Brevet FR2311183A1 — publié le 19761210

La présente invention concerne plus particulièrement les moteurs à combustion interne, surtout à quatre temps, et, actes soirement, les pompes et moteurs hydrauliques, ainsi que les com- presseurs et les moteurs à gaz comprimés. En fait de moteurs à combustion interne à quatre temps, dans la pratique on utilise actuellement des moteurs à pistons et soupapes, agencés de différentes façons, et parfois aussi des moteurs dits rotatifs, sans pistons ni soupapes. Les premiers ont pour inconvénients d'être dtun équilibrage délicat, selon ltagen- cement des cylindres, et d'avoir des soupapes, lesquelles sont difficiles à maîtriser aux grandes vitesses.Les seconds sont faciles à équilibrer et n'ont pas de pistons ni de soupapes, mais ils présentent des difficultés du côté de l'étanchéité, celle-ci devant être assurée le long d'une arête droite en contact mobile avec une génératrice d'une surface cylindrique non de révolution:; en outre dans le dispositif actuellement utilisé, on n'obtient, pour un rotor, qu'un temps moteur par tour de vilbrequin. Le dispositif suivant l'invention conserve des pistons mais supprime les soupapes, permet 14quilibrage dynamique absolu, une étanchéité relativement facile entre une surface cylindrique de révolution et une portion mobile d'une surface identique,, et fournit de plus des temps moteurs par tour de vilbrequin en nombre relativement élevé par rapport au nombre des cylindres mis en oeuvre. En utilisant par simplification la terminologie en usage pour les moteurs à cwombustion interne, le dispositif objet de l'invention comporte un bloc-cylindres dont la surface extérieure est, au moins partiellement, en forme de cylindre de révolution, et qui porte N cylindres régulièrement répartis, de préférence en étoile plutôt qu'en barillet, ce bloc-cylindres tournant autour de son axe de révolution avec une vitesse angulaire proportionnelle à un, à l'intérieur dtun carter fixe qui l'enveloppe au débouché des cylindres avec le jeu minimum acceptable, et porte, à intervalles réguliers sur le trajet des hauts de cylindres, n bougies d'allumage (ou n injecteurs), ainsi que n orifices d'échappement et n orifices d'admission pour un cycle à quatre temps (2n pour un cycle à deux temps), ce qui lui fait jouer le rôle de n (ou 2n) culasses indifférenciées par rapport aux N cylindres qui ont chacun leur piston creusé de sa chambre de combustion, tandis que le vilbrequin, qui commande le mouvement des pistons par un moyen devant imposer pour chaque tour sur luimeme du vilbrequin un aller et retour de piston, tourne autour du même axe que le bloc-cylindres, en sens inverse de celui-ci, avec une vitesse angulaire proportionnelle à N, le nombre N, nécessairement impair, étant lié à n par la relation N=2n-1, ce qui permet n temps moteurs par tour de vilbrequin pour un cycle à quatre temps (2n pour un cycle à deux temps) sans intervention de soupapes, car les orifices d'échappement et d'admission du carter-culasse débouchent, au moment opportun, dans les hauts de cylindres, qui sont obturés le reste du. temps par la surface intérieure de ce carteroculasse. Selon une réalisation de l'invention, la. moyen qui lie le mouvement du vilbrequin; à celui des N pistons r lorsque les cylindres sont disposés en étoile, est constitué par un simple moyeu tournant sur l'unique maneton du vilbrequin, ayant en gros la forme dun polygone régulier à N côtés, dont l'axe est con fondu avec celui du. maneton et dont les côtés sont des glissières rectilignes à section en T (ou des glissières mécaniquement équivalentes) qui s'engagent, avec un jeu convenable, chacune dans un piston1 perpendiculairement à l'axe de déplacement de celui-ci dans son cylindre, ce qui impose au moyeu. une orientation fixe par rapport au bloc-cylindres, et impose en outre, au système matériel des N pistons, un centre de gravité fixe pan rapport au vilbrequin, d'où la possibilité d'un équilibrage dynamique absolu des masses en mouvement. Selon une autre réalisation de l'invention, le moyen qui lie le mouvement du vilbrequin à celui des N pistons, lorsque les cylindres sont disposés en étoile, est un dispositif à deux biellettes par piston formant parallélogramme articulé avec une base sur le moyeu unique, ce qui oblige celui-ci à conserver une orientation fixe par rapport au bloc-cylindres, mais la longueur nécessaire des biellettes augmente alors l'encombrement et l'équilibrage dynamique ne peut plusoêtre qutapproché. Selon une autre réalisation de l'invention, le moyen qui lie le mouvement du vilbrequin à celui des N pistons lorsque les cylindres sont disposés en étoile est un dispositif classique tel que bielle maîtresse et biellettes, mais l'encombrement est alors supérieur et l'équilibrage dynamique ne peut plus être qu'approché. Selon une autre realisation de l'invention, lorsque les cylindres sont disposes en étoile, les pistons se ciéplacent à 1'iiltérieur de chemises rapportées dans les cylinures, chaque cheirise étant munie, vers le haut de cylindre, d'un épaulement extérieur qui la bloque en direction de l'axe du bloc-cylindres, et d'un épaulement intérieur mordant sur la tête du piston, ce sui donne de la largeur à la tranche de la chemise, usinée à l'eifet d'épouser avec un jeu convenable la surface intérieure du carter-culasse, et permet ainsi à cette tranche de recevoir un segment ayant une section à peu près demi-circulaire, dont la fonctiovest d'assurer l'étanchéité entre chemise et culasse, tandis que des verrous solidaires du bloc-cvlindres pénètrent daiis l'épaisseur des épaulements de la chemise afin de I'empêcher de répondre aux sollicitations de la force centrifuge, lorsque celle-ci ntest pas contrebalancée par la pression. Selon une autre réalisation de l'invention, le bloc-cylindres avec cylindres en étoile présente, entre ceux-ci, des passages permettant la circulation, parallèlement à son axe, du fluide de refroidissement qui peut être de l'air, ce qui ne pose aucun problème, ou sinon de l'huile (en raison de l'étanchéité imparfaite, surtout au repos, du circuit de refroidissement par rapport aux mécanismes), cette huile, qui est alors poussée par une pompe extérieure liée au moteur, trauersant un radiateur de refroidissement, puis un clapet spécial à trois voies avant d'entrer dans le moteur par son point bas pour en ressortir par son point haut, en communication avec l'atmosphère, et regagner un bac-réservoir, le clapet spécial obturant, grâce à un ressort, l'arrivée du liquide en l'absence de mouvement de la pompe (arrêt du noteur) pour permettre au moteur de se vider dans le réservoir dès qu'il est arrêté, tandis qu'à la mise en marche du moteur, donc de la pompe, le clapet chassé par la pression comprime son ressort et va fermer la vidange pour permettre au moteur de se remplir. Selon une autre réalisation de lBinvention, les têtes de pistons ayant une forme telle qu'elle vienne s'appliquer exactement, au point mort haut, sur la surface intérieure du carterculasse et éventuellement sur l'épaulement intérieur de chaque chemise, les bougies ou injecteurs étant supprimés et les orilices de chaque sorte, au nombre de 2n comme pour un cycle à deux temps, étant placés de façon à permettre, les uns l'aspira tion en milieu libre, et les autres, muslis ou non d'un clapet anti-retour, le refoulement dans une enceinte, le dispositif devient utilisable soit comme compresseur, soit comme pompe aspi rate et foulante, ou en sens inverse comme moteur hydraulique ou à az comprimés. Les valeurs 1s=5 d'où n=3 paraissant être les plus intéressantes, un dispositif de moteur à explosion à quatre temps, en étoile, conforme à l'invention et basé sur ces valeurs, a été représenté schématiquement, à titre dtexemple,sur les dessins annexés dans lesquels La fig. it 1 est une coupe du moteur par le plan perpendicu- laire à l'axe du vilbrequin qui contient les axes des cinq cylindres. La i'ig2 est une coupe du moteur par un plan contenant l'axe du vilbrequin et l'axe du cylindre dont le piston est au point mort haut. La fig 3 est le développement de la surface intérieure (cylindrique de révolution) du carter-culasse entre deux bougies (arc de 1200), montrant le dessin des orifices d'échappement et d'aspiration. La Fig 4 est le schéma du circuit de refroidissement à l'huile avec son clapet spécial à trois voies. Le bloc-cylindres 1, cylindrique et de révolution, reçoit cinq chemises 2, disposées en étoile, à 720 les unes des autres, chacune étant bloquée vers l'axe de rotation par son épaulement extérieur 3 et vers l'extérieur par deux verrous 4. Chaque chemise reçoit de plus, sur sa tranche extérieure, confondue avec la surface extérieure du bloc-cylindres, un segment d'étanchéité 5 dont la section est à peu près demi-circulaire et dont la forme dans lXespace se moule sur la surface intérieure du carterculasse. Dans chaque chemise 2 avait été introduit préalablement un piston 6 muni de segments classiques, dont la tête est creusée pour former la chambre d'explosion 7, tandis que sa cloison diamétrale e est creusée d'une rainure rectiligne 9 en forme de T recevant une lame 10 et deux lames 11 en métal antifriction, entre lesquelles se déplace la glissière 12, également en forme de T, portée par un secteur 13, de 720 de développement, pris dans une couronne circulaire. Sur chaque flanc d'un secteur 13 se trouve un bandeau circulaire 14 qui se loge dans une orge 15 d'un des deux flasques symétriques 16, tournant sur le maneton unique 17 du vilbrequin 18, par l'intermédiaire de trois bagues antifriction 19 (assez étroites pour permettre leur montage sur 17).Les deux flasques 16 sont solidement assujettis entre eux et avec les secteurs 13 porteurs des glissières 12, par les cinq boulons 20. Le carter-culassa 21 enveloppe le bloc-cylindres. Il porte trois bougies 22, trois orifices d'échappement 23, en deux parties tisorifiçes d 'aspirio2 en deux partiez chacun chacun, que serine estdecaee00 par rapport a la chacun dente. D"un côté du bloc-cylindres se trouve un flasque 25 que son épaulement 26 centre par rapport au carter-culasse 21 sur lequel il est boulonné, tandis que, par rapport à ce flasque 25, le bloccylindres est centré par le roulement à rouleaux cylindriques 27 et le vilbrequin par le roulement à rouleaux cylindriques 28. De l'autre côté du bloc-cylindres, un flasque 29 est centré de la même façon par son épaulement 26, un roulement 27 et un roulement 28, mais il a une forme un pew différente de celle de 25 car il doit supporter en plus une extrémité dtn" petit arbre 30 portant clavetée une roue dentée 31 engrenant avec une couronne dentée 32 fixée sur le bloc-cylindres 1. Loutre extrémité de 30 porta clavetée une roue dentée 33 engrenant avec une roue dentée 34 dont axe 35 est porté par carter 36 fixé sur le flasque 29. 36 supporte également la deuxième extrémité de l'arbre 30. La roue dentée 34 engrène avec un pignon denté 37 claveté sur le vilbrequin 18t lequel se trouve ainsi lié par engrenages au bloc-cylindres. Un petit capot 38 protège les roues 31 et 33 et maintient l'arbre 30. Deux masses d'équilibrage 39 sont clavetées sur le vilbre- quin symétriquement par rapport au plan commun aux axes de pistons. L'une tourne à l'intérieur du carter 36 et l'autre est protégée par un carter spécial 40. Le bloc-cylindres 1 est creusé, à l'intérieur de son alésage central, d'une gorge 41 qui permet le passage des glissieres 12 lors de leur mouvement excentrique autour du vilbrequin. Les chemises 2 sont échancrées latéralement au profil de cette gorge pour laisser le même passage. Le bloc-cylindres présente aussi, entre les cylindres, cinq trouées 42 qui permettent le passage de huile de refroidissement, laquelle entre par l'orifice le plus bas 43 et sort par l'orifice le plus haut 44. Dans le schéma de la Fig 4, 45 représente le moteur avec son orifice bas 43 et son orifice haut 44. Le tube d'évacuation 46 arrive dans un collecteur 47 qui communique avec l'atmosphère par le tube 48 et dont le fond se termine par le tube 49, communiquant avec le réservoir 50 par le tube 51, et avec un clapet spécial à trois voies 52 par le tube 53. Le clapet 52 reçoit, en face du tube 53, le tube 54 sortant du radiateur 55, et, perpenP diculairementr le tube 56 qui le joint à l'rificebas 43 du moteur. Une boule 57, poussée par un ressort 58, peut obturer selon les conditions, soit le tube 53, soit le tube 54. Une pompe 59, liée au moteur, refoule i travers le radiateur 55 l'huile querelle puise au fond dz réservoir 50, lequel communique aussi avec l'atmosphère par le tube 48. A l'intérieur du moteur (Fig. 2), les joints cinétiques- 60 d'un côté 'et 61 de l'autre, empêchent, pendant la rotation du moteur, l'huile de passer du circuit de refroidissement dans les mécanismes. Laissant de côté le détail du cycle à quatre temps universellement connu, le fonctionnement est le- suivant Les roues et pignons dentés 31, 32, 33" 34,- et 37 sont calculés de telle façon que pour cinq tours du vilbrequin 18 dans le sensode la flèche 62 le bloc-cylindres 1 tourne de un tour dans le sens de la flèche 63 opposée à la précédente (Fig 1).Par ailleurs chaque fois que le vilbrequin fait un tour, le moyeu, formé par les deux flasques symétriques 16 solidarisés avec les cinq sec-teurs 13, décrit un cercle ayant pour rayon le rayon de manivelle,, mais ce moyeu, du fait des cinq glissières 12, qui doivent restes respectivement perpendiculaires aux axes des cinq pistons, conserve une orientation constante par rapport à ces pistons, donc par rapport au bloc-cylindres. Et chaque fois que l'axe du maneton coupe l'axe d'un cylindre, le piston de ce cylindre se trouve, soit au point mort haut,, soit auKpoiLt mort bas. Le calcul montre que le centre de gravité du système des pistons est à une distance fixe de l'axe du vilbrequin, égale à la moitié du rayon de manivelle, d'où l'équilibrage dynamique absolu par les deux masses 39. Le calage initial des roues dentées ayant été réalisé de telle sorte que le point mort haut de l'un des pistons se trouve exactement sur le rayon passant par une bougie (explosion), chaque fois que le vilbrequin aura tourné de 1500 dans le sens de 62, le bloc-cylindres aura tourné de 30 daiis le sens de ow. Le déplacement relatif est donc de 1800 et le piston qui était à son point mort haut est passé à son point mort bas.Par str-jte, au cours d'une rotatioii de 12i)0 du bloc-cylindres dans le sens de 03, à partir de la position définie ci-dessus prise comme 0, on trouvera le même piston au point mort haut (explosion) à 0, au point mort bas à 300, au point mort haut à 600, au point mort bas à 900 et de nouveau au point mort haut (explosion) à 1200, sous la bougie suivante. Ceci est illustré sur la Fig 3 où les séries de cercles concentriques représentent les traces successives d'un même segment d'étanchéité 5 sur la surface intérieure développée du carter-culasse,aux positions indiquées ci-dessus du cylindre auquel il correspond dans le loc-cylindres. Les orifices d'échappement 2-3 et d'admission 24 sont placés aux écarts angulaires convenables pour jouer leur rôle dans un cycle à ouatre temps. Tels qu'ils sont représentés, ils indiquent l'existence d'une avance à l'ouverture de l'échappement et atun retard à sa ferrneture, d'un léger retard à l'ouverture de l'admission et d'un retard à sa fermeture. Si l'on tient compte de tous les cylindres, on constate que chaque fois que le maneton de vilbrequin passe au plus prés d'une outre, il y a sous cette bougie un piston au point mort haut et prêt pour l'explosion. Cela représente trois temps moteurs par tour de vilbrequin, c'est à dire une régularité de couple égale à celle d'un six-cylindres classique. Par suite, la cylindrée (volume aspiré par tour de vilbrequin) est égale à six fois le volume aspiré par un seul cylindre, bien qu'il n'y ait que cino cylindres en jeu. Le dispositif d'allumas devra comporter trois plots seulement et tourner à la même vitesse que le vilbrequin. Pour ce qui est du refroidissement (Fig 4), la pompe 59, qui est liée au moteur et s'arrête avec lui, aspire l'huile de refroidissement dans le fond du réservoir 50, la chasse à travers le radiateur 55 d'où elle ressort par le tube 54, lequel était jusque là Douché par la boule 57 chassée par son ressort 58. liais la pression exercée par l'huile sortant de 54 chasse la boule et ltolJlir-e à fermer le tube 53 s'ouvrant en face, ce qui fait que l'huile sort du clapet 52 par le tube 'h et passe cans le moteur 45 par l'orifice bas 43, le remplissaiit complètement jusau'à l'orifice haut 44, puis tombant par le tube 4o dans le collecteur 47 d'où elle regagne par gravité le réservoir 5u puisaue 47 et 50 communiquent avec l'atmosphère par le même tube 48. Le circuit est alors fermé. Lorsque le moteur s'arrête, il arrête la pompe. La boule 57 n'étant plus chassée par la pression, obéit à son ressort 58 et bouche le tube 54, à condition que le bas du tube 46 ne soit pas trop au-dessus du haut du tube 53 (pression statique). Dès lors, le moteur 45 se vide par siphonnas, par le tube 56, le clapet 52, le tube 53, l'huile retournant au réservoir 50 par le tube 51. Cette disposition a pour but d'éviter qu'à l'ar rêt,l 'huile de refroidissement envahisse les mécanismes, les joints 60 et 61 étant alors peu efficaces. En dehors de ses possibilités d'application dans les domaines des pompes et moteurs hydrauliques ou des compresseurs et moteurs à gaz comprimés, le dispositif objet de la présente in- Invention doit trouver son application dans le domaine des moteurs à combustion interne. Plus précisément encore, le dispositif pour lequel N=5 et n=3, décrit ci-dessus à titre d'exemple, devrait pouvoir concurrencer avec succès les moteurs classiques actuels à quatre cylindres. En effet, s'il a contre lui d'exiger un cylindre supplémentaire ainsi qu'un harnais d'engrenages pour faire tourner le bloc-cylindres, il a pour lui l'absence de soupapes, culbuteurs ou poussoirs, un vilbrequin court à un seul maneton, un équilibrage dynamique absolu indépendant du poids des pistons, et une ré R l V E o I C A 1 S 1)Dispositif avec pistons, à variations volumétriques périodiques, permettant, en particulier, la réalisation de moteurs à combustion interne, à quatre temps et sans soupapes, avec équilibrage dynamique absolu, caractérisé par le fait qu'il comporte un bloc-cylindres dont la surface extérieure est, au moins partiellement, en forme de cylindre de révolution et qui porte N cylindres régulièrement répartis, de préférence en étoile plutôt qu'en barillet, ce bloc-cylindres tournant autour de son axe de révolution avec une vitesse angulaire proportionnelle à un, à l'intérieur d'uicarter fixe qui l'enveloppe au débouché des cylindres avec -le jeu minimum acceptable et porte à intervalles réguliers sur le trajet des hauts de cylindres, n bougies d'allumages (ou n injecteurs) ainsi que n orifices d'échappement. et n orifices d'admission pour un cycle à quatre temps (2n pour un cycle à deux temps), ce qui lui fait jouer le rôle de n (ou 2n) culasses indifférenciées par rapport aux N cylindres qui ont chacun leur. piston creusé de sa chambre de combustion, tandis que le vilbrequin, qui commande le mouvement des pistons par un moyen devant imposer pour chaque tour sur lui-même du vilbrequin un aller et retour de piston, tourne autour du même axe que le bloc-cylindres, en sens inverse de celui-ci, avec une vitesse angulaire proportionnelle à N, le nombre N, nécessairement impair, étant lié à n. par la relation N=2n - 1, ce qui permet n temps moteurs par tour de vilbrequin pour un cycle à quatre temps (2n pour un cycle à deux temps) sans intervention dde soupapes, car les orifices d'échappement et d'admission carter-culasse débouchent au moment opportun dans les hauts de cylindres qui sont obturés le reste du temps par la surface intérieure de ce carter-culasse. 2)Dispositif selon la revendication 1) caractérisé par le fait que le moyen qui lie le mouvement du. vilbrequin à celui des pistons, lorsque les cylindres sont disposés en étoile, est constitué par un simple moyeu tournant sur l'unique maneton du vilbrequin, ayant en gros la forme d'un polygone régulier à N côtés, dont l'axe est confondu. avec celui du maneton, et dont les côtés sont des glissières rectilignes à section en T (ou des glissières mécaniquement équivalentes) qui s'engagent, avec un jeu convenable, chacune dans un piston, oerpendiculairement à l'axe de déplacement de celui-ci dans son cylindre, ce qui impose au moyeu une orientation fixe par rapport au bloc-cylindres, et impose en outre, au système mat.riel des N pistons, un centre de rravité fixe par rapport au vilbrequin, d'où la possibilité d'un équilibrage dynamique absoluides masses en mouvement. 3) Dispositif selon la revendication 1) caractérisé par le fait que le moyen qui lie le mouvement du vilbrequin à celui des N pistons lorsque les cylindres sont disposés en étoile, est un dispositif à deux biellettes par piston formant parallélogramme articulé avec une base sur le moyeu unique, ce qui oblige celuici à conserver une orientation fixe par rapport au bloc-cylindres, mais la longueur nécessaire des biellettes augmente alors ltencombrement et l'équilibrage dynamique ne peut plus être quss'approché. 4) Dispositif selon la revendication 1) caractérisé par le fait que lesmoyen qui lie le mouvement du vilbrequin à celui des N pistons, lorsque les cylindres sont disposés en étoile, est un dispositif classique tel que bielle mattresse et biellettes, mais l'encombrement est alors supérieur et 1téquilibrage dynamique ne peut plus être qu'approché. 5) Dispositif selon les revendications 1) 2t 3) ou 4) avec les cylindres disposés en étoile, caractérisé par le fait que les pistons se déplacent à l'intérieur de chemises rapportées dansles cylindres, chaque chemise étant munie, vers le haut de cylindre, dlum épaulement extérieur qui la bloque en direction de base du bloc-cylindres, et d'un épaulement intérieur mordant sur la tête du piston, ce qui donne de la largeur à la tranche de la chemise, usinde à l'effet d'épouser avec un jeu convenable la surface intérieure du carter-culasse, et permet ainsi à cette tranche de recevoir un segment ayant une section à peu près demicirculaire, dont la fonction est d'assurer létanchéité entre chemise et culasse, tandis que des verrous solidaires du bloccylindres- pénètrent dans l'épaisseur des épaulements de la chemise afin de l'empêcher de répondre aux sollicitations de la force centrifuge, lorsque celle-ci ntest pas contrebalancée par la pression. 6) Dispositif selon les revendications 1) à 5) avec les cylindres disposés en étoile, caractérisé par le fait que le bloc cylindres présente entre les cylindres, des passages permettant la circulation, parallèlement à son axe, du fluide de refroidissement qui peut être de l'air, ce qui ne pose aucun problème, ou sinon de l'huile (en raison de ltétanchéité imparfaite, surtout au repos, du circuit de refroidissement par rapport aux mécanis- mes), cette huile, qui est alors poussee par huile pompe exterieure liée au moteur, traversant un radiateur de refroi yuans le moteur par son point oas pour en ressortir par son point haut, en communication avec l'atmosphère et regarder un bac-réservoir, le clapet spécial obturant, grâce à un ressort,l'arrivée du liquide es l'at > sence de ouvenent de la pompe (arrêt du moteur) pour permettre au moteur de se vider dans le réservoir dès qu'il est arrêté, tandis au'à la mise en arche du moteur, donc de la pompe, le clapet chassé par la pression comprime son ressort et va fermer la vidange pour permettre au moteur de se remplir. 7) Dispositif selon les revendications 1) à 6) caractérisé par le fait que les têtes de pistons ont une forme telle quelles viennent s'appliquer exactement, au point mort haut, sur la surface intérieure du carter-culasse et éventuellement sur lZépaulement intérieur de chaque chemise, les bougies ou injecteurs étant supprimés et les orifices de chaque sorte, au nombre de "n comme pour un cycle à deux temps, étant placés ae façon à permettre, les uns l'aspiration en milieu libre, et les autres, munis ou non d'un clapet anti-retour,le refoulement dans une enceinte, a'où la possibilité d'utiliser le dispositif soit comme compresseur, soit comme pompe aspirante et foulante ou, en sens inverse, combine moteur hydraulique ou à gaz comprimés.