Brevet FR2580032A1 — publié le 19861010

MOTEUR A COMBUSTION INTERNE A PISTON LIBRE JOUANT UN SECOND ROLE DE VOLANT D'INERTIE. La présente invention appartient au domaine des moteurs à grande variation de régime et plus particulièrement au domaine du moteur automobile diesel ou à charge stratifiée. Les moteurs actuellement commercialisés sont constitués de la réunion de petits pistons se mouvant à haute vitesse ,ceci afin d'éliminer les vibrations,d'éviter un fonctionnement par à-coup de diminuer le poids,le volume du moteur.Cependant les pertes d'énergie sont importantes puisqu'elles représentent à peu près 75% de 1' énergie totale du combustible. La présente invention se propose d'allier l'économie d'essence à la puissance tout en restant simple,sans que le poids ne devienne trop élevé. Elle se présente comme la synthèse detrois éléments :un cylindre volumineux,un volant d'inertie de grande dimension,une transmission hydraulique.La taille démesurée du cylindre (30cm g) par rapport au cylindre actuel des automobiles permet de diminuer Ia surface des pièces métalliques en contact avec les gaz en combustion proportionnellement au volume de gaz détendu,donc de diminuer les pertes d'énergie calorifique.Elle diminue la fréquence des explosions par conséquent abaisse le niveau sonore, réduit les frottements engendrés par le mouvement de translation du piston,les pertes par pompage laminage du comburant et desgaz brAlés,augmente la puissance du moteur.Son plus grand défaut est de libérer une quantité très irrégulière d'énergie,d'où la nécessité de lui adjoindre un réservoir d'énergie qui emmagasine l'énergie libérée en surplus par la combustion,et la restitue au moment de la recompression des gaz et de leur renouvellement, c'est-à-dire lorsqu'il n'y a plus de combustion fournissant de l'énergie.Comment concevoir alors ce réservoir d'énergie? La solution proposée consiste à faire jouer au piston un second rôle de volant d'inertie,ceci afin de diminuer le poids et l'encombrement du moteur. Ce choix procure en outre d'autres avantages. -Le mouvement rotatif du piston produit un mouvement tourbillonaire des gaz contenus dans la chambre de combustion.Le mélange air-essence s'approche ainsi des proportions stoechiométriques pour une combustion plus complète. -De plus,le volant d'inertie se comporte comme un gyroscope solidaire de la carrosserie(sauf dans son mouvement rotatif). I1 stabilise ainsi l'assiette du véhicule,améliorant le confort, la tenue de route en virage,et le freinage. -I1 peut récupérerl'energie cinétique du véhicule,généralement gaspillée dans les freins sous forme d'énergie calorifique.La puissance disponible au niveau du volant d'inertie peut être alors reconvertie instantanément,ce qui permet de fortes accélérations au redémarrage. Mais il reste à adopter une transmission satisfaisante du volant et des pistons.Le volant d'inertie impose une transmission de rapport à variation continue.La taille démesurée du cylindre proscrit l'emploi d'un vilebrequin qui augmenterait l'encombrement du moteur.On a donc choisi une conformation utilisant une transmission hydraulique.Celle-ci permet en outre d'obte nit. ; -quelque soit le régime,un taux de compression optimum et un un remplissage fixe de la chambre de combustion. -une transmission automatique à variation continue. -l'entrainement dtéléments annexes(suspension hydropneumatique commande assistée,etc) Voyons quelle est cette conformation. Deux pistons libres se font face;ils ont même axe imaginaire, et se meuvent dans un cylindre qu'ils séparent en trois chambres. Lorsque se produit l'explosion dans les deux chambres opposées, les deux pistons sont violemment repoussés.Dans une variante, l'axe d'un piston vient coulisser dans un cylindre repoussant par là-même le fluide s'y trouvant vers une chambre délimitée par le même cylindre et par un piston en forme d'anneau fixé à l'axe en forme de cylindre de l'autre piston.Le piston en forme d'anneau est donc repousséen sens opposé,de sorte que les deux pistons se meuvent dans unsens de translation opposé l'un de l'autre.Ainsi le centre de gravité du système reste fixe,les vibrations inexistantes.Le piston en forme d'anneau dans son cylindre vient à son tour refouler le fluide entrainant alors !a ou les pompes-moteurs placées dans la chambre centrale cou à e à l'axe des pistons jouant le rôle de volant d'inertie,et la ou les pompes-moteurscouplées à l'arbre moteur,l'une L?h.-- oins étant à cylindrée variable.Le fluide est passé bien enten dans un circuit hydraulique comportant des valves,mais il ntest pas l'objet du présent brevet. plans une seconde variante,le moyen de transformer le mouvement de translation des deux pistons en un mouvement du fluide est constitué par deux autres pistons,chacun fixé à un axe des pistons en contact avec la chambre de combustion.Ces deux pistons coulissent ddans deux demi-cylindres accolés contenant chacun un fluide.La proportionalité des mouvements des deux pistons sera donc obtenue par un dispositif hydraulique placé l'extérieur du grand cylindre et ne faisant pas partie du présent brevet. on prévoit en outre pour assurer le bon fonctionnement du moteur d'adjoindre un système de refroidissement des pistons en contact avec les gaz chauds par circulation d'unfluide dans des conduits à leur contact,d'adjoindre aux deux pistons rotatifs un second piston solidaire de leur axe sauf dans leur mouvement rotatif s.Les pistons-volants ne pouvant être encontact avec les parois du cylindre à cause des frottements tres importants dus à leur rotation,c'est ce dernier piston qui assure l'étanchéité des chambres de combustion;il n'effectue donc pas de rotation sur lui-même et sert de palier au volant d'inertie. L'énergie nécessaire à la compression des gaz frais efs2Y5anie le volant d'inertie mais aussi par un gaz,emprisonné dans la chambre centrale,faisant donc office de ressort pneumatique. Etudions à présent le mode de combustion des gaz. Une telle cylindrée exige une combustion lente car les pompemoteurs, les pistons ne peuvent supporter une variation trop forte et violente de pression.Par conséquent deux modes de combustion sont envisageahles:le diesel et le moteur dit à charge stratifiée.Ce dernier mode se prête particulièrement à l'invention présente.En effet le mélange gazeux étant non homo zonez la combustion n'est pas totale et immédiate mais peut se pcursuivre du fait du remélange obtenu par la rotation du piston en son contact.De plus les bougies d1allumage,placées de façon centre sur la tête du piston rotatiftsont en contact avec un plus grand volume de gaz,d'où une combustion plus complète. La figure 1 annexe est une vue en coupe du cylindre(19) dans le sens longitudinal .Les pistons(l2)et(l) sont représentés ici en bout de course,les gaz étant compresses à leur maximum dans les chambres(13)et(25).NôUs nous plaçons dans une variante où le moteur est a charge stratifié,à deux temps,à cylindres hydrauliques centraux(5)et(18) ayant même axe imaginaire,le cylindre(18) contenant le cylindre(5).Enfin la porï0pe-moteûr(6) est symbolisée par un anneau(vu en coupe). La figure 3 est une vue en coupe dans le sens longitudinal d'une seconde variante de la transmission hydraulique centrale:deux demi-cylindres(32)et(33)accolés renferment un fluide;dans le cylindre(32) coulisse un piston(28) fixé à l'axe du piston(l2); dans le cylindre(33) coulisse un piston(29) fixé à l'axe La figure 2 est une vue en coupe plus précise du dispositif de refroidissement des pistons (1) et (12). L'ensmble formé des figures(4),(5),(6),(7) se veut une représentation schématique permettant de comprendre comment replacer l'invention présente au sein d'un système plus vaste et com plexe.Dans la variante présentée,il nty a qu'un cylindre(l9), deux pompe-moteurs(6)et(38);un seul et même fluide circulant dans les deux pompes. Tel qu'ilest représenté,le dispositif comporte deux doubles pistons (12)-(16),et (1)-(24) disposés dans un cylindre(l9) qu'ils séparent en trois chambres:deux chambres opposées(13)et (25) où se déroule la combustion des gaz, symétriques par rapport à une chambre centrale hermétique contenant un gaz comprimé,des cylindres hydrauliques,une pompe-moteur hydraulique(6).La tête des pistons (1) et(12) est semi-hémisphèrique,prolongée à sa périphérie par un cylindre creux la rigidifiant.L'axe/du piston (12) est fixé orthogonalement au centre exact de la tête hémisphérique. L'axe(21), fixé orthogonalement au centre de la tête du piston(1)} est en forme de cylindre creux.Des bougies sont disposées dans les têtes de piston de façon décentrée par rapport à son axe de symétrie. Deux ouvertures(ll)-et(15) fermées par des soupapes à tiroir (10)action- nées hydrauliquement sont aménagées latéralement sur la chambre(13}. Demême,deux ouvertures(2) et(23) fermées par de soupapes à tiroir (10) sont aménagées latéralement dans la paroi de la chambre(25).Une buse(40)est placée au centre des deux bases du cylindre(6).Les pis tons(l)et(l2) n'étant pas en contact avec les parois du cylindre (6),ils sont adjoints des pistons (24) et(l4)pourvus d'une segmentation râclant la paroi du cylindre(6) (pour assurer l'étancheitél Ces pistons(24)et(l4),disposés parallèlement aux pistons(l)et(l2), sont rattachés aux axes(l7)et(21) des pistons(l2)et(1 par l'inter rétiaire de paliers(l6)et(22).Un jointà labyrinthe(9) est placé entre les pistons(12)et Les paliers(16)et(22) (figure 2) sont formés de deux anneaux ensserrant une extrémité des pistons(14)ou (24).L'anneau(43) est fixé au piston(l)ou turions son fonctionnement.L e mélange air-essence est ici T (c' > st à dire dans la phase de fonctionnement décrite par la fiau- re T) comressé dans les chambres (25) et (I3).Un mélange riche air-essence est injecté dans ces mêmes chambres (25 et (I3) par une ouverture (40).Les bougies d'allumage (41) déclenchent la réaction de combustion.Le gaz se détend, repousse les pistons (I) et (12)'une autre partie des gaz vient se heurter au segment d'étanchéité (42) des pistons (24) et (I4), puis aux créneaux du joint à labyrinthe (9).Le gaz perd alors de sa pression à mesure qu'il s'approche des paliers (I66 et (22)fixés aux pistons (I4),(24). Ces paliers (I6) et(22) permettent la libre rotation des axes (I7) et(2I) mais interdit tout déplacement dans le sens de la translation des pistons (I2) et(I).Ainsi la poussée des gaz sur les pistons (I4) et (24)est transmistdirectement aux axes (i7) et (21). Amesure que se déroule la combustion, les pistons (I2) et (I) sont repoussés vers le centre du cylindre(19). L'axe (I7) en pénétrant dans le cylindre (I8) refoule le fluide s'y trouvant vers la chambre (26). Ce même fluide exerce donc une pression contre la face interne du piston (4) qui se translate alors, aidé aussi pour cela de la poussée du piston(l).En se déplaçant,le piston(4) refoule le fluide se trouvant dans dans le cylindre(5)vers des conduits qui l'amènent à l'extérieur du cylindre(l9)Ce dernier fluide entraine alors la pompe-moteur hydraulique (6) coupléeau volant d'inertie formé des éléments (12 ,17,18,3,4,5, 21,1) ,et entraine la pompe-moteur hydraulique(39)co"plée à l'arbre moteur,aux roues motrices s'il s'agit d'un véhicule.Arrivé à ce stade de la description,rappelons que la transnission hydraulique extérieure au cylindre(l9)présentée ci-dessous n'est qu'un exemple théorique.En effet,le moteur peut être à quatre temps;le nombre de pompes-moteurs n'est pas limité autant de conditions qui modifie le circuit hydraulique. Lorsque se produit la combustion,les deux moteurs(39)et(6)sont placées en dérivation suivant la figure 4,ou en série suivant la figure 5.Lefluide aboutit enfin à un réservoir(35).Lorsque la combustion est achevée,les gaz brtilés sont chassés avec l'ouverture des lumières(ll)et(2) et remplacés par des gaz frais amenés par une soufflante et par les lumières (I5) et (23) dégagées par les soupapes (19).Simultanément le sens de circulation du fluide est inversé; les deux pompes-moteurs (6) et (39) sont placées en série; la pompe-moteur(6) joue alors le rôle de pompe aspirant le fluide entrainant par là-même la pompe-moteur(39) et renvoyant le fluide vers le cylindre(5)(fig.6).Les pistons sont donc repoussés, recompressent les gaz frais des chambres (25) et (I3), aidéSpour celà de. la force exercée par le gaz comprimé de la chambre (20).En carde freinage du véhicule, il suffit d'augmenter la cylindrée de la pompe-moteur(39)donc le débit correspondant à un nombre de tours fixes ou de diminuer la cylindrée de la pompe-moteur(6): il y alors accélération du mouvement rotatif du volant d'inertie qui emmagasine ainsi l'énergie cinétique du la véhicule. Puislrestitution de cette énergie est obtenue par augmentation de la cylindrée du moteur (6) ou diminution de la cylindree du moteur (39). REVENDICATIONS l)Moteur à combustion interne comportant deux pistons libres (12)et(l) solidairesrespectivement d'un axe (17)et (21) auxquels se rattachent au niveau d'un palier(16) respectivement (22) un piston(14) respectivement(24) en contact avec un cylindre(l9),les deux couples de pistons (12,14)et(l,24) ayant même axe imaginaire et effectuant un mouvement alternatif en sens opposé l'un de l'autre dans un cylindre(l9) qu'ils sépaent en trois chambres (13),(25)et(20),les chambres(l3),(25) étant le lieu de la combustion des gaz,la chambre(20)étant la chambre centrale,caractérisé par le fait qu'il comporte dans la chambre(20) une pompe-moteur hydraulique (6) mettant en rotation par rapport au cylindre(l9) le piston(12) ou le piston(l) ou les deux pistons(12)et(l) simultanément autour de leur axe imaginaire de sorte que le piston(12)ou(l > ou les deux pistons(l)et(l2) simultanément joue le rôle de volant d'inertie dont la vitesse de rotation n'est pas directement proportionnelle à la vitesse de translation des pistons(l)et (12),le mouvement de la pompe-moteur(6) entrainée par un fluide étant lui-même obtenu par un moyen de transformer le mouvement de translagtion des pistons(l2)et(l) en un mouvement du fluide précité. 2)Moteur selon la revendication 1caractérisé par le fait que le moyen de transformer le mouvement de translation des pistons(l)et(l2) en un mouvement du fluide est constitué par un axe(l7) coulissant dans un cylindre(l8),(l'axe(17) étant celui du piston(l2)),par un piston(4) fixé à l'axe(21) coulissant entre le cylindre (I8)et un cylindre (5)plus grand; le cylindre (I8) possédant à son extrêmité une pièce fixe 13) épousant le cylindre (21) et étant muni d'ouvertures sur les bords de cette même extrêmité, le fluide contenu dans le cylidre (I8) communicant ainsi avec la chambre (26) délimitée par la pièce (3) le pi,s- ton (4) les cylindres (5)et (I8), le cylindre (5) possédant une ou plusieurs lumières (27) par laquelle rentre ou est expulsé un fluide du fait du mouvement du piston (4). 3) Moteur à combustion interne selon la revendication I caractérise par le fait que le moyen de transformer le mouvement de translation des pistons (I2) et (I) en un mouvement du fluide est constitué par deux pistons (28) et (29), le piston (28) étant fixé à l'axe (30) lui-même fixé au piston (I) le piston (29) étant fixé à l'axe (3I)lui-mêrrte fixé au piston (I2), les deux pistons (28) et (29) coulissant dans deux demi cylindres accolés (32) et (33) contenant chacun un fluide. 4) Moteur selon la revendication (I) caractérisé par le fait que la chambre (20) renferme un gaz comprimé ou non. 5) Moteur selon la revendication (I)caractérisé par le fait que le refroidissement du piston (I2) (respective- ment 1) est assuré par un fluide circulant dans un conduit (36)creusé dans le piston (12) (respectivement (1)) ou disposé à la surface du piston (12) (respecti- vement (1). 6)Moteur selon la revendication I caractérise par le fait qu'il peut y avoir entre le piston (1) et(24) (resss pectiveraent (12) et (14)) un joint (9) dit à labyrinthe. 7)Moteur selon la revendication 1 caratérisé par le fait que le mode de combustion des gaz des chambres (13) et(25) s'effectue selon le principe du moteur diesel à préchambre ou injection directe ,l'air frais pénétrant dans les chambres(l3) et(25) par les lumières(2)et(ll),le combustible par la buse(40),les gaz brûlés s'échappant par les lumières (15)et(23). 8)Moteur selon la revendication 1 caractérisé par le fait que le mode de combustion des gaz dans les chambres (13)et(25) s'effectue selon le principe du moteur à charge stratifié,le mélange pauvre air-essence pénétrant dans les chambres 9)Moteur selon la revendication 1 caractérisé par le fait que les bougies d'allumage peuvent être disposées dans les têtes des pistons(l)et(12) de façon décentrée par rapport à leur axe.