Brevet FR2487915A1 — publié le 19820205

L'invention a pour objet un moteur thermique à deux temps qui contient un piston libre double différentiel compor- tant au moins deux corps de piston symétriques, dont chacun se dé- place dans une chambre de combustion munie de lumières d'échappement et communiquant par un canal avec une chambre de précompression. Un tel moteur thermique est connu (demande de bre- vet allemand publiée sous le N0 14 51 662). Ce texte décrit un motir comportant deux chambres de précompression séparées, disposées axia- lement à l'intérieur des éléments de piston. Une chambre de combus- tion et une chambre de précompression conjuguées se trouvent dans un cylindre commun, dans lequel l'élément de piston se déplace. Des canaux de décharge sont disposés entre les chambres de précompres- sion et les chambres de combustion, lesdits canaux étant ménagés dans la carcasse du cylindre. L'invention a pour but de développer un moteur thermique à deux temps du type considéré, de manière à obtenir un processus avantageux d'échange des fluides malgré une construction aussi simple que possible. Ce problème est résolu, selon l'invention, en dis- posant les chambres de combustion à l'intérieur, entre les corps du piston et en ménageant entre lesdites chambres de combustion une chambre supplémentaire dans laquelle coulisse un troisième corps de piston situé sur un élément de tige central qui réunit les deux corps opposés, ledit corps de piston supplémentaire séparant la chambre supplémentaire en deux chambres de précompression isolées l'une de l'autre, reliées aux chambres de combustion par des canaux débouchant sur la face non active et se fermant sous l'action d'une soupape, reliée à l'élément central, au moment de l'expansion du fluide dans les chambres de combustion, pour s'ouvrir au moment de l'échange de fluides. Dans cet agencement, la chambre supplémentaire et le troisième corps de piston ont des diamètres indépendants de ceux des chambres de combustion. Les cotes de la chambre peuvent donc être optimisées par rapport au taux de compression nécessaire pour surmonter la pression antagoniste de l'échappement. Un autre avantage résulte du mode de purge conditionné par la disposition de l'embouchure des canaux et des lumières d'échappement. En effet, c'est presque la totalité de l'intérieur du cylindre qui se trouve sous l'effet du courant de purge. Puisque le d#ositif necompoitpm 248791 5 de lumières de purge, les lumières d'échappement occupent une plus grande surface sur la face intérieure du cylindre. On peut donc donner à ces lumières une moindre extension axiale et une plus grande extension radiale. Il en résulte un allongement de la course utile du piston. Le dispositif décrit ci-dessus peut fonctionner comme compresseur. Les deux corps de piston peuvent être utilisés simultanément comme pistons compresseurs. Il n'est plus nécessaire d'échelonner les aires des pistons. Un moteur ainsi agencé, pouvant fournir à la fois une force et un travail, se distingue par une construction simple, permettant une fabrication peu onéreuse. Les canaux qui font communiquer les chambres de précompression avec les chambres de combustion ont, de préférence, la forme de cylindres creux, entourant coaxialement l'élément central du piston. Un avantage de cet agencement est constitué par une amé- lioration de la purge des chambres de combustion. Suivant un mode d'exécution rationnel de l'inven- tion, les soupapes sont constituées par des sections de l'élément central du piston, adaptées à l'aire des canaux, tandis qu'au point mort inférieur de chacun des corps de piston un passage est ménagé entre la face de bout annulaire de ladite section et la paroi inté- rieure du canal, pour laisser passer le courant de purge. Ainsi, le processus d'échange de fluides est piloté, dans cet agencement, à l'aide d'une soupape de piston de construction simple. De préférence, des segments de piston sont dis- posés sur les faces cylindriques extérieures des sections proches des faces de bout annulaires. Une autre réalisation rationnelle consiste à ména- ger, entre la face frontale de chacune des chambres de combustion et la partie limitrophe de la paroi du canal venant de la chambre de précompression correspondante, des évidements, dégagés par le corps de piston dans sa position de point mort inférieur, alors que ledit corps de piston est encore en contact avec les parties de la paroi cylindrique du canal dans lesquelles aucun évidement n'est pratiqué. Un avantage de ce mode de réalisation réside en ce que le guidage forcé du corps de piston par les parois cylindriques s'étend sur toute la longueur de la course. De préférence, une lumière d'aspiration est placée dans la paroi cylindrique de-la chambre centrale, à égale distance 2 48 7 9 1 5 de ses deux faces frontales. Cette lumière d'aspiration alimente les deux chambres de précompression. Selon la position momentanée du corps de piston central, -aspiration ou compression,- l'une desdites chambres de précompression communique avec ladite lumière, l'autre est étanche. Selon un mode de réalisation avantageux, les lu- mières d'échappement font partie de canaux d'échappement débouchant dans les chambres de combustion selon une direction sensiblement tan- gentielle. Cet agencement produit une purge longitudinale. L'invention est expliquée plus en détail à l'aide d'un exemple d'exécution sans caractère limitatif, illustré au dessin annexé. Ledit dessin est une vue en coupe axiale d'un moteur thermique à deux temps selon l'invention Dans un cylindre 10, délimité par une carcasse 12, coulisse un piston-différentiel double libre 14 à débattement axial. Le piston différentiel 14 comporte deux corps de pistion 16 et 18, un élément central 20 qui les relie entre eux et un corps de piston supplémentaire 22, ainsi que des secteurs élargis 24 et 26. L'élément central 20 a un diamètre nettement inférieur à celui des corps 16, 18. Le diamètre du corps de piston supplémen- taire central 22, situé sur l'élément central 20 à égale distance des corps 16 et 18, peut avoir un diamètre égal ou supérieur à celui des- dits corps 16, 18. Les deux secteurs de piston 24, 26 ont des dia- mètres égaux, légèrement supérieurs à celui de l'élément central 20. Lesdits secteurs présentent donc des faces de bout actives annulaires 21. Le cylindre 10 est pourvu de deux chambres de com- bustion axiales 28, 30 jouxtant les corps de piston respectifs 16 et 18. Une chambre supplémentaire centrale 32 se trouve entre lesdites chambres de combustion 28, 30. C'est dans cette chambre 32 que cou- lisse le corps de piston supplémentaire 22. Le corps supplémentaire 22, qui constitue une pièce monobloc avec l'élément central 20, di- vise la chambre supplémentaire 32 en deux chambres de précompression 34, 36 qui communiquent respectivement par des canaux 38 et 40 avec les chambres de combustion contiguës 28 et 30. Ladite chambre supplé- mentaire 32 se trouve encadrée par les deux chambres de combustion 28, 30 dont elle est séparée respectivement par les cloisons 42 et 44. C'est dans ces cloisons 42, 44 que passent les canaux 38, 40 qui forment des cylindres creux à section annulaire. Les parois, non ré- férencées, du cylindre formant les canaux 38, 40 entourent concen- triquement la partie en regard de l'élément central 20. Entre la paroi cylindrique de l'élément 20 et celle du canal correspondant 38 ou 40 se forme donc un espace libre dans lequel un fluide gazeux peut s'écouler de l'une des chambres ee i)récompression 34 ou 36 vers la chambre de combustion voisine 28 ou 30, o la combustion d'un mélange de carburant et d'air entratne, dans un temps du cycle de 1o fonctionnement du moteur, le corps de piston correspondant 16 ou 18, assurant ainsi la transformation d'énergie thermique en énergie rie- canique. Chacune des chambres de combustion 28, 30 comporte une lumière d'échappement 46 qui se trouve légèrement en amont de la position du point mort d'extension du corps de piston 16, 18. Ces lumières communiquent avec des canaux d'échappement 48 ménagés dans la carcasse 12 du cylindre. Dans le moteur illustré au dessin, ces canaux d'échappement sont perpendiculaires à l'axe du piston 14. Toutefois, il est possible aussi de les disposer obliquement par rapport à cet axe, les axes desdits canaux 48 concourant en un point de l'axe du secteur 24 ou 26 correspondant, ou bien de l'élément central 20. Par ailleurs, les canaux 48 peuvent également débouaher selon une trajectoire tangente, ou du moins quasi-tangente aux chambres de combustion 28 et 30. Cet agencement, conjugué avec les orifices de sortie des canaux 38, 40 par lesquels ces derniers dé- bouchent dans les faces des chambres de combustion, non référen- cées, à l'opposé du corps de piston, assure une purge efficace des- dites chambres de combustion. La chambre supplémentaire. centrale 32 comporte une lumière d'aspiration 50, s'ouvrant dans la carcasse 12 du cylindre à égale distance des deux faces de bout de ladite chambre 32. En amont de la lumière d'aspiration 50, dont la configuration est, par exemple, cylindrique, on trouve un carburateur 52 jouxtant le cylindre 10 lorsque le moteur se présente sous la forme d'un moteur à explosion. Le dessin ne représente qu'une partie dudit carburateur 52 avec son papillon de réglage 54. Les diamètres des secteurs de piston 24, 26 sont adaptés aux sections libres des canaux 38, 40. Ces diamètres sont choisis de façon que les secteurs 24, 26 ferment aussi hermétiquement. que possible les canaux 38, 40 tout en permettant leur coulissement axial dans lesdits canaux. Quant aux secteurs 24, 26, ils émergent des faces intérieures, non référencées, des corps de piston 16 et 18 correspondants. La longueur de ces secteurs 24 et 26 dépend de la position du point mort d'extension des corps 16, 18. Dans cette po- sition, le secteur 24, 26 correspondant dégage le canal 38, 40 pour permettre l'arrivée du fluide à la chambre de combustion correspon- dante 28 ou 30. Au retour du corps de piston 16 ou 18, le secteur 24, 26 obture le canal correspondant 38, 40 après fermeture de la lumière d'échappement 46. Une très bonne étanchéisation est obtenue à l'aide de segments disposés sur les parois cylindriques extérieu- res des secteurs 24, 26, près des faces frontales de ces derniers, non référencées. De leur côté, les corps de piston 16, 18 portent des segments 58. Entre les faces frontales internes des chambres de combustion 28, 30 et les faces cylindriques extérieures des canaux 38, 40 correspondants, des évidements 60, de section triangulaire, sont ménagés dans la carcasse. Ces évidements sont disposés par paires, face à face, et forment des chambres qui s'épanouissent en direction des chambres de combustion 28, 30. Dans la version "moteur à explosion", les bougies d'allumage peuvent émerger dans ces évide- ments 60. Lorsque le corps de piston 16 ou 18 se trouve dans sa position de point mort en extension, le segment 56 est encore en contact avec la partie de la paroi du canal 38, 40 correspondant qui subsiste entre les évidements 60. Le fluide gazeux s'écoule, par le passage 64 ouvert entre la paroi du piston et l'évidement 60, vers la chambre de combustion 28 ou 30. Les secteurs 24, 26 du piston ont donc une longueur telle que le contact entre les segments 56 et les parois des canaux 38, 40 reste maintenu, même lorsque le corps de piston 16, 18 se trouve au point mort en extension. On obtient ainsi un bon guidage des secteurs 24, 26 qui jouent le rfle de sou- papes par rapport aux canaux 38, 40. Les corps de piston 16, 18 ne sont représentés que partiellement au dessin. Les extrémités desdits corps situés à l'opposé des chambres de combustion 28, 30 peuvent pénétrer dans des chambres de compression de machines de production d'énergie non re- présentées. Il n'est pas nécessaire de réduire la section du cylin- dre, c'est-à-dire que la même course du cylindre est fournie aux machines énergétiques pour une même section droite. Les chambres de combustion 28, 30 et les chambres de compression de la machine utilisatrice peuvent donc être disposées dans un cylindre commun de diamètre constant. Dans le dessin, le gaz d'échappement brûlé est représenté symboliquement par de petits cercles noirs pleins 68. Le fluide gazeux qui alimente les chambres de combustion est symbolique- ment figuré par de petits cercles blancs bordés de noir 66. Le moteur thermique selon l'invention fonctionne comme suit. Le dessin représente le corps de piston 16 rentré dans la chambre de combustion 28, à la fin du temps de compression, au moment o le mouvement s'inverse et o le fluide gazeux est enflammé. Des gaz brûlés 68 sont alors créés. Le corps de piston droit 18 se trouve, pendant ce temps, dans la position de point mort d'extension, o les lumières d'échappement 46 sont dégagées. Le canal 40 est ou- vert sur la chambre de combustion 30. Le corps de piston supplémen- taire 22 se trouve vers la droite de la chambre 32 et a comprimé le fluide gazeux 66, le portant à une pression supérieure à celle de l'échappement qui exerce un effort antagoniste. Grâce à un choix approprié des cotes de la chambre 32 et du diamètre du corps de pis- ton supplémentaire 22, on peut régler la pression dans la chambre de précompression 36 à une valeur particulièrement avantageuse pour assurer la purge. La disposition donnée aux canaux 38, 40 permet de balayer toute la chambre de combustion au cours de ce processus de purge. Pendant ce temps, du fluide gazeux 66 a été aspiré par la lu- mière 50. Dans la position du corps 22 au dessin, la chambre de pré- compression 34 a atteint son volume maximal, tandis que la chambre 36 est à son volume minimal. Etant donné que les parois des chambres de combustion 28, 30 ne présentent que des lumières d'échappement, dont les dimensions axiales peuvent être réduites à une faible lon- gueur, la course du piston 14 est utilisée au maximum. Le moteur pré- sente donc une grande course utile. Après la combustion du fluide gazeux, le corps de piston 16 est repoussé vers la gauche. Le corps de piston supplémen- taire 22 et le corps 18 suivent ce mouvement. Le corps 22 obture la lumière d'aspiration 50, puis comprime le fluide gazeux 66 dans la chambre 34. Le corps 18, lui, passe devant les lumières d'échappe- ment 46 tandis que le secteur de piston 26 obture les passages 64. Le fluide gazeux est alors comprimé dans la chambre de combustion 30. Le corps 22 dégage l'orifice 50 qui alimente la chambre de pré- compression 36, dans laquelle du fluide gazeux est aspiré. Au moment o le corps de piston 16 passe sur les lumières d'échappement, l'ex- pansion des gaz brûlés 68 s'arrûte. La pression baisse brusquement dans la chambre de combustion 28 jusqu'à la valeur de la pression antagoniste qui règne en aval des canaux d'échappement 48. Au moment o cette pression s'établit dans la chambre 28, le secteur 24 ouvre cette dernière vers la chambre de précompression 34. Un processus de purge s'établit alors et le fluide gazeux 66 remplace, dans la chambre de combustion 28, les gaz brûlés 68. Pendant ce temps, dans l'autre chambre de combustion 30, le fluide gazeux est comprimé jus- qu'à l'allumage. Après cette course du piston, le processus se ré- pète en direction opposée. La force créée par la combustion peut être trans- formée en énergie par les corps de piston 16, 18, par exemple en utilisant ces derniers pour aspirer et refouler périodiquement un autre fluide, dans des chambres non représentées. Ce fluide peut entraîner, par un autre circuit non représenté au dessin, des or- ganes de travail, par exemple des turbines. REVENDICATIONS 1. Moteur thermique à deux temps contenant un piston libre diffé- rentiel qui comporte au moins deux corps de piston dont chacun se déplace dans une chambre de combustion munie de lumières d'échappement et communiquant par un canai avec une chambre de précompression, caractérisé en ce que les chambres de combus- tion (28, 30), coaxiales avec le piston, sont disposées sur la face intérieure de leurs corps de piston (16, 18) correspondants, lesdites chambres de combustion encadrant à leur tour une cham- bre supplémentaire (32) dans laquelle coulisse un corps de pis- ton supplémentaire (22) montd sur l'élément central (20) du pis- ton différentiel (14), le corps de piston supplémentaire (22) divise ladite chambre supplémentaire (32) en deux chambres de précompression distinctes (34, 36) dont chacune comaunique, par un canal (38, 40),avec la chambre de combustion voisine (28, 30), ledit canal débouchant sur la face de ladite chambre située à l'opposé du corps de piston,et enfin des soupapes (24, 26), également portées par l'élément central du piston (20), ferment chacun desdits canaux (38, 40) lorsque le fluide actif est en expansion dans la chambre de combustion (28, 30) dans laquelle il aboutit et ouvrent ledit canal pour assurer l'échange des fluides. 2. Moteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les canauK (38, 40) qui relient les chambres de précompression (34, 36) aux chambres de combustion (38, 40) sont des cylindres creux à sec- tion libre angulaire, coaxiaux avec l'élément central (20) du piston qu'ils entourent. 3. Moteur selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, carac- térisé en ce que chacune des soupapes des canaux-est formée par un secteur (24, 26) du piston constitué par un élargissement de l'élément central (20) et adapté à la section libre dudit canal (38, 40), un passage pour le courant gazeux de purge étant mé- nagé, au moment o le corps de piston correspondant (16, 18) arrive à son point mort en extension, entre la face frontale annulaire (21) dudit secteur de piston (24, 26) et la paroi du canal (38, 40). 4. Moteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, carac- térisé en ce que des segments de piston (56) sont montés sur les faces extérieures cylindriques des secteurs de piston élargis (24, 26) à proximité de leurs faces de bout annulaires (21). 5. Moteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, carac- térisé en ce que des évidements (60) sont ménagés entre la face frontale de chacune des chambres de combustion (28, 30) et la zone, limitrophe de ladite chambre, de la paroi du canal (38, ) venant de la chambre de précompression (34, 36), lesdits évidements (60) étant dégagés par le secteur de piston formant soupape (24, 26) au moment o le corps de piston cor- respondant (16, 18) se trouve au point mort en extension, mais ledit secteur de piston (24, 26) restant néanmoins en contact avec les zones de la paroi du canal non évidées. 6. Moteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, carac- térisé en ce qu'une lumière d'aspiration (50) est ménagée dans la paroi cylindrique de la chambre supplémentaire (32), à égale distance des deux faces frontales de ladite chambre. 7. Moteur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 6, ca- ractérisé en ce que les lumières d'échappement (46) communiquent avec des canaux d'échappement (48) qui arrivent vers les chambres de combustion (28, 30) par une trajectoire sensiblement tangentielle à ces dernières. 8. Moteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, carac- térisé en ce que les corps du piston (16, 18) présentent des diamètres égaux, non seulement dans les chambres de combustion, mais encore dans des chambres d'un utilisateur éventuellement entraîné par lesdits corps de piston.