Brevet FR2601721A1 — publié le 19880122

DISPOSITIF D' ARRET & DE DEMARRAGE D' UN PISTON LIBRE On connaît de nombreuses machines comprenant un moteur thermique, à piston libre, où ce dernier est associé directement à un piston hydraulique double dont 1' un pompe vers un accumulateur d'énergie, alors que 1' autre, lié sans pompage à un second accumulateur, permet le retour vers le point mort de compression du moteur thermique. Dans un tel cadre, on a proposé de verrouiller le piston thermique à son point mort de détente, à la façon dont on arrête la culasse mobile d' une arme à feu à répétition, dont les cadences de battement sont voisines de celles dudit piston. La maîtrise d'une telle fonction aurait des avantages considérables. Elle permettrait en effet d' user du moteur de façon séquentielle pour accumuler 1' énergie dans un accumulateur tampon, ceci sans charges partielles, ni consommation à vide, le rendement en marche étant excellent, celui d' un moteur à piston libre proche de son point de meilleur rendement. L'automatisme requis est alors simple, I' accumulateur étant maintenu entre deux pressions de consigne haute et basse, la lecture de la pression haute arrêtant la machine, celle de la pression basse la démarrant. Comme l' emploi d' huile sous pression, entraînant un bon moteur hydrostatique connu, se prête à 1' obtention de puissances et vitesses variées, avec un bon rendement de transformation, variant de 0,80 à 0,93, on comprend qu' une telle association, appliquée aux véhicules automobiles, supprimant leurs dispendieuses charges partielles, en réduirait considérablement la consommation. Le Brevet Français 80 17288 du 05.08.80 de la demanderesse décrit une telle sorte de machine, elle prévoit en outre que 1' accumulateur principal puisse recharger celui du retour, ce qui donne à la machine une très grande autonomie de démarrage, donc de fonctionnement. Mais dans les faits aucun des textes correspondants n' a donné une description réaliste des verrous appropriés à la fonction d' arrêt à assurer. Bloquer un piston libre moteur à son point mort de détente est relativement facilité car le point mort de compression d' un piston libre est franchi plus vite que ne le permet le système bielle-manivelle, broche du mouvement sinusoidal, alors qu' à l'inverse, le point mort de détente où ne subsistent que des formes dues aux gaz détendus faibles, est franchi plus lentement que ne l'impose 1' embiellage du moteur classique, c' est un avantage du piston libre. De plus, nous verrons plus loin, dans une caractéristique secondaire de l' invention, qu' on peut prolonger quelque peu le temps d'immobilisation de l' équipage mobile de la machine, en lui faisant pénétrer volontairement le dash-pot de sécurité, habituellement prévu, par seule-augmentation de la quantité de combustible lors de la course où 1' on désire l'arrêt. Mais il n' empêche que bloquer un moteur au point mort de détente de son piston requért des mécanismes forts, à même de soutenir quelques 500 kg, mais rapides aussi, agissant en quelques dizièmes de millisecondes et ce, pendant des centaines de millions de manoeuvres. Aussi la mention des textes connus de cliquets poussés dans des clenches très schématisées, ne répond absolument pas aux conditions définies ci-avant, ce que 1' absence de constructions industrielles de ces machines vient confirmer. L'objet de la présente invention est une combinaison de moyens simples qui permet 1' arrêt du piston répondant à 1' ensemble des conditions définies ci-avant, c' est-à-dire rapidité, capacité d' effort et endurance, le redémarrage après arrêt normal ayant les mêmes qualités de rapidité et d' endurance, celui après arrêt en cours de course restant tout à fait possible. Le verrou conforme à la présente invention est caractérisé par la combinaison des moyens suivants 1/ Un pêne mobile orthogonalement à l'axe de piston hydraulique; près de son lien au piston thermique, est poussé vers la clenche associée du piston hydraulique par un ressort, mais sa course est limitée par son support, en position verrouillée. De plus, ce pêne comporte une surface suffisante de frottement pour mettre en tension son ressort de pression, en poussant sur le fOt du piston hydraulique. La période propre du pêne et de son ressort d' appui est de 1' ordre de 0,1 m/sec. Les surfaces de contact du pêne et de la clenche en position verrouillée sont évasées d' un angle inférieur à 1' angle de frottement des surfaces, sur la perpendiculaire à l'axe de piston, soit à 940 environ de 1' effort d' arrêt. Ces surfaces sont dimensionnées pour supporter l' effort requis par le verrouillage. 2/ Le pêne est porté par un coulisseau qui peut rapprocher ce pêne du piston hydraulique- jusqu' à le mettre en pression sur ce dernier par son ressort d' appui par le leu des surfaces appropriées sus indiquées. Le coulisseau dispose, pour cette opération d' une course de détente et presque une course de compression du piston thermique, ce qui représente environ 10 à 20 m/sec, et qui suffit pour l'homme de l'art. Ce même coulisseau porte la butée qui, conjointement avec I' aboutement du pêne au fond de sa clenche limite le débattement de ce dernier en fin de verrouillage. La commande dudit coulisseau qui permet, par tringlerie ou cames, I' approche sus dite du pêne, permet aussi le mouvement inverse, très rapide, par une commande à percussion, laquelle donne une vitesse initiale maximale, cette vitesse étant telle que le pêne l' efface de sa clenche plus vite que ne démarre, dans sa course de compression du moteur thermique, I'équipage mobile de la machine. Il doit résulter de ce rapport de vitesses que le pêne décolle de sa clenche sans jamais reprendre son contact. Comme I' angle des surfaces de contact sur la normale aux axes inférieur à 1' angle de frottement, soit voisin de 40 ; les calculs montrent la faisabilité du mécanisme. On verra à titre de variante que l'inclinaison des surfaces de contact peut être remplacée par 1' inclinaison symétrique des guides du coulisseau porte-pêne. La description qui suit éclairera les différents points de l'invention avec deux modes de réalisation préférés, donnés à titre d' exemples non limitatifs en référence aux dessins annexés dans lesquels - la figure 1 représente une vue d' ensemble schématique d' un premier verrou conforme à 1' invention, sur une machine en coupe longitudinale - la figure 2 représente une vue schématique simplifiée d' un second verrou conforme à l'invention - la figure 3 représente une vue détaillée du premier verrou illustré à la figure 1 ; - la figure 4 représente un ensemble pêne-coulisseau du premier verrou illustré à la figure 3 - et la figure 5 représente une vue schématique simplifiée d'une commande de coulisseau porte-pêne. Sur la figure 1, on voit le piston thermique 1 de la machine, sa culasse 2, l'injecteur 3, pour exemple, étant le plus courant. De même, on reconnaît 1' aspiration 4 à clapet, le canal de transfert 5, 1' échappement 6 et le carter pompe 7 de ce deux temps à lumières. Lié au piston thermique 1, le piston hydraulique double 8 pompe, par sa couronne 11 en coopération avec la chemise 9, la boîte à clapet 12 où débouchent l'aspiration 13 et le refoulement 14, le fluide utile vers l' accumulateur oléo-pneumatique 15 pris pour exemple, lequel envoie le même fluide vers l'utilisation par le conduit 16. L'extrémité 17 du piston 8 communique sans clapets avec l'accumulateur 18, pour exemple oléo-pneumatique, ce qui en fin de détente thermique, provoque un effort de retour de 1' équipage mobile vers le point mort de compression thermique (on sait que 1' on peut employer l' accumulateur par compression du fluide). La collerette 19 coopérant avec la couronne 11 du piston hydraulique 8 forme dash-pot d' amortisseur. Restent les vannes éventuellement motorisées qui permettent d'isoler si besoin, comme on peut le faire, les accumulateurs 15 et 18, alors que les mises à la bâche 22 et 23 annulent tout effort hydraulique sur les pistons pour ramener par un mécanisme associé l'ensemble arrêté en cours de course. Dans le verrou conforme à l'invention de la figure 1, le pêne ici doublé pour équilibrer les efforts de verrouillage est la branche d' un cliquet en Vé 24 articulé sur une chape 25 du coulisseau 26 dont on voit le flasque 27. Il vient s' enfopcer sous 1' action du ressort 29,accéléré évera > uellement par 1' effort de verrouillage dans la gorge 28 du piston 8. En fin de verrouillage, la branche opposée du cliquet en Vé 24 s' appuie sur le coulisseau 26. On voit les coulisseaux 26 commandés par les leviers 30, eux-mêmes liés à un moyeu relié à la commande 31 actionnée réversiblement par un actionneur à percussion détaillé plus loin, dont la masselotte 40 est arrêtée par le cliquet 32 et l'ensemble mû par le vérin 42. Sur la figure 2, on voit le système de verrou le plus simple où le pêne 24, du type pêne de serrure, repose sur le coulisseau 26 que déplace la tringlerie 30. Le contact entre pêne et clenche est incliné à un angle inférieur à l' angle de frottement sur la normale aux axes de pistons et le pêne est abloqué, en fin de verrouillage, sur le coulisseau 26 par le leu des faces conjuguées 32 et 33 en même temps que par son contact en fond de clenche. Sur la figure 3, on retrouve le cliquet en Vé formant le pêne 24 articulé sur la chape 27 du coulisseau 26 et pressé vers le fOt de piston 8 par le ressort 29 pour entrer dans la clenche 28 évasée à 40. On reconnaît en pointillés la chape 27 d'articulation du pêne en Vé 24, - dont la tranche opposée s' appuie en fin de verrouillage sur - le coulisseau 26; Egalement en pointillé, on reconnait la tringlerie 30 de commande du coulisseau 26. La figure 4 montre plus clairement le cliquet en Vé formant le pêne 24, articulé sur 1' axe 34 porté lui-même par les flasques comme 27. La branche du pêne 24 qui accoste le piston 8 pour mettre en pression le ressort 29 épouse la forme dudit piston par sa zone d' appui 35 et 1' on voit que en fin de verrouillage où conjointement le -pêne 24 arrive au fond de la gorge 30 formant clenche et la seconde branche du pêne en Vé 24 s' appuie sur le coulisseau 26, une lunule 36 du pêne est ménagée au diamètre intérieur de la gorge 30 pour éviter toute pression excessive en cas de contact. On voit, par ailleurs, la coulisse 37 du coulisseau 26 et 1' un des moyeux 38 - présente par paire pour chacun des coulisseaux 26, et par lesquels s'attachent les leviers doubles 30 d' entraînement qui enserrent de part et d' autre le fût de la chemise 9. En figure 5, on voit que l'inclinaison à 4" environ des surfaces du verrouillage sur la normale aux axes de pistons peut être remplacée une inclinaison égale et opposée des coulisses 37 guidant les coulisseaux porte-pênes 26 (à 86" de l'effort d'arrêt). Sur la même figure, on retrouve les leviers 30 de commande des coulisseaux 26, le moyeu qui les commande lui-même actionné par le levier en fourche 31 dont le point de lonction 39 forme enclume pour recevoir 1' effort fourni par la commande réversible à percussion 40 elle même retenue par le cliquet 32. L'axe 41 solidaire du piston 42, de vérin hydraulique, est également relié aux poussoirs 43 et 44. Entre le pouvoir 43 et la masselotte 40 blocable par le cliquet 32, le ressort 45 fixé à la masselotte 40 et au poussoir 43 peut être comprimé ou détendu par coulissement de la masselotte 40 sur I'axe 41. Dans le sens de traction du vérin le poussoir 44 entraîne I'enclume 39, ce qui conduit, parle jeu des tringleries, à presser le pêne cylindrique 24 sur le fOt du piston 8, mettant en pression le ressort 29. Il faut signaler que en même temps, la masselotte 40 s' est abaissée pour être bloquée par le cliquet 32. Dans le sens inverse du vérin, le poussoir 43 comprime le ressort 45 sur la masselotte 40 et le poussoir 44 et s'élève au-dessus de 1' enclume 39 permettant le déplacement libre de cette dernière au moment où le cliquet 32 aura libéré la masselotte 40 pour déclencher le choc. Le fonctionnement général de la machine est connu. L'explosion survenant dans la chambre de combustion, elle pousse les pistons, les pistons hydrauliques pompant, pour 1' un, le fluide utile vers 1' accumulateur principal 15, refoulant, pour 1' autre, le fluide vers 1' accumulateur de retour. L' énergie utile de 1' explosion étant absorbée par ces pistons et les frottements, les pistons s' arrêtent en fin de course de détente et dès lors I' action conjointe de la surpression d' admission sur le piston couronne principal 11, et surtout l'action de la pression de l'accumulateur de retour 18 sur le piston 17 repoussent 1' équipage mobile vers le point mort de compression du cylindre thermique, au voisinage duquel, gouvernée par la détection d' un point de la course, ou d' une pression de consigne, pour exemple, I' iniection est realisée pour déclencher la course suivante. Comme indiqué ci-avant, une marche simple consiste à arrêter le battement lorsque la pression haute de consigne est atteinte dans l'accumulateur principal 15. A ce moment, le vérin 42 peut commencer sa traction dès le début de la détente et si besoin de la compression précédente, en vue d' assurer 1' arrêt, appliquant de ce fait le pêne 24 contre le piston 8, ce qui comprime le ressort 29. Il suffit que l'enclume 39 soit en fin de course avant le point mort de détente. A ce dernier point, la branche du Vé formant le pêne, pressée contre le vérin 8, peut s'engager dans la gorge 28 formant clenche du fait de la très faible constante de temps de l' ensemble ressort-pêne.Il faut en outre noter que la disposition en Vé du pêne fait que, dès le moindre engagement de celui-ci, I' effort de retour accélère le verrouillage à la fin duquel le pêne côté verrou atteint le fond de la clenche 28 alors que 1' autre branche du Vé vient en appui sur le coulisseau porte-pêne 26. Comme indiqué plus haut, les mécanismes sont de préférence doublés pour équilibrer les efforts et réduire les frottements secondaires. La forme partiellement cylindrique du pêne permet des pressions de contact supportables par les matériaux à grande dureté employés et les résistances des pièces sont proportionnées aux efforts de retour indiqués. Il faut signaler la grande régularité des courses engendrées par les combustions succédant à une injection, d' autant meilleure que celle-ci se fait à grande pression, comme il se produit dans les injections modernes. La pression a, en effet, la double conséquence d' améliorer la pulvérisation et le mélange consécutif, et d' autre part d' assurer un auto-nettoyage mécanique des tuyères de pulvérisation. Il découle de la stabilité des courses qu on peut assurer le verrouillage dans une plage très faible en deçà du point mort et ainsi les efforts d'inertie appliqués au verrou sont très réduits et un coefficient sécurité de 1' ordre de 2 pris sur la charge sûre statique serait suffisant. Une sécurité doublée reste concevable, les tracés et calculs montant qu' aucun problème d' encombrement ne se pose. La situation du verrouillage sous le piston thermique, au sommet de la chemise hydraulique réduit 1' encombrement global tout en permettant un écoulement plus libre de 1' air d' admission. De même, il faut noter que, si le schéma montre en alignement prolongé les courses utiles et du retour, un simple piston en tube permet que les deux courses hydrauliques se superposent sur une même longueur de machine dans le sens axial. Dans le deuxième cas de régulation, lorsque la pression dans I' accumulateur principal atteint la pression basse de consigne, l'ordre de redémarrage de la machine est donné. Il s'entend que la pression normale de l'accumulateur de retour 18 est contrôlée à niveau par 1' emploi de I' accumulateur principal 15. Ensuite, le cliquet 32 libère la masselotte 40 qui percute 1' enclume 39. Le pêne 24 en appui sur le coulisseau 26 est en conséquence écarté de sa position de verrouillage, avec une vitesse initiale élevée, propre à la commande, à percussion. Cette vitesse est telle que, vue l'inclinaison des surfaces de contact sur la normale aux axes-pistons (ou 1' inclinaison équivalente des guidages du coulisseau porte-pêne 26), le verrouillage se décolle sans reprendre contact.Ainsi, est exclue la phase dangereuse des surfaces graduellement réduites sous efforts constants qui donnent des pressions de contact excessives et des usures rapides. De même, sont évitées les pertes d'énergie et le démarrage se fait à la vitesse de régime. On sait, par ailleurs, I' aptitude des systèmes à percussion, ludicieusement dimensionnés, à supporter des manoeuvres très nombreuses sans déformations perceptibles (marteaux, outils d' estampage ...). L' ensemble du redémarrage peut s'inscrire dans un temps de quelques centièmes de seconde qui disponibilise la puissance. A titre de complément utile du matériel et de l'invention, on peut noter que le verrouillage peut être rendu plus sûr en prolongeant de façon spécifique la course au moment du verrouillage, par le moyen d' une injection de combustible augmentée en réponse à 1' ordre d' arrêt de la machine, I' automatisme de gestion se chargeant du bon ordre des opérations. Sous cette action, le dash-pot de sécurité 19 est engagé, ce qui a le triple effet de mieux localiser le point d' arrêt par raideur d' arrêt augmentée, d'augmenter le temps de 1' arrêt, facilitant I' enclenchement du pêne et enfin de réduire 1' énergie du micro-choc résultant de toute surcourse après arrêt. En général tous ces types de machines sont équipés du dash-pot 19 de sécurité en question. II va sans dire que les moyens de l'invention peuvent être appliqués dans leur combinaison pour arrêter et redémarrer fiablement des pièces en mouvement alternatif régulier, non associées à de fortes inerties (comme c'est par contre le cas caractérisé des moteurs alternatifs à bielles et volants). L'énergie utile peut être absorbée électriquement par exemple ou le retour peut être pneumatique. REVENDICATIONS 1. Dispositif d' arrêt et de démarrage d'un piston libre de machine thermi-hydraulique alternatif notamment où un piston libre est relié directement à deux pistons hydrauliques dont 1' un, principal, pompe par clapets vers un accumulateur principal ;I' autre relié sans clapets à un accumulateur annexe provoquant le retour du piston libre thermique vers la compression, le verrou de l'invention bloquant l'équipage mobile sus-dit près du point mort de détente, sur ordre donné par 1' organe de gestion de la machine, un cycle avant 1' arrêt, lequel peut être suivi d' un redémarrage éventuel, quelques centièmes de seconde après, à la cadence du régime, le verrou de l'invention étant caractérisé par la combinaison des dispositions suivantes a) En face du piston hydraulique 8, lequel présente à quelques dixièmes de millimètre avant le point mort de détente thermique, I' entrée d' une clenche conjuguée 28, un pêne 24, coulissant selon la normale à 1' axe du piston 8 sur un coulisseau porte-pêne 26, lui-même ajusté à emmanchement coulissant parallèlement au dernier mouvement sur le bâti-moteur, ce pêne 24 sus-dit est poussé vers sa clenche 28 par un ressort 29 conférant à 1' ensemble pêne-ressort une période propre de 1' ordre de un dixième de milliseconde, lequel ressort prenant appui sur le coulisseau 26 qui le porte. Au maximum de sa course vers le piston 8, le coulisseau 26, par le ressort comprimé 29, pousse le pêne 24, non enclenché, à presser le piston 8 par une surface de frottement appropriée. En cette position du coulisseau 26, le pêne 24 étant enclenché pour verrouillage au point mort de détente thermique, un taquet 33 du pêne 24 s' appuie sur la butée 32 du coulisseau 26. Le même pêne 24 enclenché s'appuie sur la clenche 28, pour contenir 1' effort de retour créé par le piston 17, selon une surface appropriée inclinée sur ledit effort d'un angle de l'ordre de 940 en sens horaire, soit 900, plus un angle inférieur à l'angle de frottement habituel. b) La commande du coulisseau 26 est opérée depuis le bâti-moteur, vers 1' axe du piston 8, selon un mouvement progressif, transmis pour exemple par tringlerie comme 30-39, ou par came depuis un vérin 42, ce qui presse le pêne 24 sur le piston 8 et comprime le ressort 29, ledit pêne étant à même de réaliser le verrouillage dès que la clenche 28 passe à sa hauteur. La commande inverse du coulisseau 26, le pêne 24 étant dans la clenche 28, entraîne ce pêne 24 par son taquet 33 alors en appui. Elle est effectuée par percussion d' une enclume 39, interposée sur la tringlerie 30-39, par une masselotte 40 libérée par le cliquet commandé 32, son lancement balistique étant réarmé par le même vérin 42 selon un système à percussion connu. L' entraînement du coulisseau 26, donc du pène 24, est assez rapide pour que le pêne 24 décolle de la clenche 28 sans reprendre son contact pendant le déverrouillage qui se réalise sans usure, ni perte d' énergie, et provoque un redémarrage voisin de la course en régime normal. Ce démarrage requiert un temps de quelques centièmes de seconde à compter de 1' ordre donné par l'organe de régulation de la machine. 2. Verrou conforme à la revendication 1, appliqué à une machine thermique àinlection, caractérisé en ce que, parallèlement à 1' ordre d' arrêt, la dernière quantité inlectée est augmentée par 1' organe de régulation pour que le dash-pot de sécurité 19 de la machine soit systématiquement engagé, déplaçant le point d'arrêt, et augmentant le temps disponible pour le verrouillage. 3. Verrou conforme à la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le pêne 24 et sa butée formée par le taquet 33 et son blocage 32 sont remplacés par un cliquet en Vé articulé en son sommet par un axe 34 porté lui-même par une chape 27 du coulisseau 26, l'une des branches formant le pêne 24 conformée si besoin en forme de cylindre 35 entourant le piston 8, 1' autre branche formant butée par appui sur le coulisseau 26 en fin de verrouillage, cette version étant auto-blocable par 1' effort - de verrouillage dès le début de l'enclenchement. 4. Verrou conforme à l'une quelconque des revendications 1, 2 et 3, caractérisé en ce que, en fin d' enclenchement du pêne - 24 dans la clenche 28, ce dernier aboute conjointement sur la butée 32 du coulisseau 26 par son taquet 33, et sur le fond de la clenche par une surface appropriée, ce qui augmente la sécurité du verrouillage. 5. Verrou conforme- à 1' une quelque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il est groupé en paires symétriques, commandées par un même dispositif, ce qui évite les efforts parasites. 6. Verrou conforme à 1' une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que, en remplacement de ltinclinaison de la surface de portée entre clenche 28 et pêne 24, pour soutenir 1' effort à 94" en sens horaire de cet effort ou sysmétrique, c' est la glissière 37 du coulisseau 26 qui est inclinée à 840 en sens horaire du même effort. 7. Verrou conforme à 1' une quelconque des revendications. 1 à 6, caractérisé en ce qu'il est complété par un système de sécurité assurant, en cas d' arrêt de I' équipage. mobile en cours de course, son rappel au point mort de détente par un système connu, mécanique ou hydraulique, cette manoeuvre étant rendue aisée par isolement des accumulateurs et mise à la bâche des cylindres de vérins.