Brevet FR2487427A1 — publié le 19820129

Le moteur à combustion interne à piston a été la source d'énergie mécanique la plus courante dans tous les pays depuis son invention qui remonte au milieu du siècle dernier. Les premiers moteurs à combustion interne utilisaient un piston libre qui fournissait le travail développé par l'explosion d'une poudre à l'aide d'un mécanisme à rochet . Un moteur si compliqué était sujet à tomber en panne, bien que Otto et Langen aient mis sur le marché dans l'année 1856 plusieurs moteurs qui eurent plus ou moins de succès; plusieurs années après (1876) apparut le moteur à combustion interne utilisant déjà le vilebrequin et le distributeur à tiroir qui est utilisé de nos jours pratiquement sans changement. L'origine de ce mécanisme semble remonter, suivant certains auteurs, au IXème siècle, comme le prouvent des manuscrits de Léonard de Vinci qui ont été découverts récemment. De nos jours, avec la rareté des sources d'énergie, on exige que les moteurs aient un meilleur rendement, c'est-à-dire qu'ils produisent davantage de travail,sans augmentation de la consommation de carburant. De nombreux inventeurs ont cherché passionnément à améliorer les moteurs à combustion interne à piston à cet effet et ont échoué tôt ou tard en raison du fait que leurs idées n'ont pas permis d'atteindre l'objectif souhaité en pratique. La présente invention repose sur des études du mé- canisme fondamental de la transmission de l'énergie mécanique produit par une combustion de carburant et vise à améliorer les rendements des moteurs à piston actuels. Le rendement thermique ou rendement global des moteurs habituels est compris entre 2496 et 26% environ pour des moteurs à essence, et entre 35% et 37% pour un moteur diesel. Ces rendements montrent que de l'énergie contenue dans chaque unité de carburant introduitedans le moteur, seuls 25% et 36% sont utilisés comme énergie mécanique capable de donner du travail. Le reste de l'énergie se perd dans le processus. Le rendement thermique ou le rendement global '0T est à son tour le résultat de trois rendements partiels, à savoir le rendement thermodynamique q t le rendement volumétrique Y\v et le rendement mécanique nm. Le rendement thermodynamique #t se rapporte à la chaleur utilisable par rapport à la quantité totale de chaleur qui vient dans le cycle. C'est un rendement qui est inhérent à ce type d'utilisation d'énergie. Pour les moteurs à combustion interne, le rendement thermodynamique est de 50% environ et dépend beaucoup de la qualité thermodynamique de la chambre de combustion interne (forme et dispo- sition des soupapes, des bougies ou de l'injecteur). Le rendement volumétrique a1 v est en relation avec le volume de mélange d'air et de carburant admis dans le cylindre par rapport au volume réel du cylindre; 80% est un rendement volumétrique considéré comme normal pour des moteurs à combustion interne. Ce rendement dépend directement de la qualité du système d'admission de l'air ou du mélange du moteur. Le rendement mécanique n m donne le rapport entre la puissance au frein et la puissance indiquée. Le rendement mécanique pendant le couple maximum est compris entre 80% et 90%, mais si le couple s'abaisse à 30% de sa valeur maximale, le rendement mécanique atteint 55% environ. On peut résumer les concepts ci-dessus par l'é- quation mT X t x 41v x Wm En remplaçant dans cette équation les rendements mentionnés ci-dessus par leur valeur typique, on obtient #T = 0,50 x 0,80 x 0,85 = 0,34. La valeur obtenue de 34% peut s'appliquer au cas où le moteur fonctionne à des vitesses optimales de manière à ce que les valeurs #t, #m et #v soient les valeurs maximales, mais en réalité quand le moteur fonctionne à des vitesses différentes, les rendements sont réduits, de sorte qu'il faut s'attendre à ce qu'un moteur à piston d'automobile fonctionne le plus souvent à un rendement réel qui est bien inférieur aux 34% mentionnés ci-dessus. C'est ainsi par exemple que,si le moteur fonctionne à 30% du couple maximum, le rendement mécanique s'abaisse, par exemple à 55%, ce qui réduit la valeur du rendement total à m T = 0,50 x 0,80 x 0,55 = 0,22 Au brevet des Etats-Unis d'Amérique 613 769, on décrit un moteur à combustion externe qui communique des couples angulaires égaux à deux vilebrequins tournant en sens opposés Ce moteur a l'inconvénient que c'est seulement lorsqu'il fonctionne sans charge qu'il satisfait à la condition de communiquer des couples angulaires égaux à chaque vilebrequin, si bien que l'on n'a pas considéré que ce moteur pouvait Autre utile.Quand ce moteur est soumis à une charge de travail par l'un de ses deux vilebrequins, l'autre tend à tourner plus rapidement que celui qui est soumis à la charge de travail et en même temps à un couple angulaire bien plus élevé qui produit une force normale au piston; cette force normale au piston augmente la force de frottement entre le piston et le cylindre, en provoquant une augmentation de l'usure des segments de piston et du cylindre et en engendrant de la chaleur, ce qui exprime que l'énergie du carburant est consommée dans le moteur en ne laissant qu'une faible partie de cette énergie pour donner un travail utile. L'invention vise un moteur à combustion interne du type à piston dans lequel on utilise un mécanisme formé de deux bielles et de deux vilebrequins pour chaque piston, les vilebrequins étant accouplés l'un à l'autre au moyen de roues dentées de précision qui communiquent leur mouvement et leur couple de torsion réciproquement de telle manière que tout le travail effectué par le moteur peut être obtenu sur l'un quelconque des deux vilebrequins. La justification de l'utilisation de deux vilebrequins pour chaque piston tient en la formation d'un système mécanique dans lequel toutes les forces inhérentes indésirables du piston-bielle-vilebrequin utilisé habituellement dans les moteurs à combustion interne sont annulées. En éliminant ces forces indésirables dans le moteur, on en augmente le rendement mécanique et en conséquence le rendement total,ce rendement étant de l'ordre de 50%, alors que le moteur utilisé actuellement n'a qu'un rendement compris entre 24% et 38','o. L'avantage de l'invention est quelle empêche l'apparition de la force normale au piston due au fait que chaque jeu de piston et de vilebrequin introduit une force normale au piston d'intensité égale et de direction opposée, grâce à quoi l'addition algébrique de ces forces est égale à zéro, ce qui annule la poussée du piston sur les parois du cylindre. L'invention vise un moteur à combustion interne du type à piston qui, à l'aide de l'utilisation d'un nouveau mécanisme de double bielle et vilebrequin engrenant ensemble, augmente le rendement mécanique et en conséquence, le rendement thermique ou global. L'invention vise particulièrement un moteur à combustion interne du type à piston qui est apte à fournir une puissance plus élevée qu'un moteur suivant la technique actuelle, tout en ayant le même poids, et à consommer de moindres quantités d'air et de carburant. D'autres avantages du moteur suivant l'invention sont qu'il permet de changer certains paramètres du moteur à piston qui affecteront d'une manière favorable le rendement du moteur et qu'il était impossible d'amélio- rer jusqu'ici et c'est ainsi par exemple que l'on peut augmenter le régime sans user d'une manière excessive les segments de piston et le cylindre, de sorte que l'on obtient un moteur capable de fournir davantage de puissance pour la même cylindrée en conséquence de l'augmentation du régime; un autre avantage du moteur suivant l'invention est qu'il fonctionne d'une manière plus régulière et plus équilibrée que les moteurs à piston classiques. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaitront au cours de la description qui va suivre. Aux dessins annexés, donnés uniquement à titre d'exemple La figure 1 est une vue en coupe du moteur suivant l'invention, et La figure 2 est une vue en coupe du piston montrant en détail l'accouplement des bielles et du piston. En se reportant aux figures, la figure I est une vue en coupe du moteur suivant l'invention,qui porte la référence 50, et qui est constitué d'un carter 1 ayant un profil semblable à un oval allongé. Dans le carter 1 sont logés des vilebrequins 2 et 3 qui ont des roues dentées 5 et 6 respectives accouplées aux arbres4 et 15 qui supportent les vilebrequins, tandis que sur l'arbre 15 est monté aussi un pignon 13 qui entraîne un arbre à cames 7 par l'intermédiaire d'une chaîne Il de transmission, laquelle communique son mouvement à un pignon 9 et celui-ci communique à son tour le mouvement à l'arbre à cames, lequel communique le mouvement à des arbres coudés 40 dont par souci de clarté un seul est représenté à la figure. Les arbres coudés 40 communiquent leur mouvement de poussée rectiligne à une barre 41 qui, à son tour, déplace des culbuteurs (non représentés) afin d'entraîner des soupapes 21 d'admission et des soupapes 34 d'échappement, lesquelles reviennent sur leur siège sous l'action de ressorts 29 et 30 et qui, lorsqu'elles sont Sermées, forment la chambre de combustion cc en même temps qu'un piston 14, qu'un cylindre 12 et qu'une culasse 28. A l'intérieur de la chambre de combustion cc et en résultat de la combustion du carburant, sont engendrés des gaz sous des pressions é levées qui poussent le piston suivant un mouvement rectiligne que le mécanisme constitué des bielles 8 et 17 et des vilebrequins 2 et 3 transforme en un mouvement circulaire.Afin d'éviter toute fuite de gaz de la chambre de combustion par l'intervalle compris entre le piston 14 et les parois 12 du cylindre, un certain nombre de segments de piston 24, 26 et 27 sont insérés dans des gorges du piston 14. En raison de la poussée des gaz, les bielles 8 et 17 poussent les vilebrequins à l'aide des manetons 42 et 43, lesquels sont entourés de bagues 44 et 45 antifriction, chacun d'entre eux produisant un couple de torsion par rapport aux arbres 4 et 15 qui supportent les vilebrequins 2 et 3. Les vilebrequins 2 et 3 tournent en tens opposés sur leur arbre 4 et 15 dans des perçages (non représentés) ménagés dans le carter 1, n'importe lequel de ces deux arbres étant capable de transmettre la puissance du moteur à la surface S qui est parallèle à l'axe principal du carter ou bloc 1,et autour du passage 10 se trouve le cylindre 12 dans lequel coulisse le piston 14, lequel comprend une vis de pression 16 à tête creuse sur laquelle sont articulées des bielles.Pendant le fonctiolmement du moteur, ces bielles se déplacent suivant un mouvement rectiligne alternatif en leur point d'articulation sur la vis 16 de pression, tandis que, à leur extrémité opposée, elles sont accouplées aux vilebrequins 2 et 3 qui tournent sous l'effet des forces d'entrainement transmises par les bielles 8 et 17, et en raison du fait qu'ils sont relies mécaniquement par des roues dentées 5 et 6, n'importe lequel des deux vilebrequins a le couple de torsion et le travail développé par l'autre avec la possibilité de fournir ce travail et ce couple de torsion à leur arbre 4 ou 15 selon ce qui convient le mieux. Sur le cylindre 12 se trouve la culasse 28 qui est fixée au carter par un certain nombre de vis, dont deux seulement 19 et 35 sont représentées par souci de clarté. Dans la culasse 28 sont ménagées les soupapes 21 d'admission et les soupapes 34 d'echapment et un orifice 25 destiné à l'insertion d'une bougie (non représentée) ainsi que des canaux 22 d'échappement et des canaux 23 d'admission. L'espace délimité entre le piston14, le cylindre 12 et la culasse 28 constitue la chambre de combustion cc. En se reportant maintenant à la figure 2 qui est une vue en coupe du piston, on voit le piston 14 contenant la vis i6 de pression et les bielles 8 et 17 qui y sont articulées et qui tournent sur un segment de cercle de 550 environ. Entre les bielles 8 et 17 sont interposées des rondelles 20b et 20c et entre les bielles 8 et 17 et le piston 14, sont interposées des rondelles 20a et 20d. Afin d'empocher que la vis 16 de pression ne glisse axialement dans l'alésage 39 du piston 14, on utilise des cliquets 32 expansibies logés dans des fentes 38 ménagées à l'intérieur de l'alésage 39, au voisinage de ces extrémités; entre la vis 16 et les bielles 8 et 17 sont montées des bagues 18, 18b et 18c. Bien entendu l'invention n'est pas limitée au mode de réalisation représenté et décrit uniquement à titre d'exemple. En particulier, l'invention s'applique aux moteurs Diesel ou Otto ainsi qu'à tout autre moteur, que le cycle soit à deux temps ou à quatre temps. Les spé- cialistes peuvent aussi modifier la forme des éléments du mécanisme double à bielle et vilebrequin engrenant entre eux et choisir parmi les divers systèmes de lubrification, de refroidissement de distribution et d'allumage ainsi que le nombre et la disposition des cylindres et leur dimension. REVENDICATIONS 1) Moteur à combustion interne du type qui comprend au moins une chambre de combustion (cc) de forme cylindrique, formée par les parois d'un cylindre (12) par un piston (14) coulissant dans le cylindre et par la culasse, celle-ci ayant une bougie d'allumage et des soupapes (21, 34) d'admission et d'échappement, le piston (14) coulissant dans le cylindre du côté opposé à la culasse et recevant la poussée des gaz produits par la combustion, caractérisé en ce que sur le piston (14) s'articulent deux bielles (8 et 17) et deux vilebrequins (2, 3), ces vilebrequins (2, 3) étant accouplés ensemble à l'aide de roues dentées (5, 6) de précision respective, qui se communiquent leur mouvement et leur couple de torsion de manière à obtenir tout le travail effectué par le moteur sur l'un quelconque des deux vilebrequins. 2) Moteur suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'il a un carter rigide dont le profil a une forme semblable à un oval allongé et qui contient une partie du mécanisme à double bielle et vilebrequin, avec ses éléments, qui sont les deux vilebrequins, les deux roues dentées et les autres éléments nécessaires pour le fonctionnement du moteur, tels qu'une pompe à huile, des paliers, un mécanisme de distribution, qui inclut sur sa partie plane et parallèle au plan géométrique qui contient les points de rotation des deux vilebrequins le cylindre dont l'axe de symétrie est normal à cette surface et dans lequel les piston coulisse suivant un mouvement alternatif. 3) Moteur suivant la revendication 1 ou 2,caractérise en ce que les vilebrequins ont des arbres qui sont solidaires de roues dentées de précision respectivement, ces roues dentées de synchronisation des deux vilebrequins empêchant la variation de leur position relative pendant le fonctionnement du moteur et transmettant aussi le couple de torsion produit sur l'un des vilebrequins à l'autre et réciproquement, de sorte que n'importe lequel des vilebre quins peut recevoir le travail total produit par les deux systèmes à piston-bielles-vilebrequins. 4) Moteur suivant l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'en conséquence d'une combustion allumée par l'arc électrique de la bougie, la pression augmente et produit une force de poussée sur le piston qui produit un travail pendant le temps de combustion, cette force de poussée agissant sur le piston étant communiquée à chaque bielle en ayant une valeur égale à la moitié de la force transmise par le piston et cette force en agissant sur les deux vilebrequins -fournit un couple moteur ayant un rendement élevé. 5) Moteur suivant l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que chaque arbre qui porte les deux vilebrequins est capable de fournir le travail développé par le moteur à soi seul ou en même temps que l'autre. 6) Moteur suivant l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les vilebrequins tournent en sens opposé sous l'action des forces transmises par chaque bielle.