures dans la zone de leurs vitesses maximales dépassant 10.000 tours/ minute. La solution proposée selon l'invention est beaucoup plus simple que d'autres solutions connues pour modifier la chambre de combustion, par exemple au moyen d'un piston auxiliaire.Selon un mode de réalisation particulièrement avantageux de l'invention la manivelle frontale peut se présenter sous forme d'un plateaumanivelle. Ce plateau-manivelle permet d'exécuter l'équilibrage des masses d'une manière particulièrement simple. Une variante du moteur à combustion interne selon l'invention est caractérisée en ce que la bielle a la forme d'une haltère et porte > a ses deux extrémités, respectivement deux rotules, et en ce qu'il est prévu, sur le plateau-manivelle et à l'intérieur du piston, deux coquilles respectives d'articulation à rotule dans lesquelles les rotules sont logées à articulation.Il s'est averé qu'il est possible de fabriquer une telle bielle et les coquilles à rotule (dont il suffit de rabattre le bord supérieur suivant un collet intérieur pour retenir la rotule) d'une manière particulièrement simple et, par conséquent, économique. Des avantages particuliers de ce type d'articulation à rotule de la bielle au piston convenant plus spécialement aux moteurs miniatures résident non seulement dans un piston très simple sans axe de pied de bielle mais encore dans un piston entièrement symétrique qui peut tourner pendant ses courses ce qui réduit l'usure et les contraintes thermiques. Le plateau-manivelle peut comporter avantageusement une gorge périphérique d'où part un passage pour huile débouchant dans la coquille de rotule. De cette façon, l'articulation à rotule de la bielle au plateau-manivelle est alimentée en huile de la manière la plus simple possible. Dans les petits moteurs à combustion interne de puissance relativement grande il peut être avantageux d'articuler la bielle au piston au moyen d'un palier à rotule connu. Grâce à ce palier à rotule, en outre, les pressions supérieures sont transmises à la bielle sans difficulté. Quand de grandes forces doivent être transmises la bielle s'engage dans arbre de préférence par utilisation d'une tête de bielle fourchue qui est pourvue d'un pied et qui est montée -de manière à pouvoir pivoter sur le plateau-manivelle au moyen d'un tourillon. Pour faciliter les déplacements du pied sur le côté antérieur du plateau-manivelle, un palier axial peut être interposé entre le pied de la tête (de bielle) fourchue et le plateau-manivelle. L'angle obtus que forment ltaxe du cylindre et l'arbre peut être avantageusement de 1550. Cet angle est avantageux à plusieurs points de vue : le recouvrement des rotules par les coquilles d'articulations à rotule est optimal pendant tout le déplacement du piston (il en est de même pour le palier à rotule et la tête fourchue de bielle) ; le rapport de la hauteur d'encombrement à la longueur du moteur est avantageux et, dans le cas des moteurs à refroidissement par air, les conditions de refroidissement sont telles que des ailettes de refroidissement dirigées radialement suffisent (en contraste avec les cas où l'inclinaison du cylindre est plus grande) etc On décrira ci-après l1invention en se référant aux dessins annexés dans lesquels - la figure 1 est une représentation schématique du moteur à combustion interne dans laquelle l'arbre occupe sa position limite antérieure et le piston est an point mort bas ; - la figure 2 est une représentation schématique du moteur à combustion interne selon la figure 1 mais dans laquelle le piston se trouve au point mort haut ;; - la figure 5 est une représentation schématique du moteur à combustion interne semblable à celles des figures 1 et 2 mais dans laquelle l'arbre occupe sa position limite postérieure et le piston est au point mort bas ; - la figure 4 est une représentation schématique du moteur à combustion interne selon la figure 5 mais dans laquelle le piston est au point mort haut ; - la figure 5 est une vue en coupe longitudinale d'une première réalisation du moteur à combustion interne se présentant sous forme d'un moteur à bougie de réchauffage de petite cylindrée prévu pour des modèles réduits d'avions ; et --la figure 6 est une vue en coupe longitudinale d'une seconde réalisation du moteur à combustion interne qui se présente sous forme d'un moteur à bougie de réchauffage prévu par exemple pour des modèles réduits d'avions relativement grands, pour des pompes, des scies ou des générateurs de courant électrique. Le moteur à combustion interne représenté schématiquement sur les figures 1 à 4, comporte un arbre 5 monté au moyen de deux paliers 1 dans un carter cylindrique 2 de vilebrequin, un cylindre 5 fixé sur la tête du carter 2 de vilebrequin et fermé par une culasse 4 de cylindre et un piston 6- qui est animé, dans le cylindre, d'un mouvement de va-et-vient et qui fait tourner l'arbre 5 par l'intermédiaire d'une bielle 7. Une manivelle frontale 8 est prévue à ltextrémité de l'arbre 3 et la bielle 7 est articulée aussi bien à cette manivelle frontale 8 qu'au piston 6 par des articulations à rotule 9. L'axe 10 du cylindre 5 présente une inclinaison suivant un angle obtus ll de 135 sur l'arbre 3. La bielle 7 a la forme d'une haltère et porte, à ses deux extrémités, respectivement deux rotules d'extrémité 12, 13. Deux coquilles 15, 16 à rotule, dans lesquelles les rotules 12, 13 sont logées, sont prévues sur le maneton d'extrémité 14 de la manivelle frontale 8 et à l'intérieur du piston 6. Les rotules 123 13 constituent, avec les coquilles 15, 16 à rotule, les articulations à rotule 9. L'arbre 3 est monté de façon à pouvoir coulisser axialement avec la manivelle frontale 8 il peut occuper une position limite antérieure dans laquelle il est représenté sur les figures 1 et2, et une position limite postérieure selon les figures 3 et 4. Le cylindre 5 est monté sur le carter 2 de vilebrequin de manière que son axe 10 passe par le point de rencontre 17 de l'axe géométrique 18 de 11 arbre 3 avec le plan 19 de la manivelle quand l'arbre 3 est dans sa position limite antérieure. Dans le moteur à combustion interne représenté sur les figures 1-4, l'axe 10 du cylindre 5 et l'axe 18 de l'arbre se trouvent dans le même plan ; mais cet axe 10 et l'axe 18 de l'arbre pourraient se trouver dans deux plans parallèles entre eux, ce qui aurait pour effet de réduire la force radiale du piston 6 aux grandes vitesses du piston. Lorsque l'arbre 3 occupe sa position limite antérieure dans laquelle il est représenté sur les figures 1 et 2, la chambre de combustion 20 (voir la figure 2) du moteur à combustion interne est petite et la course 21 est grande. Si maintenant l'arbre 7 est amené de sa position limite antérieure à sa position limite postérieure (voir les figures 3 et 4), -ce qui peut se produire pendant le fonctionnement du moteur- les dimensions de la chambre de combustion 20 et de la course 21 changent ; lorsque l'arbre 3 occupe sa position limite postérieure, la chambre de combustion 20 présente son volume maximal et la course 21 est minimale (comparer les figures 4 et 2). Le centre de gravité S de la bielle 7 se déplace sur une trajectoire circulaire légèrement inclinée, comme cela ressort des figures 1 et 2. Cela signifie que l'équilibrage est considérablement facilité par rapport aux moteurs -à eombustion interne dans lesquels l'axe du cylindre est perpendiculaire à l'axe du vilebrequin et le centre de gravité de la bielle décrit une trajectoire en forme d'ellipse non symétrique. Un premier mode de réalisation d'un moteur à combustion interne selon l'invention est représenté sur la figure 5 à l'échelle 1:1. Il s'agit d'un moteur à deux temps à bougie de réchauffage d'une cylindrée de 10 cm5. Dans ce moteur les paliers 1 qui portent l'arbre 3 à l'intérieur du carter 2 de vilebrequin se présentent sous forme de paliers transversaux à une rangée de billes. Un cylindre 5 pourvu d'ailettes de refroidissement 22 et refroidi par l'air est fixé sur le carter 2 du vilebrequin ; une bougie de réchauffage 23 est prévue dans la culasse 4 de ce cylindre. L'extrémité de l'arbre 3 voisine du cylindre se présente sous forme d'un plateau-manivelle 24 correspondant à la manivelle frontale 8.L'arbre 5 présente, dans la région du carter 2 de vilebrequin, un diamètre relativement grand et une ouverture 25 en forme de sac qui est ouverte du côté du plateau-manivelle 24 et qui est flanquée d'une fente latérale 26, laquelle est en visà-vis d'un carburateur 27 monté sur le carter 2 du vilebrequin. I1 y a, dans le cylindre 5, des canaux d'admission des gaz 28 et, latéralement, une tubulure de sortie 29. La bielle 7 comporte deux rotules d'extrémité 12, 13 qui sont logées dans des coquilles d'articulation à rotule respectives 15 > 16 ; la première coquille 15 d'articulation à rotule est emboltée dans le plateau-manivelle tandis que la seconde coquille 16 d'articulation à rotule est fixée à l'intérieur du piston 6, au centre. Le plateau-manivelle 24 porte, dans son ouverture 25 en forme de sac, une gorge intérieure 30 d'où part un passage 31 pour huile débouchant dans la coquille 15 d'articulation à rotule. L'axe 10 du cylindre 5 et l'arbre 3 forment entre eux un angle 11 de 1550. L'arbre 3 peut coulisser axialement par rapport au carter 2 de vilebrequin. Pour faire coulisser cet arbre pendant le fonctionnement du moteur à combustion interne, il est prévu, dans une gorge 52 formée dans le carter 2 de vilebrequin, derrière le palier 1 voisin du cylindre, deux bagues de réglage coniques 33, 34 qui sont contiguës et parmi lesquelles la bague extérieure 3), de structure élastique, est fendue et peut tette ramassée davantage sur elle-même par pression au moyen d'une vis de réglage 35 s'enfonçant radialement.Si l'on fait tourner la vis de réglage 35 dans le sens correspondant à son enfoncement le diamètre de la bague de réglage extérieure diminue, de sorte que la bague de réglage intérieure 34 est déplacée en direction de la bague extérieure du palier 1 dont la bague intérieure transmet ce déplacement à l'arbre 5. Grâce à ces bagues de réglages )3, 34, il se produit un coulissement axial de 11 arbre 5 ú résultent une variation de la course de l'ordre de 0,5 mm et une variation du rapport de compression de 7:1 à 14:1. Un moteur à combustion interne conçu selon l'invention et ayant un cylindre incliné obliquement sur l'arbre peut comporter non pas un cylindre, mais deux, trois ou plus de trois cylindres présentant la même inclinaison et, dans ce eas, les extrémités des bielles sont articulées à des coquilles 15 d'articulations à rotule correspondant au nombre de cylindres. La figure 6 représente une seconde réalisation d'un moteur à combustion interne selon l'invention à une échelle réduite de moitié. Il s'agit d'un moteur monocylindrique à deux bougies de réchauffage 27 et à carburateur 27 monté latéralement sur le cylindre 5 dont la cylindrée est de 100 omis. Pour simplifier le dessins on a omis tous les éléments qui assurent le coulissement de l'arbre 3 ; le moteur peut lui-même assurer ounon le coulis-. sement de l'arbre 5. Dans cette realisationss la bielle 7 est articulée d'une autre manière par rotule au piston 6 et au plateau-manivelle 24 la bielle 7 est articulée au piston 6 par un palier à rotule 36 connu et comporte, à son extrémité une tête fourchue 38 pourvue d'un pied 57 qui permet des mouvements de pivotement et qui est montée au moyen d'un tourillon cylindrique 59 de manière à pouvoir tourner dans le plateau-manivelle 24. Un palier axial 40 est interposé entre le pied 57 de la tête fourchue 58 et le plateaumanivelle. REVENDICATIONS notamment moteur miniature 1. Moteur à combustion interne /comportant un arbre montré à rotation dans un carter de vilebrequin et au moins un cylindre qui est fixé sur le carter de vilebrequin et dans lequel se déplace un piston, lequel fait tourner l'arbre par l'intermédiaire d'une bielle reliée au piston et s'engageant dans l'arbre, caractérisé en ce que l'axe (10) du cylindre (5) est incliné sur l'arbre ()) en formant avec celui-ci un angle obtus (11), en ce qu'une manivelle frontale (8) est prévue sur l'arbre (3) et en ce que la bielle (7) est articulée à la manivelle frontale (8) et au piston (6) par des articulations à rotule (9). 2. Moteur à combustion interne selon la revendication 1, caractérisé en ee que l'arbre ()) est monté de manière à pouvoir être déplacé axialement avec la manivelle frontale (8). 3. Moteur à combustion interne selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que la manivelle frontale (8) se présente sous forme de plateau-manivelle (24). 4. Moteur à combustion interne selon la revendication 3, caractérisé en ce que la bielle (7) a la forme d'une haltère et porte à ses deux extrémités respectivement deux rotules (12) et (13), et en ce qu'il est prévu, sur le plateau-manivelle (24) et à l'intérieur du piston (6), deux coquilles respectives (15)- et (16) d'articulation à rotule dans lesquelles les rotules (12) et (13) sont logées à articulation. 5. Moteur à combustion interne selon la revendication 4, caractérisé en ce que le plateau-manivelle (24) comporte une gorge périphérique (50) d'où part un passage (31) pour huile qui débouche dans la coquille (15) d'artieulatiòn à rotule. 6. Moteur à combustion interne selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la bielle (7) est articulée au piston (6) au moyen d'un palier à rotule (363- connu en soi. 7. Moteur à combustion interne selon la revendication 5, caractérisé en ce que la bielle (7) est articulée à l'arbre (3) par utilisation d'une tête fourchue (38) qui comporte un pied (57) et qui est montée de manière à pouvoir tourner dans le plateaumanivelle (24) au moyen d'un tourillon (59). 8. Moteur combustion interne se-lon la revendication 7, caractérisé en ce qu'un palier axial (40) est interposé entre le pied (37) de Ia tête fourchue (38) et le plateau-manivelle (24). 9 Moteur à combustion interne selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que l'angle obtus (11) que forme entre eux l'axe (10) du cylindre (5) et l'arbre (3) est de 135 .