Brevet FR2497272A1 — publié le 19820702

La présente invention concerne les moteurs à explosion à pistons cylindriques. Actuellement les moteurs à combustion interne présentent l'inconvénient d'avoir un rendement affaibli par le nombre et la masse des pièces en mouvement telles que le vilebrequin par exemple. D'autre part la dispcsition même des éléments bielles, pistons, vilebrequin impose un bloc moteur d'un volume et dJun poids importants, ce qui se traduit entre autres inconvénients par des coûts de fabrication élevés. Les points de frottement sont également nombreux et dépenseurs d'énergie. Ces considérations sont évidemment relatives à l'invention qui se propose de diminuer dans de grandes proportions la somme de ces inconvénients.Dans le moteur objet de la présente invention, le principe du moteur à explosion classique subsiste en ce qui concerne la carburation et l'allumage, qu'il soit à bougie ou de type diesel, mais la nouveauté de l'invention réside essentiellement dans la disposition et la forme des éléments pistons, bielles, vilebrequin et le mouvement qui en résulte. En établissant une comparaison avec un moteur classique actuel de même catégorie et de même cylindrée on voit apparaître quatre améliorations importantes - Diminution du nombre et de la masse des pièces en mouvement par simplification du système d'embiellage : rendement et vitesse de fonctionnement accrus. - Diminution des surfaces de frottement : rendement et longévité accrus. - Simplicité de conception et de fonctionnement : robustesse assurée. - Poids total et encombrement réduits : coût de fabrication plus faible. I1 y a gain de poids en ce qui concerne les deux pistons à double tête qui ne nécessitent pas de bielles. De plus l'échantillonnage de la liaison qui solidarise les te tes peut être réduit du fait qu'elle travaille uniquement en compression. Par équivalence ces deux pièces représentent quatre pistons et quatre bielles d'un moteur courant actuel. I1 y a gain de poids sur la bielle principale, appelée platine dans l'invention, laquelle permet la réalisation du mouvement. Les contraintes qui lui sont appliquées étant toutes dirigées selon un même plan, une forme adaptée autorise une fabrication à faible épaisseur. Ajoutée aux manivelles qui permettent la transformation finale du mouvement, elle représente par équivalence un vilebrequin. L'invention est illustrée ci-aprés par la description d'un mode réalisation choisi à titre d'exemple non limitatif. Gette description se référe aux figures 1 à 15 dans lesquelles : - Les figures 1 et 2 illustrent shématiquement le mouvement des pistons A et B et celui du point Z obtenu par le déphasage des cycles des deux pistons. - Les figures 3 et 4 montrent shématiquement le rSle de la platine définie par les segments AB, XY qui transforme les mouvements alternatifs des pistons en mouvement final rotatif. - La figure 5 représente shématiquement vue de face et vue de dessus . les pistons, la platine Z, et les vilebrequins V et W dans le bloc moteur. - La figure 6 montre en coupes partielles une réalisation possible d'un piston à deux têtes avec le détail de l'axe oscillant au travers duquel coulisse le bras de la platine. - La figure 7 représente un vilebrequin dont le prolongement d'un des axes constitue l'arbre moteur; échelle 7/10 pour un moteur du type de celui représenté figure 8. - La figure 8 représente un moteur d'environ 1300 cl3 de cylindrée à l'échelle 1/2 avec coupes partielles, sans la culasse et les éléments d'admission, d'allumage et d'échappement. La position de la platine sur cette figure correspond à la position NO 11 sur la figure 9. - La figure 9 est une épure, à l'échelle 1 pour le meme moteur, du mouvement des points A, B, X, Y, Z dans vingt positions différentes. - La figure 10 illustre shématiquement un exemple d'un cycle complet dans six phases différentes. Les abréviations sur les têtes de piston 1, 2, 3 et 4 désignent : A l'admission, C la compression,EX ltexplosion, D la détente ou expansion, E l'échappement. - La figure 11 aide à la compréhension des relations mathématiques, concernant le mouvement des éléments du système mécanique, établies dans la description. - La figure 12 illustre shématiquement un moteur à deux temps dont le transit des gaz d'admission s'effectue en partie à l'intérieur des pistons et en partie à l'extérieur. - La figure 13 illustre shématiquement un moteur à deux temp dont le transit des gaz d'admission s'effectue totalement à l'intérieur des pistons. - La figure 14 montre de quelle façon peut s'effectuer le transit des gaz à l'intérieur du piston. - La figure 15 illustre shématiquement, en vue de dessus, deux ensembles mécaniques couplés constituant ainsi un moteur à huit cylindres et quatres pistons à deux têtes. Le mouvement se décompose comme suit : Considérons deux droites parallèles D1 et D2 figure 1. Sur chacune d'elles se déplace un point, respectivement A et B. Le point Z est situé au milieu du segment AB. On imprime aux points A et B un mouvement de va et vient de type sinusoidal en opposition de phase, le point Z reste fixe. Si on im prime à A et B figure 2 un mouvement à cycle déphasé à 1350 (soit le point Z décrira un mouvement de type sinusoïdal suivant une droite parallèle à D1 et D2 qui s'exprime de la façon suivante = = a sin x Yss = a sin (x +34?) yZt 1(YA+ Y8) Y = 2 Ea sin x + a sin (x +34 Portons les segments ZX et ZY égaux entre eux perpendiculairement à AB en Z figure 3. Les points X et Y décriront des cercles dans les conditions précitées. Notons que le segment AB est de longuenr variable. Il suffit d'ajouter figure 4 aux points X et Y deux manivelles V et W pour obtenir un mouvement rotatif en sorte que les axes des arbres de sortie du moteur passent par les centres O et P des cercles décrits par les points X et Y perpendiculairement au plan dans lequel se meut la platine Z définie par les segments AB, ZX, ZY. Considérons deux pistons à deux têtes chacun. Le moteur objet de la présente invention est constitué de ces deux pistons doubles se déplaçant parallèlement et dans un même plan figure 5. Leur milieu respectif : les points A et B par analogie à l'étude précédente. Ces deux pièces entrainent une platine Z constituée d'un bras soit le eeg ment AB auquel sont rapportées deux pattes soit les segments ZX et ZY. Sachant que AB est de longueur variable les extrémités du bras de la platine peuvent coulisser dans des axes placés aux points A et B des doubles pistons. Ces axes peuvent osciller selon un angle d'au moins 600 en fonction de la position de la platine figure 6. L'ensemble se meut dans un bloc moteur constitué de deux cylindres parall*- les solidarisés par un carter au travers duquel prennent positions les axes fixes O et P des manivelles. La figure 8 montre un exemple de réalisation d'un moteur d'environ 1300 cm3 de cylindrée dont les pistons ont ici une course de 78 m/m. Imprimons à l'ensemble un mouvement similaire à celui étudié précédemment. Les axes des arbres de sortie du moteur passent par les centres O et P des cercles décrits par X et Y, et sont perpendiculaires au plan dans lequel se meut la platine. Il est possible de multiplier indéfiniment les ensembles mécaniques du moteur simple décrit ci-avant. On peut obtenir ainsi des moteurs de 4, 6, 8 doubles pistons et plus. Il suffit pour cela de solidariser les axes fixes, ou arbres moteurs des vilebrequins figure 15.La figure 9 montre 20 différentes positions réelles du segment AB et les 20 positions consécutives adoptées par les segments ZX et ZY. Ce dessin en mesures exactes à l'échelle 1, pour le moteur considéré figure 8, permet d'authentifier la cinématique du mouvement et de constater par ailleurs que le point Z ne se déplace pas selon une droite parallèle à D1 et D2 mais selon un huit allongé.Ceci se vérifie par l'égalité : x=+ yz= R cos2 qui permet, connaissant le rayon R de déterminer les coordonnées de Z en fonction des angles eta Notons que les manivelles V et W prenant appui sur le bloc moteur, on peut considérer qu'elles traversent ce dernier ce qui offre quatre arbres de sortie dont les uns peuvent etre utilisés comme force motrice directement pour la propulsion et les autres pour l'entrainement des éléments annexes (pompes, arbres à cames, dynamo etc...) voir figure 5. En se référant à la figure 11 ; si l'on prend la droite x sur laquelle sont alignés les centres 0 et P des cercles, on peut établir une relation entre les angles formés par les rayons des cercles, la distance d séparant les centres, et le rayon R des cercles qui s'ex prime par l'égalité : d (- cos+ + cos(3) = R [1 - cos D'autre part, la position des pistons à un moment donné compte tenu de l'amplitude de la course est directement liée à trois paramètres - La distance séparant les droites parallèles suivant lesquelles se déplacent les pistons. - La longueur du segment XY qui est forcément égale à celle comprise entre les centres 0 et P des cercles. - Le rayon des cercles de centre 0 et P engendré par X et Y. Comme nous pouvons déterminer la positon du point Z, on peut établir la relation suivante par laquelle on détermine la combinaison optimum du système selon les priorités imposées, soit (x-R cosy+cos ) R(cos&alpha;-cosss)+d]+(a-R sin&alpha;+sin ss) [R(sin&alpha;-sin ss] = O x étant la position du piston dans sa course, R étant le rayon des cercles, a la distance séparant la droite sur laquelle sont alignés les cercnes/a droite D2 sur laquelle se déplace le piston B, et les angles que font les rayons par rapport à la droite D3. En se référant à la figure 10 on peut suivre les différentes phases d'un cycle complet. La tête de piston située en haut à gauche par rapport à l'orientation du schéma porte le nO 1, celle située en bas à gauche le nO 2, celle située en haut à droite le nO 3, celle située en bas à droite le nO 4. - Phase A : nO 1 explos ion, nO 2 début de compression, nO 3 fin d'admission, nO 4 fin d'échapement. - Phase B : nO 1 détente consécutive à l'explosion favorisant la compression du nO 2, nO 2 compression suivie de l'explosion, no 3 fin de compression, nO 4 fin d'admission. - Phase C : n01 échappement, nO 2 détente, n0 3 explosion, no 4 début de compression. - Phase D : nO 1 fin d'échappement, nO 2 fin de détente, nô 3 détente, nO 4 fin de compression, explosion. - Phase E : nO 1 admission, nO 2 échappement, nO 3 début d'échappement, nO 4 détente. - Phase F : nO 1 compression (par inertie), nO 2 admission, nO 3 début d'admission, nO 4 échappement. Ce cycle est un exemple et ne saurait en aucun cas être la seule 50- lution possible surtout si l'on considère l'éventualité d'un couplage avec un autre système mécanique similaire. L'utilisation du système mécanique objet de l'invention peut s'étendre aux moteurs à cycle à deux temps moyennant quelques modifications. Selon l'invention il n'est pas possible d'utiliser le carter pour la transition des gaz d'admission, aussi, l'une des têtes (A2 et 32 sur les figures 12 et 13), de chaque piston a pour rôle exclusif d'aspirer le mélange air/carburant pour l'insuffler au second temps dans le cylindre opposé. Le transit des gaz d'admission peut se faire dans des conduits aménagés à cet effet à l'extérieur des cylindres. Dans le cas de la figure 12 l'admission des gaz s'effectue par la remontée de la tête de piston B2. L'admission dans le cylindre réservé à l'explosion s'effectue à travers la tête A2 puis par un conduit extérieur. L'arrivée des gaz d'admission à bon escient chasse les gaz d'échappement.L'opération se répète dans le cylindre voisin. Le transit peut s'effectuer également à l'intérieur des pistons à l'aide de clapets anti-retour de sorte que (figure 13) - Les clapets TA1 et TA2 des têtes Al et A2 s'ouvrent sous l'effet de la pression provoquée par la descente du piston A. - Le clapet TB2 est fermé et permet l'aspiration des gaz d'admission. - Le clapet TB1 est fermé par la compression. Notons que compte tenu des pressions relatives existant dans les cylindres (dans la phase d'expansion),les clapets TA1 et TB1 s'ouvriront à la hauteur des lumières d'échappement . Il est bien entendu que la présente invention n'est pas limitée au mode de réalisation particulier décrit et présenté, qui constitue seulement un exemple auquel de nombreuses modifications peuvent être apportées sans qu'on s'écarte de la présente invention. Elle en englobe au contraire toutes les variantes dans le cadre des équivalences mécaniques et notamment dans des utilisations telles que moteurs à vapeur, pompes, compresseurs. REVENDICATIONS 1. Moteur à combustion interne à quatre temps caractérisé par la transformation des mouvements rectilignes alternatifs de deux pistons en mouvement rotatif sur deux axes utilisés comme arbres moteurs. 2. Moteur selon la revendication 1 caractérisé en ce que les pistons se meuvent dans un même plan et selon des droites parallèles. 3. Moteur selon la revendication 1 caractérisé en ce que les deux pistons comportent une tête à chaque extrémité. 4. Moteur selon la revendication 1 caractérisé en ce que les pistons sont animés, suite à l'explosion du mélange air/carburant, d'un mouvement rectiligne alternatif de type sinusoidal dont les cycles respectifs sont déphasés de 1350. 5. Moteur selon la revendication 4 caractérisé en ce que le mouvement des deux pistons est transformé en mouvement circulaire sur deux vilebrequins par l'intermédiaire d'une platine de coordination. 6. Moteur selon la revendication 5 caractérisé en ce que le mouvement circulaire des vilebrequins est traduit en mouvement rotatif sur deux axes utilisés comme arbres moteurs. 7. Moteur selon la revendication 5 caractérisé en ce que les extrémités du bras de la platine qui sont en contact avec les pistons peuvent coulisser à travers des axes situés au milieu des pistons. 8. Moteur selon la revendication 7 caractérisé en ce que les axes peuvent osciller suffisemment librement pour permettre à la platine de se positionner. 9. Moteur selon l'ensemble des revendications caractérisé en ce que l'on peut multiplier les ensembles mécaniques constitués par les pistons, la platine et les vilebrequins, en accouplant les axes fixes des vilebrequins des différents ensembles et obtenir ainsi des moteurs à cylindres multiples. 10. Moteur selon l'ensemble des revendications caractérisé en ce qu'il peut fonctionner selon un cycle à deux temps moyennant des modifications. 11. Moteur selon la revendication 10 caractérisé en ce que l'une des têtes des pistons est utilisée pour aspirer le mélange air/carburant et ensuite l'insuffler à la tête opposée du même piston 12. Moteur selon la revendication 11 caractérisé en ce que le transit des gaz d'admission peut s'effectuer par un conduit extérieur ou intérieur aux pistons. 13. Moteur selon les revendications 11 et 12 caractérisé en ce que les tetes des pistons, les entrées d'admission et les sorties d'échappement comportent des clapets anti-retour permettant la circulation des gaz dans le sens désiré. 14. Moteur selon l'ensemble des revendications caractérisé en ce que le système mécanique qui le constitue n'est pas limité dans ses applications au moteur à explosion mais qu'il englobe toutes les variantes dans le cadre des équivalences mécaniques et notamment dans des utilisations telles que moteurs à vapeur, pompes, compresseurs.