Brevet FR2461813A1 — publié le 19810206

La présente invention concerne un dispositif permettant de faire varier le couple d'un mécanisme à pistons et bielles, et, en particulier, le couple délivré par un moteur thermique à pistons, pendant son fonctionnement ou a l'arrêt. Cette modification provoquant une variation de la course du piston, donc du volume engendré, ce dispositif peut également être adapté aux compresseurs et pompes, à pistons, dont le débit doit varier en fonctionnement, malgré une vitesse de rotation constante de l'arbre d'entraînement. L'invention comprend encore, à titre de produit industriel, le moteur thermique construit à partir de ce dispositif. Dans les moteurs thermiques à course constante du piston, équipant un véhicule terrestre automobile, le couple moteur maximum varie peu autour d'une valeur moyenne, quelle que soit la vitesse de rotation de l'arbre du moteur, alors que le couple nécessaire aux roues est important au départ, du fait de l'accélération requise, pour décroître ensuite jusqu'à la vitesse maximum du véhicule : la force motrice aux roues équilibre alors la résistance à l'avancement du dit véhicule. L'ajustement du couple délivré par un tel moteur avec le couple nécessaire aux roues se fait par des systemes de démultiplication mécaniques (tels que jeux d'engrenages, poulies à diametre variable) ou hydrauliques, ce qui entraîne une consommation importante et inutile d'énergie : plus de 30% de la puissance du moteur. La figure I représente les variations, et discontinuités, du couple moteur maximum aux roues, appelé CM en mkg, en fonctiondela vitesse V, en km/h, d'un véhicule équipé d'une "boîte de vitesses" a quatre rapports d'engrenages, ainsi que la variation, continue, en fonction de la vitesse V, du couple antagoniste CR, également en mkg, dû à la résistance à l'avancement du véhicule. La figure 2 représente les variations, discontinues, de la puissance maximum W, en Ch, disponible aux roues pour le même véhicule. La figure 3 représente, pour ce véhicule, l'accélération-possible y, en m/s/s, en fonction de la vitesse V, en km/h, sur route horizontale, par vent nuL Le dispositif, suivant l'invention, permet d'éviter les systèmes de modification de la démultiplication entre le moteur et les roues du véhicule. Dans un moteur thermique à pistons utilisant le dispositif, objet de l'invention, les axes des cylindres sont situés sur un cercle suivant la disposition dite en barillet. Ils sont en nombre impair de préférence, tel que trois, cinq, sept, etc.... ce qui ne présente aucun inconvénient de construction dans ce cas. Ceci permet, d'une part, un allumage régulier : un, trois, deux, pour un moteur à trois cylindres par exemple la numérotation des cylindres, un deux, trois, étant faite dans le sens de la rotation de l'arbre, le moteur étant vu du côté de la culasse. Pour un moteur à cinq cylindres, l'allumage se fera dans l'ordre : un, trois, cinq, deux, quatre. D'autre part, la répartition régulière des temps moteurs et des temps résistants procure une grande régularité du couple moteur. Les pistons transmettent, par l'intermédiaire de bielles, leur mouvement linéaire à un plateau incliné sur l'arbre du moteur, dont la propriété est de transformer ce mouvement linéaire, alternatif en mouvement rotatif continu, l'axe de rotation du plateau étant parallèle aux axes des cylindres, et concentrique à leur cercle d'implantation. L'inclinaison du plateau peut être modifiée par un dispositif approprié, objet de l'invention, en fonction de la vitesse de rotation de l'arbre du moteur, de façon à augmenter le couple moteur lorsque la vitesse de rotation diminue, ce qui a pour effet de maintenir une puissance disponible du moteur pratiquement constante, même aux bas régimes, ce qui n est pas le cas des moteurs à cylindrée constante, pour lesquels la puissance n'est maximale qu'au régime maximal de rotation de l'arbre. La figure 4 illustre, à titre d'exemple non limitatif, un mode de réalisation d'un moteur thermique à quatre temps à trois cylindres utilisant le dispositif objet de la présente invention. Le moteur est représenté en position verticale, mais peut, évidemment, fonctionner en tout autre position. Pour la compréhension du dessin, un seul cylindre est représenté en coupe. Le plateau inclinable 3 reçoit la poussée du piston 8 par l'intermédiaire de la bielle 7. Cette bielle 7 s' articule sur l'axe 6 : elle peut osciller dans deux directions perpendiculaires, mais ne peut pas se déplacer le long de l'axe 6. L'axe 6 est fixé à demeure dans la pièce 4 qui est retenue sur le plateau 3 par la pièce 5. Le plateau 3 et la pièce 5 peuvent tourner par rapport à la pièce 4, immobilisée en rotation par les bielles 7 et, si nécessaire, par un dispositif complémentaire, tel que glissière verticale ou doubles biellettes, fixées au bâti 25, non représenté pour ne pas nuire à la clarté du dessin. La poussée du piston agissant en définitive sur un plan incliné (plateau 3) provoque sa rotation. Le plateau 3 s'articule sur deux tourillons perpendiculaires à l'axe i solidaires d'un manchon 2 qui est cannelé intérieurement et transmet le mouvement de rotation à l'arbre 1. Le manchon 2 peut glisser le long de l'arbre 1. A l'extrémité inférieure de l'arbre I est fixé l'embrayage, non représenté, qui transmet le mouvement aux organes utilisateurs, Le plateau 3 est prolongé, suivant un diamètre, par deux bras portant des galets. Le galet 15 pénètre dans une gorge de la pièce 9 > dans laquelle il peut se déplacer suivant un rayon de cette pièce. Il en est de même pour le galet 16 de la pièce 10. La pièce 9, concentrique à l'arbre 1, peut tourner autour de son axe, entraînée en rotation par le bras du plateau 3 portant le galet 15 grâce à une entaille dans la pièce 9, entaille dans laquelle passe le bras du plateau 3. La pièce 9 tourne dans la pièce 14 qui, au moyen de deux butées à billes antagonistes, ou tout autre dispositif équivalent, définit la position verticale de la pièce 9. De la même façon, la position verticale de la pièce 10 est définie par la pièce 11. La pièce 10 peut tourner dans la pièce 11, concentriquement à l'axe 1. Les pièces 11 et 14 portent à leur périphérie une denture permettant leur entraînement en rotation par des pignons appropriés, ces rotations étant transformées en déplacements verticaux par les filetages 12 et 13 dont elles sont équipées et dont la partie femelle, fixe, appartient au bâti 25. D'autres dispositions peuvent être adoptées pour ces filetages sans apporter de modification au principe général de fonctionnement du dispositif décrit. Le pas des filetages 12 et 13 peuvent être différents, de même sens, ou de sens contraire. Dans l'exemple, ils sont différents, mais de même sens. L'entraînement de la pièce 11 est fait par le pignon 17 alors que celui de la pièce 13 est fait par le pignon 18 et le pignon auxiliaire 19, afin que la pièce 14 tourne dans le sens inverse de la pièce 11. Les pignons 17 et 18 sont fixés sur l'arbre du moteur électrique 20. La rotation de cet arbre, dans un sens ou dans l'autre, aura donc, en définitive, pour résultat, de rapprocher, ou d'éloigner, les pièces 11 et 14, ce qui diminuera, ou augmentera l'angle que fait le plateau 3 avec l'horizontale. Le moteur électrique 20 est fixé sur le bâti principal 25. Il ne peut accomplir, qu'un nombre limité de tours. A sa partie supérieure, il entraîne un potentiométre 22 par l'intermédiaire d'un réducteur 21. A la partie inférieure de l'arbre 1 sont fixés la couronne du démarreur et l'embrayage. L'arbre 1 entraîne, à sa partie supérieure, par l'intermédiaire de pignons, le plateau 23 portant les cames qui commandent les soupapes, tournant en sens inverse de l'arbre 1, à vitesse moitié de celle de l'arbre pour un moteur à trois cylindres, ou au quart de celle de l'arbre pour un moteur à cinq cylindres. Il y a un rang de cames pour l'admission, et un rang pour l'échappement. Les têtes de soupapes sont équipées des mêmes dispositifs que les moteurs à vilebrequin à arbre à came en tête. Le plateau 23 commande en plus, le distributeur d'allumage, ou allumeur, en bout de son axe, et latéralement, les pompes à huile pour le graissage, et à eau (pour un moteur à refroidissement par liquide tel que celui représenté) ainsi que le générateur d'électricité et le tachymètre centrifuge 24, qui agit sur un potentiomètre dont la résistance variera, en définitive, en fonction de la vitesse de rotation de l'arbre 1. Ce potentiomètre et le potentiomètre 22 sont montés en " pont de Mheastone". Leur désiquilibre agit sur un relais, électrique ou électronique, qui commande la rotation du moteur 20, dans un sens ou dans l'autre, jusqu'à l'équilibre des grandeurs-électriques délivrées par les deux potentiomètres, ce qui provoque l'ouverture du relais et l'arrêt du moteur 20. A ce moment,-l'angle du plateau 3 avec l'horizontale aura une valeur correspondant à une vitesse de rotation donnée de l'arbre 1. Cet angle sera grand aux basses vitesses de rotation et petit aux grandes vitesses. La disposition des différents accessoires ci-dessus décrits peut être différente sans modifier le principe du -moteur de même que le tachymètre 24 et son potentiomètre peuvent être remplacés par tout système délivrant une grandeur électrique, variable en fonction de la vitesse de rotation. Pour faciliter la définition des éléments principaux de ce moteur, le dispositif objet de la présente invention est schématisé suivant la figure 5. L'inclinaison de l'axe 15-l6 du plateau 3 est définie par l'angle a que fait cet axe avec un plan perpendiculaire à l'arbre 1. ta rotation du plateau 3, autour de l'arbre 1, est définie à partir de sa position correspondant au point mort haut d'un piston, prise comme origine, par l'angle x. Le point A est le point d'application de la poussée d'une bielle 7 correspondant au piston considéré. Ce point A ne tourne pas autour de l'arbre 1. Au point A, le plateau 3 fait, avec un plan perpendiculaire à l'arbre 1, un angle e. Le point O est le centre du plateau 3, situé sur l'axe 1. En ce point, la droite OA fait, avec un plan perpendiculaire à l'arbre 1, un angle Ô. L'expression du couple engendré est : C = OA cos Ôx F tge F désignant la force résultant de la poussée du piston. Ô = a cos x et &commat;= e a sin x, d'où C = OA cos(a cos x)xF té(a sin x) ou encore: C = OA.F.cos(acos x) tg(asin x) Dans un moteur à combustion interne, la valeur du taux de compression volumétrique a une grande influence sur le rendement du moteur et son bon fonctionnement. Avec le présent dispositif, la modification de l'angle a du plateau 3 va avoir comme effet immédiat la modification de la course du piston, et, en finale, celle du taux de compression volumétrique. Pour éviter cette modification du taux de compression volumétrique, il faut procéder, simultanément à la variation de l'angle a, à un déplacement du plateau 3 le long de l'arbre 1, vers les cylindres quand l'angle a diminue, en sens inverse quand l'angle &alpha; augmente. La figure 6 représente schématiquement une vue de profil dans un cas extrême où x = O et Ô = a1 ou a2, al représentant la valeur maximum de l'angle a, correspondant à la vitesse minimale de rotation de l'arbre 1, et a2 la valeur minimum de l'angle a, correspondant à la vitesse maximale de rotation de l'arbre 1. N et N' désignent les positions extrêmes de l'axe du galet 15. M et M' désignent les positions extrêmes de l'axe du galet 16. NH est la projection sur la verticale du trajet NN', et MK celle de MM'. Le taux de compression volumétrique est donné par la formule e V # V est le volume balayé par le piston c est à dire 4 Dq, D étant le diamètre du piston et q sa course. V' est le volume de l'espace mort, soit 4 D2q', q' désignant la hauteur de cet espace mort. Si l'on admet que les fonds du piston et du cylindre sont plats on peut q + q' q écrire #= q' ( d'où q' = #-1 ) La formule donnant la valeur q pour un angle de rotation x quelconque est q = OA (sin a - sin (a cos x)J Une rotation de x = 1800 (ounradians) correspondra à la course maximale du piston : OA x 2 sin a Pour a maximal q1 = 2.0A sin al Pour a minimal q2 = 2.0A sin a2 Pour que le taux de compression volumétrique Q ne change pas lorsque a passe de la valeur al à la valeur a2 , il faut que le point A vienne en A", trajet que l'on décompose pour en faciliter la définition en AA' et A'A". Ce résultat est obtenu lorsque les projections sur la verticale des trajets NN', soit NH, et MM', soit MR satisfont aux relations suivantes NH = (ON - OA #+1 ) (sin al - sin a2) #-1 MK = (ON + OA ### ) (sin a1 - sin a2) On veillera à avoir ON # OA + b cos &alpha;2, b repésentant le rayon extérieur cos &alpha;1 ae la tête de bielle. 1 NB Les calculs seront conduits de façon à trouver pour valeur de MK un rapport de nombres simples qui permettront la définition des filetages 12 et 13 et des rapports d'engrenages 14-18 et 11-17. NH P13 n18 Ces éléments sont en rapport entre eux suivant la formule MK = P12 x n17 ou p représente le pas du filetage et n le nombre de dents du pignon La formule du couple moteur, établie ci-dessus, donne sa valeur instan tanée : pour un angle a donné, elle varie suivant x, croît depuis 0, jusqu'à un maximum pour x = 900 et décroît ensuite, jusqu'à 0 quand x = 1800. Il est nécessaire, pour les calculs de définition du moteur, d'utiliser la valeur moyenne de ce couple, dont l'élément déterminant est la moyenne de la fonction : cos(a cos x) tg(a sin x). Cette moyenne, sur un demi-tour, ou Tr radians est égale à La force F = 4 D P , P est la pression moyenne utile, égale à la 4 u u différence des moyennes des pressions motrice (détente) et résistante (com- pression) et compte tenu des rendements mécanique et de "forme". Dans le cas d'un moteur à un cylindre, à quatre temps, Pour un moteur à quatre temps à n cylindres : P = n > L'expression complète du couple moteur devient a étant exprimé en radians Un tel moteur a été calculé pour équiper le véhicule dont les caractéristiques, lorsqu'il utilisait un moteur à vilebrequin et quatre rapports de démultiplication, sont représentées par les figures 1, 2 et 3. La figure 7 représente les variations du couple moteur maximum aux roues, CM' en mkg, en fonction de la vitesse, V, en km/h, ainsi que le couple antagoniste CR, également en mkg qui est exactement le même que précédemment. Les maximum et minimum de CM sont les mêmes que pour la figure 1. La figure 8 représente les variations de la puissance maximum W, en Cht disponible aux roues pour ce véhicule. La figure 9 représente l'accélération possible y en m/s/s,en fonction de de la vitesse V, en km/h, sur route horizontale, par vent nul. Par simple examen comparatif des figures 1,2,3 et 7,8,9, on constate immédiatement les avantages procurés. L'accélération disponible étant nettement supérieure dans le deuxième cas, il sera donc possible, en conduite normale, de réduire sensiblement la richesse du mélange carburé, ce qui se traduira par une économie d'essence appréciable. D'autre part, la transmission du mouvement du moteur aux roues étant simplifiée, son rendement sera supérieur, ce qui diminuera l'énergie consommée. Un autre avantage d'un tel moteur est que le volume d'air aspiré est constant quelle que soit la vitesse de rotation de l'arbre 1. La vitesse de l'air dans les canalisations d'aspirations sera dons constante, ce qui permettra un excellent réglage de la carburationdel'air admis. Un moteur thermique à pistons, équipé du dispositif objet de l'invention aura donc, à performances égales, une consommation de carburant inférieure à un moteur équivalent de construction classique, c'est à dire à cylindrée constante. Le dispositif, objet de l'invention peut être utilisé pour la construction de tous moteurs thermiques a pistons destinés à mouvoir des véhicules terrestres ou pour des moteurs à vitesse de rotation constante, mais à puissance variable. Il peut également être utilisé dans la construction de compresseurs ou pompes, à pistons, à débit variable, à vitesse de rotation constante. REVENDICATIONS 1. Dispositif permettant de faire varier le couple, moteur ou résistant, d'un mécanisme à pistons et cylindres disposés en barillet autour d'un axe central, comprenant un plateau tournant, centré sur l'arbre central, et incliné sur celui-ei, relié mécaniquement aux pistons par des bielles convenablement articulées sur ledit plateau, caractérisé par le fait que l'on règle l'inclinaison du plateau, et son déplacement le long de l'arbre central, en rapprochant, ou en éloignant, de cet arbre, simultanément, deux points situés sur un même diamètre du plateau, avec des vitesses de déplacement différentes pour chacun des deux points, ce mouvement étant obtenu par deux filetages, chaque filetage commandant un des points auquel il est relié mécaniquement, mus par une commande unique agissant sur des pignons solidaires des filetages. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'utilisé dans la construction d'un moteur thermique, il permet de régler le couple délivré par ce moteur de façon inversement proportionnelle à la vitesse de rotation de son arbre, tout en conservant constant le taux volumétrique de compression, de telle sorte que la puissance délivrée par ce moteur est pratiquement constante à tous régimes. 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'utilisé dans la construction d'un moteur thermique, il permet, à vitesse de rotation constantedel'arbre, de modifier selon les besoins, le couple, donc la puissance, sans changer le taux volumétrique de compression, ce qui modifie proportionnellement la consommation d'énergie. 4. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'utilisé dans la construction d'un compresseur ou d'une pompe, il permet d'en faire varier le débit, à vitesse constante de rotation de l'arbre de commande.