Brevet FR2342401A1 — publié le 19770923

La présente invention concerne un moteur à combustion interne à cycle à quatre temps destine à être utilise dans les moyens de transport et en tant que moteur fixe. On connaît plusieurs types de moteurs à combustion interne à quatre temps, les plus répandus étant les moteurs comportant un cylindre, un piston, une tige de connexion, un vilebrequin, un volant, un engrenage, un arbre à cames, des soupapes, des ressorts, une culasse etc. Cependant, les moteurs de ce type présentent des inconvénients en ce qui concerne leur fonctionnement ainsi que le chargement, la complexité, le coût, le poids, les dimensions et le nombre des plèces. On sait qu'à l'lieur actuelle les problemes essentiels à résoudre pour un moteur à combustion interne sont les suivants - meilleure organisation du processus opératoire en vue d'une combustion plus complexe du combustible - augmentation de la résistance d'anti détonation ; - amélioration du rendement thermique ; - réduction des pertes mécaniques ; - plus petits dimensions et poids pour unité de puissance - réduction de la complexité, du coût, du poids et du nombre des pièces ; - réduction des efforts appliqués sur les pièces et augmentation de leur résistance à l'usure ; - diminution du poids des pièces mobiles et leur équilibrage total - facilité d'entretien et sureté du fonctionnement. En conséquence, le but de la présente invention est de mettre au point une réalisation du type susmentionné dans laquelle ces problèmes sont mieux résolus par rapport aux réalisations connues à l'heure actuelle. Pour ce faire, la présente invention a pour objet un moteur à combustion interne qui se caracterise essentiellement en ce que des pistons sont montés dans des ouvertures circulaires cylindriques d'au moins deux fourreaux sphériques, les fourreaux sphériques étant montés dans des culasses comportantdes cavités sphériques et des orifices pour les gaz, un élément-guide monté sur paliers dans chacun des pistons- étant fixé d'une part,par lwintermédiaire d'un joint sphérique à vitesse angulaire constante,à un couvercle et d'autre part, monté sur paliers à son autre extrémité excentriquement et sous un certain angle dans un volant. Un mode de réalisation de la présente invention est décrit ci-après à titre d'exemple en référence aux dessins annexes dans lesquels - la figure 1 est une vue en coupe selon l'axe principale d'un moteur conforme à l'invention ; - la figure 2 est une vue partielle avec des coupes perpendiculairement à l'axe principal du moteur, et - la figure 3 est une vue d'une partie selon la direction A de la figure 2, à savoir la culasse 26. Desculassys 26 au nombre de huit, sont disposées l'une à côté de l'autre, selon leurs p rois latérales formant un angle de 450, pour former un cercle. Leur fixation l'une par rapport à l'autre est assurée par des manchons d'ajustage 33. Les deux bords extérieurs du cercle forméspar les culasses 26 sont traités en commun pour former des surfaces coniques sur lesquelles sont montées un couvercle 11 et une couronne 15 comportant les mêmes surfaces coniques sur leurs bords intérieurs. Un serrage sous tension est assuré par l'intermédiaire de boulons 12 et d'écrous 13 sur toutes les surfaces de contact entreles culasses 26, le couvercle 11 et la couronne 15, chaque culasse 26 comportent une cavité sphérique 37 avec des orifices 36 et 38 pour les gaz.La cavité 37 a la forme d'une partie d'une surface sphérique découpée de telle sorte qu'un fourreau sphérique 31 ne puisse y être introduit que lorsqu'il occupe une position prédéterminée, à savoir lorsque l'axe de ltouverture cylindrique du fourreau sphérique 31 est perpendiculaire à l'axe central (vertical) dela culasse 26 et en même temps est perpendiculaire à l'axe principale du moteur. Dans toutes les autres positions de l'axe de l'ouverture, le fourreau sphérique 31 est retenu avec un petit jeu, par la cavité sphérique 37 dans n'importe quelle position. L'un des orifices pour les gaz 38 est relié, par l'intermédiaire d'un canal tangent en spirale 39, à la cavité intérieure du moteur, tandis que l'autre orifice 36 se termine par une bride pour le tuyau d'échappement 35.La cavité sphérique 37 est prise dans une chemise pour un liquide de refroidissement 27 qui passe dans deux canaux périphériques 34 qui font le tour de toutes les culasses 26 par l'intermédiaire des manchons d'ajustage 33. L'ouverture du fourreau sphérique 31 vers la cavité sphérique 37 comprend une collerette d'étanchéité 30 pour assurer une autoCétanchéité lors d'une pression élevée dans la chambre. De l'autre côté de la même ouverture est monté, avec un jeu prédéterminé, un piston 28, l'étanchéité étant réalisée par des bagues de piston 29. Sur le fourreau sphérique 31 est monté un guide 2 avec des rouleaux (roulement à billes) 1. La partie inférieure du piston comporte un bossage 3 avec des ouvertures pour des coquilles 22 d'un palier pivotant sphérique et deux rainures 4 pour les rouleaux 1. Le centre de gravité du piston 28 au point mort supérieur colncide avec le centre de rotation du fourreau sphérique 31 par rappor-t à la culasse 26. Les trois parties, à savoir la culasse 26, le fourreau sphrique 31 et le piston 28 sont fait en un aliage d'aluminium. Toute la surface extérieure du fourreau sphérique 31 est chromez, tandis qu'à l'intérieur du fourreau il y a une cavité 32 remplie jusqu'à 60 Z avec du sodium. Tous les pistons 28 sont montés par l'intermédiaire de paliers pivotants sphériques formés par les coquilles 22 et une sphere 23, à des paires de languettes 24 de 11 élément guide 18, ces paires étant disposées dans leur plane à un angle de 45 . La sphère 23 de chaque palier est serrée aux languettes 24 par un boulon 25 et un écrou 21. La partie intérieure de ltélement guide 18 comporte une surface sphérique avec des canaux pour des billes 9. Les parties susmentionnées 9 et 18 avec le séparateur 10 et la bague sphérique avec des canaux 8 forment un joint sphérique à vitesse angulaire constante. De fait de la fixation de ce joint sur le noyau creux 7 du couvercle 11, la rotation de l'élément guide 18 autour de son propre axe n'est pas possible, tandis que des mouvements angulaires de cet axe par rapport à l'axe principal du moteur restent possibles. L'extrémité mobile de l'élément guide 18 est montée sur paliers excentriquement et sous un angle de 40 dans le volant 20 par I'intermédiaire d'un palier à double rangée de rouleaux auto-ajustable 19. La partie conique de l'élément guide 18 comporte quatre ouvertures circulaires symétriques 17. Le canal 5 du noyau creux 7 comporte une buse pour huile 6. Le volant 20 est monté, par l'intermédiaire du palier à billes 16 qui ltentoure, dans la couronne 15. Le joint d'étanchéité 14 assure l'étanchéi- té du volume interne du moteur. Un poids de balancement est assuré pour ie volant 20 en contre-sens du montage sur paliers de l'élément guide 18. La réalisation ainsi constituée fonctionne de la manière suivante Lorsque le volant tourne, l'axe de l'élément guide se déplace selon une surface conique. Cependant, l'élément guide lui même ne peut pas tourner autour de son axe en raison de la connexion du joint sphérique à vitesse angulaire constante avec le corps fixe du moteur. En raison de cette connexion le centre de chaque palier, par I'intermédiaire duquel le piston est lié avec le guide, décrit une trajectoire d'espace. Cette trajectoire est sur une surface sphérique ét a une forme se rapprochant au chiffre 8. Il est à noter que l'axe verticale de ce chiffre 8 est parallèle à l'axe principal du moteur. Pour un tour du volant le point de formation parcourt une fois toute la trajectoire. La course du piston selon son axe, ainsi que la position angulaire de cet axe, sont définies par le centre du palier décrivant la trajectoire en forme de 8. Ceci étant, lorsque le centre du palier susmentionné se trouve aux points les plus éloignés l'un de l'autre des deux parties de la trajectoire, le piston se trouvera au point mort inférieur, tandis que lorsqu'il se trouve dans le point où la trajectoire se croise en elle même, le pistons trouvera au point mort supérieur. Ainsi, pour un tour du volant le piston effectue quatre courses completes et à chaque position angulaire d'une course prédéterminée du piston correspond une position angulaire prédéterminée de l'axe de l'ensem- ble piston-ouverture du fourreau sphérique, position qui ne se répète pendant aucune des autres trois courses.Ainsi, l'ouverture du fourreau sphérique vers la cavité sphérique de laculasse(avec le rebord)suit un parcours également en forme de 8 en assurant ainsi l'ouverture et la fermeture des orifices pour les gaz dans les courses correspondantes du cycle à quatre temps. Pendant les courses de compression et expansion aucun orifice pour les gaz n'arrive sur le parcours de l'orifice du fourreau sphérique. Pendant la course d'admission l'ouverture de l'orifice de gaz s'effectue avec un retard minimum mais avec un élargissement très rapide de l'orifice, tandis que sa fermeture s'effectue avec le retard nécessaire. Ceci se répète dans le sens contraire lors de la course d'échappement. Cette description cinématique des mouvements des différentes parties détermine les conditions de fonctionnement du moteur. Pour un tour du volant s'effectuent successivement des cycles complets à quatre temps dans chacun des huit volumes de travail. Les forces créées par la pression du gaz sont transmises toujours à partir du piston vers le volant par le guide sans effectuer de pression du piston sur le fourreau sphérique. Partant, le fourreau sphérique ne transmet pas de telle pression vers la cavité sphérique, sauf une pression prédéterminée des gaz sur la collerette d'étanchéité, pression assurant l'étanchéité du fourreau lors d'une pression élevée dans la chambre. Les forces créées par les accélérations linéaires et angulaires variables du piston sont toujours transmises uniquement à partir du palier vers le guide, étant donne que le centre de gravité du piston coincide au point mort supérieur avec ce centre du mouvement angulaire de l'axe du piston. Ainsi, le piston ne transmet pas de forces d'inertie vers le fourreau sphérique. Par conséquent, le fourreau sphérique ne transmet vers la culasse que la pression susmentionnée des gaz vers la collerette d'étanchéité. La force créée par le moment d'inertie du fourreau sphérique lors de son accélération angulaire variable, est prise essentiellement par les rouleaux de son guide et leurs rainures des languettes du piston. Cette force est fonction du carré des tours et a une valeur maximale vers le- premier quart de course du piston du point mort supérieur vers le point mort inférieur, lorsque cette force n'est prise pratiquement que parle rouleau et la rainure, tandis que les efforts par unité de superficie sur les parois du fourreau spheri- que et le piston restent très petits. Les forces des inerties des pistons sont toujours équilibrées avec précision. Cependant, en raison du changement de leur angle par rapport au guide,'elles créent des moments d'inertie variables poùr chaque paire de pis tons. Des moments d'inertie sont créés également par les accélérations variables des fourreaux sphérique du guide, des billes et du séparateur du joint sphérique. La sommation de tous ces moments d'inertie donne un moment d'inertie constant en ce qui concerne sa valeur et sa direction par rapport au guide. Ce moment est équilibré totalement par un moment contraire créé entre le centre de gravité du guide, la connexion du palier au volant etc, et le centre de gravité de leur contre poids, les deux centres se trouvant sur une droite non perpendiculaire à l'axe principal du moteur. Les efforts créés par les forces ainsi décrites atteignent des valeurs comparables aux efforts semblables dans les moteurs connus avec deux fois plus de courses pour unité de temps, ou à un nombre égal de tours. Cela signifie que les pertes de friction dans le piston, le fourreau sphérique et la culasse sont faibles. Dans le transfert des forces qui suit ne participent que le joint sphérique et deux paires de paliers, de telle sorte qu'il ne se crée qu'une friction de roulement Tout cela augmente le rendement mécanique et diminue l'usure. Le poids total des pièces mobiles est faible et l'équilibrage est total. L'uniformité du moment de rotation est très élevée. Les processus dans la chambre de combustion pendant les quatre temps ont les particularités suivantes Pendant le temps d'admission la forme et la section du canal d'admission ainsi que l'endroit, la forme et la section de l'ouverture assurent de faibles pertes gazo dynamiques, un grand rapport temps-section d'ouverture et une turbulence extrêmement favorable du mélange combustible aspiré. L' écoulement du mélange est réalise de telle sorte qu'il a une grande vitesse de rotation dans la chambre. Pendant le temps de compression dans la chambre se trouvent les surfaces- relativement peu chauffées de la cavité sphérique. La forme de la chambre est la plus favorable, les parois ont une grande précision de traitement mécanique, il ne se forme pas de dépôt sur laparoi de la culasse, En addition à la forte rotation du mélange combustible dans la chambre, le piston au point mort supérieur pousse le combustible sous la collerette d'étanchéité de la cavité sphérique en lui imprimant ainsi une turbulence complémentaire. Tout ceci a pour résultat une très grande vitesse et une combustion complète du combustible ainsi qu'unie résistance d'antidétonation élevée. Lors d'un déplacement du centre de laculasse parallèlement a l'axe principal du moteur, on peut obtenir une course plus longue du piston pendant le temps de détente par rapport a celle pendant les temps d'admission et de compression. Ceci mène a une utilisation plus complète de l'énergie du combustible avant son échappement, c'est-à-dire à un rendement thermique élevez Pendant le temps d'échappement, l'évacuation du combustible s'effectue selon un canal direct et court, ce qui diminue la charge thermique de la culasse. Les canaux d'admission aspirent de l'air de la cavité intérieure du Moteur ou il s'introduit par le noyeu creux du couvercle après son filtrage par un filtre (non représenté sur les figures). La buse disperse sous tension de l'huile dans le noyeu creux, selon les tours et la charge. Le brouillard d'huile ainsi obtenu avec la turbulence d'air passe sur toutes les surfaces chauffées et de frottement, à savoir le joint sphérique, les roulements à billes, le piston et son palier, les rouleaux et les rainures, la cavité sphérique et le fourreau sphérique. Ceci assure la lubrification toujours avec une huile fraî- che en quantité strictement fixee ne dépendant pas de la vitesse d'usure des éléments d'étanchéité. Ceci permet également d'éviter la formation de dépôt dans ces mêmes éléments.La turbulence d'air et l'évaporation de l'huile refroidissent, dans un certain degré les surfaces chauffées ét notamment celles du piston et du fourreau sphérique. Le bon déchargement thermique de la culasse, le refroidissement intE- rieur par sodium de la cavité sphérique ainsi que la nature de son mouvement, la forme du piston, les turbulences du gaz a l'intérieur du moteur et dans la chambre, diminuent le chargement thermique. Le liquide de refroidissement est amené, par le canal commun formé vers chaque culasse, à partir du côté le plus chauffé de cette dernière et est évacué par un canal commun d'évacuation, toutes les culasses se trouvant ainsi connectées en parallèle dans le flux du liquide, ce qui diminue les différences de températures. Le serrage des culasses par les boulons,le couvercle et la couronne diminue les déformations de températures. Un refroidissement d'air est également possible. Dans la réalisation décrite ci-dessus, le mélange de combustible s'effectue par un appareillage d'injection de combustible dont les buses (non représentées sur les figures) injectent le combustible dans le canal d'admission ou dans la chambre, un allumage par étincelle ou un auto-allumage (Diesel) étant également possible. On peut utiliser également un carburateur. Pour qu'on puisse se rendre compte des dimensions et du poids de la réalisation représentée, il faut tenir compte que pour une échelle de 1 : 2 sur les figures, le moteur a un volume de travail de 2500cm3. D'autres arrangements constructifs concernant le nombre et la disposition des cylindres sont également possibles. En cas de sis cylindres, les paires opposées de cylindres peuvent réaliser des courses simultanées, les culasses opposées étant tournées à 180 l'une par rapport à l'autre relative-ent à l'axe reliant les centres de leurs cavités sphériques. REVENDICATIONS 1. Moteur à combustion interne à quatre temps caractérisé en ce que dans des ouvertures cylindriques d'au moins deux fourreaux sphériques (31) sont montés des pistons (28), les fourreaux sphériques (31) étant montés dansdes culasses (26) comportant des cavités sphériques (37) et des orifices pour les gaz (36) (38), un élément guide (18) monté sur paliers dans chacun des pistons (28) étant fixé d'une part, par l'intermédiaire d'un joint sphérique à vitesse angulaire constante (8, 9, 10), à un couvercle (11), et d'autre part, à son autre extrémité, sur paliers excentriquement et sous un certain angle dans un volant (20). 2. Moteur à combustion selon la revendication 1, caractérisé en ce que les culasses (26) sont disposées pour former un cercle et sont serrées selon des surfaces coniques communes par ledit couvercle ( et la couronne (15) à l'aide de boulons (12) et d'écrous (13). 3. Moteur à combustion selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la cavité sphérique (37) de la eulasse (26) entoure partiellement le fourreau sphérique (31) au dessus de sa section circulaire maximale, tandis que le canal d'admission (39) a une forme en spirale tangente par rapport à la surface de la cavité sphérique (37). 4. Moteur à combustion selon l'une quelconque des revendications l à 3, caractérisé en ce qu'un guide (2) avec des rouleaux (1) est fixé sur le fourreau sphérique (31), ce dernier comportant une collerette d'étanchéité (30) et une cavité (32) remplie en partie de sodium. 5. Moteur à combustion selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le centre de gravité du piston (28) au point mort supérieur colncide avec le centre de rotation du fourreau sphérique (31) par rapport à la culasse (26) 6. Moteur à combustion selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que chaque pistion (28) est monté, par I'intermédiire d'un palier pivotant sphérique formé par des coquilles (22) montées dans un bossage (3) du piston (28) et une sphère (23) serrée par un boulon (25) et un écrou (21), sur une paire de languettes (24) de l'élément guide (18) les deux côtés du bossage (3) du piston (28) comportant des rainures (4) pour les rouleaux (1) du fourreau sphérique (31). 7. Moteur à combustion selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'élément guide (18) est monté sur paliers sous un angle de 40 dans le volant (20) par l'intermédiaire d'un palier à double rangée de rouleaux autoajustable (19). 8. Moteur a combustion selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le volant (20) est monté, par l'intermédiaire d'un palier a billes (16) qu'-l'entoure, dans la couronne (15). 9. Moteur àcombustion selon l'une quelconque des revendications I à 8, caractérisé en ce que la cavité -interiéure~du moteur est étanche et n'est liée 8 l'ambiance atmosphérique que par un canal (5) du noyau creux (7), tous les canaux d'admissions (39) des culasses (26) se terminant dans ladite cavité intérieure. 10. Moteur à combustion selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'une buse de dispersion d'huile (6) est montée dans le canal (5) du moyeu creux (7), le débit de ladite buse étant fonction des tours et du chargement. 11. Moteur à combustion selon l'une quelconque des revendications I à 10, caractérisé en ce que les chemises pour liquide de refroidissement (27) des culasses (26) sont liées en parallèle à deux canaux périphériques (34). 12. Moteur à combustion selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que les paires opposées de culasses (26) sont formées à 1800 l'une par rapport à l'autre, relativement à l'axe reliant les centres de leurs cavités sphériques (37).