Brevet FR2628479A1 — publié le 19890915

ASSEMBLAGE PISTON ET CYLINDRE A MOUVEMENT ALTERNATIF POUR MOTEURS A COMBUSTION INTERNE ET EQUIVALENT Des essais sans nombre ont été faits pour remédier aux inconvénients inhérents aux moteurs à combustion interne connus. La nécessité d'un vilbrequin, de tiges de connexion et de bras articulés, afin de convertir le mouvement avant o0 arrière du piston en un mouvement de rotation utilisable; l'usure excessive et inévitable due à la poussée latérale du piston contre la paroi du cylindre; le déséquilibre statique et dynamique; les vibrations et le fonctionnement bruyant; les problèmes de lubrification; la mauvaise utilisation de l'espace; et les limites relativement basses de vitesse -- sont parmi les imperfections majeures d'une conception conventionnelle, qui sont les inconvénients que l'invention se propose de surmonter. Selon l'invention il est proposé un assemblage piston et cylindre à mouvement alternatif pour moteurs à combustion interne, compresseurs et des machines équivalentes génératrices de puissance. Le cylindre et le piston sont assemblés ou couplés l'un à l'autre par un système de transmission, effectuant en combinaison, des mouvements alternatifs à la fois du piston et du cylindre dans des directions opposées, et un mouvement de translation du cylindre autour d'une orbite circulaire par rapport à un support du système de transmission. Le piston est de préférence un piston double effet, définissant des chambres de compression de chaque côté dudit piston, la course totale du piston par rapport au cylindre étant égale à quatre fois le rayon de ladite orbite circulaire. Ces aspects et d'autres, des détails de construction, les avantages et les applications de l'invention vont être mieux compris de façon complète à la lumière de la description qui suit de différents modes de réalisation préférés de celle-ci, donnés purement à titre d'exemple, et pour une meilleure évaluation des différents aspects de la présente invention, en faisant référence aux dessins l'accompagant, dans lesquels - BREVE DESCRIPTION DES DESSINS La figure 1 est une vue en élévation schématique d'un assemblage piston et cylindre selon un premier mode de réalisation de base, de l'invention; La figure 2 est une coupe selon la ligne II-II de la figure 1, La figure 3 est un autre mode de réalisation de l'invention, La figure 4 est un autre mode de réalisation de l'invention, La figure 5 est une coupe selon la ligne V-V de la figure 4, La figure 6 est un autre mode de réalisation de l'invention, La figure 7 est un autre mode de réalisation de l'invention, La figure 8 est un autre mode de réalisation de l'invention, La figure 9 est un autre mode de réalisation de l'invention, La figure 10 est un autre mode de de réalisation de l'invention; La figure 11 montre une construction de la tête du cylindre applicable à la conception selon l'invention; Les figures -12a et 12b illustrent un détail de la tête de cylindre montrée sur la figure 11; Les figures 13a et 13b illustrent un autre détail de la tête de cylindre montrée sur la figure 11; La figure 14 est encore un autre mode de réalisation de l'invention, et 0 La figure 15 montre l'application de l'invention à une machine outil. Sur les figures 1 et 2, sont montrés schématiquement des éléments et composants de base d'un moteur illustrant les principes de la présente invention. A partir de là, un piston double effet 10 est déplaçable dans un sens ou l'autre, à l'intérieur du cylindre 12, tandis que les deux sont déplaçables le long de leur axe commun dans des directions opposées d'une part, et d'autre part réalisent ensemble, comme un corps unique, un mouvement de translation parallèle à lui-même de rotation autour d'une orbite circulaire. Le piston 10 est assemblé de façon rotative à un maneton 14 constituant la sortie de fourniture de puissance du moteur. Le maneton 14 a sa portion d'arbre central 14' montée dans un roulement, et sa portion. d'arbre excentrée ou arbre maneton 14" est couplée de façon rotative au piston 10 par un roulement 10' situé au centre de celui-ci. La portion 14" est prévue dans le piston 10 au travers d'une fente, s'étendant axialement 16 formée à l'emplacement respectif de la paroi du cylindre 12, c'est-à-dire le long d'une génératrice de celui-ci. Le cylindre 12 comporte à ses deux extrémités opposées des roulements 12' et 12". Un premier maneton 18, avec une portion d'arbre central 18' et d'arbre excentré ou arbre maneton 18" est couplé au roulement 12', et un second maneton 20, avec des arbres 20' et " est couplé au roulement 12". L'excentricité ou "la volée" des arbres 14", 18" et 20", marqués S sur la figure 1, est la même, quoiqu'il en soit, la direction de la volée de l'arbre 14" est fixée initialement dans une direction d'image-miroir opposée par rapport à celle des arbres manetons 18" et 20", la dernière étant dirigée dans la même èt unique direction. Les arbres 14', 18' et 20' sont couplés les uns aux autres par trois roues d'engrenage identiques 14"', 18"' et 20"', respectivement, de sorte que la relation de direction ci-dessus décrite est conservée. Le moteur est agencé à l'intérieur d'un logement 22 avec seulement la portion 14' de l'axe central du maneton s'étendant pour coupler à celuici le composant d'entraînement de la machine (non représenté). Dans un but de clarté, toutes les autres parties et composants incorporées de façon nécessaire pour permettre le fonctionnement du moteur à combustion interne selon le cycle "Otto" à deux temps ou quatre temps, (les bougies, les soupapes et systèmes auxiliaires similaires et les accessoires), 'ont été omis dans les dessins. Le fonctionnement du moteur est le suivant. Il doit être noté que deux chambres de compression sont formées, identifiées par A1 et A2. Une fois démarré, les manetons 18 et 20 vont tourner, par exemple dans la direction inverse des aiguilles d'une montre, et le maneton 14 dans la direction des aiguilles d'une montre. Le cylindre 12 et le piston 10 vont de ce fait effectuer des mouvements linéaires dirigés de façon opposés. Il sera de plus noté le fait que les manetons étant dimensionnés et assemblés selon la relation décrite ci-dessus -- le cylindre et le piston bougent à l'unisson, effectuant un mouvement de translation le long des axes centraux respectifs des arbres 14', 18' et 20', tandis qu'ils sont maintenus parallèles à leurs axes longitudinaux communs (ou au plan X-X défini par lesdits trois axes centraux). Une simple analyse de ce mouvement combiné montrera que les volumes respectifs des chambres de compression A1 et A2 vont varier alternativement entre un maximum et un minimum, directement proportionnels à une course de 4xS dans l'une et dans l'autre direction, par rapport au plan central de symétrie Y-Y de la structure du moteur, lors de chaque révolution complète des manetons. Il sera de plus, aisément compris que plutôt que d'avoir l'assemblage cylindre et piston déplacé en translation en relation au système de transmission, c'est-à-dire le train d'engrenage associé avec les manetons 14, 18 et 20 fixés au logement 22 -- le cylindre peut être maintenu stationnaire et le logement autorisé à effectuer le mouvement de translation tout autour. Considérant maintenant la figure 3, un moteur selon un mode de réalisation modifié est montré. Le piston 24 et le cylindre 26, définissant les chambres de compression B1 et B2, sont couplés l'un à l'autre via un maneton 28, avec un arbre central 28' et un arbre excentré 28", une roue d'engrenage 30, une roue d'engrenage 32 et. un maneton 34 avec des portions d'arbres 34' et 34", comme illustré. Le mouvement de l'arbre excentré 28" est guidé à l'intérieur de la fente 36 formée dans la paroi latérale du cylindre 26. Une paire de contrépoids 38 et 40 sont fixés aux roues 30 et 32, respectivement. La nature du mouvement alternatif périodiquement positif du piston et du cylindre, vers et en s'éloignant l'un de l'autre d'une part, en combinaison avec le mouvement parallèle à lui-même simultané de l'assemblage pistoh/cylindre comme un seul et unique corps d'autre part, est assurée par l'arrangement de couplage tel que décrit ci-dessus, tandis que les roues 30 et 32 tournent dans des directions opposées. Les contre-poids 38 et 40 servent à équilibrer le mouvement transversal, vers le haut et vers le bas, de l'assemblage piston et cylindre. Le mode de réalisation des figures 4 et 5 comprend un piston 42 et un cylindre 44, qui est prévu avec des ailettes de refroidissement 46 à l'air. Le piston 42 est couplé au maneton 48 comprenant des arbres 48' et 48". Le cylindre 44 est couplé aux manetons 50 et 52 avec des arbres 50', 50" et 52', 52", le dernier étant en appui sur des roulements 50"' et 52"', formés sur des languettes adequates 54 et 56 s'étendant à partir du côté opposé du cylindre 44. Les manetons 48, 50. et 52 sont connectés les uns aux autres par des moyens de roues d'engrenage identiques, s 'engrenant les unes avec les autres 58, et 62, respectivement. Une fente 64 est formée dans la paroi latérale du cylindre 44, permettant le passage de l'arbre excentré 48" à l'intérieur du roulement 66 prévu au centre du piston 42, aussi bien que son mouvement d'avant en arrière guidé tout le long. Le mode d'opération du moteur est substantiellement le même que décrit en conjonction avec les figures 1 et 2, en relation aux chambres de compression C1 et C2. En référence maintenant à la figure 6, le piston 64 est supporté de façon centrale par l'arbre excentré 66" du maneton, qui, dans le cas présent, est consitué par une roue d'engrenage 66 s'engrenant avec les roues 68, 70, 72 et 74. Un cylindre 76 est prévu avec une paire de languettes 78, 80, avec des roulements 68"' et 70"' pour les arbres 68" et 70", respectivement. Le cylindre 76 est conçu pour effectuer un cycle à deux temps. Dans ce but, une ouverture d'entrée ou d'aspiration 82 et une ouverture d'évacuation 84 sont prévues dans la chemise du cylindre. Un passage interne 86 communique entre les chambres de compression D1 et D2. Une bougie 88 est installée à la tête du cylindre. Selon le présent mode de réalisation de l'invention, un (et de façon possible, plusieurs) assemblage piston et cylindre supplémentaire est aisément annexé, connecté "en parallèle" au premier système mentionné. Ainsi, les roues 72 et 74 servent à porter un autre cylindre 90 (seulement partiellement montré sur la figure 6) de préférence dans une relation de compensation par rapport au premier assemblage (cylindre 76), pour obtenir une structure globalement mieux équilibrée. Le mode de réalisation montré sur la figure 7 tend à obtenir un moteur à cycle de combustion à deux temps incorporant une vanne de décharge rotative qui est actionné de la même façon que les composants reçus par le piston et le cylindre. Le système comprend un piston 92 et un cylindre 94 avec des languettes 96 et 98. Les assemblages à manetons et roues généralement référencés 100, 102 et 104 sont utilisés de façon similaire à l'arrangement de la figure 5, à part que des roues dentées, avec une chaîne à dents de pignon sur des courroies de transmission 106 sont utilisées -- plutôt qu'un engagement à engrenage. La chaîne 106 est couplée de façon dirigée, à un quatrième maneton et un assemblage à roue 108, munie d'un évidement en partie, ou un arbre 108' excentré, muni d'une fente, constituant ainsi une vanne rotative d'évacuation des gaz, actionnable en synchronisation avec le mouvement combiné du piston et du cylindre. Le piston et le cylindre sont de configuration différente, c'est-à-dire là o le côté, actif, frontal, est d'un plus petit diamètre que le côté, passif, arrière. De la sorte, le cylindre 94 est agencé pour fonctionner selon un cycle 'Otto" de temps surchargé, comprenant une ouverture d'entrée 110 de la chambre E2 et un passage 112 conduisant à la chambre El, qui communique également avec la valve 108' au travers de l'ouverture 114, à proximité de la bougie 116. La figure 8 illustre l'utilisation des principes de la présente invention pour la conception d'un moteur à combusion interne à deux temps et double effet. Le piston différentiel 120 et le cylindre 122 sont prévus couplés en ce qui concerne leur fonctionnement par des assemblages de manetons 124 (du côté du piston) et 126, 128 et 132 (du côté du cylindre). Les chambres de compression F1 et F2 sont interconnectées par des passages 122' et 122" dans des directions opposées, comme montré, avec une ouverture d'introduction et de sortie 136 pour la chambre F1 et une ouverture similaire 138 pour la chambre F2. Le fonctionnement du moteur est directement analogue à celui du mode de réalisation de la figure o10 7, eu égard, quoiqu'il en soit, aux deux côtés du piston 120. Concernant la figure 9, un piston 140 et un cylindre 142 sont couplés l'un à l'autre de la façon familière, c'est-à-dire, des assemblages de manetons et d'engrenages, généralement référencés 144, 146 et 148, respectivement. Des axes excentrés 146' et 148' sont chacun prévus de plus avec des roues d'engrenage supplémentaires 146" et 148", constamment en prise avec des roues respectives et identiques 150 et 152.- Une roue 150 est montée sur la tête de cylindre 154 par l'intermédiaire d'un arbre 156. L'arbre a une came 156' pour faire fonctionner -- c'est-àdire ouvrir et fermer -- une vanne actionnée par ressort 158 de conception générale conventionnelle. Une tête de cylindré 160 est prévue au côté opposé du cylindre 142. L'arbre 162 et la roue 152 constituent une vanne rotative, comme dans le mode de réalisation précédent. De façon évidente, l'utilisation de vannes de différents types est montrée à titre d'exemple d'illustration seulement, mettant en exergue les différentes et nombreuses possibilités de conception selon des aspects supplémentaires de la présente invention. Dans la figure 10, d'autres variations de conception sont données à titre d'exemple. De la sorte, le piston 164 est couplé de façon différente au cylindre 166, c'est-à-dire par une paire de languettes s'étendant radialement 164' et 164", portant les roulements 164' et 164" des assemblages de manetons 168' et 168". Des fentes allongées adéquates 166' et 166" sont faites dans les portions respectives de parois du l0 cylindre 166 pour permettre les mouvements opposés alternatifs du piston et du cylindre générés par les assemblages maneton/piston 168', 168" (interconnectés l'un avec l'autre par un engrenage supplémentaire de changement de direction 167) et des assemblages de manetons 170, 172. Deux ensembles de joints de piston, désignés par les références 174 et 176, sont prévus (comme dans tous les cas précédents) aux côtés opposés du piston double action 164. Un évidement 178 contient le moteur entier quand utilisé, par exemple, comme un générateur immobile de puissance électrique entraîné par un des arbres associés aux manetons 168', 168", 170 ou 172. Cette configuration est particulièrement avantageuse et unique, en ce que le piston d'un côté et le cylindre de l'autre côté, sont supportés indépendamment par le logement 178. De la sorte, le mouvement alternatif du piston n'est plus un mouvement de glissement à l'intérieur, et guidé par la paroi, du cylindre mais le piston est plutôt déplacé à l'intérieur du cylindre "sans contact", sans qu'aucune force de frottement radial ne soit présente. Un ajustement précis du piston dans le cylindre, aussi bien q'une lubrification intensive du cylindre ne ll sont pas nécessaires, permettant de diminuer considérablement les coûts de production et de maintenance. Cet aspect peut être aussi considéré comme important d'un autre point de vue. Du fait des efforts mécaniques minimaux existant entre le piston et le cylindre, ce dernier peut être fait en matériau céramique -- plutôt qu'en métal -- ce qui va permettre le fonctionnement du moteur dans des conditions de température élevée. Un détail de conception particulière est illustré sur la figure 11, qui est généralement applicable à tous les modes de réalisation précédents. Il y est partiellement montré un piston 180, un cylindre 182, un logement 184 et un assemblage de soupage d'admission en tête 186. De façon plus détaillée, en gardant en tête la cinématique du système, certains problèmes spécifiques peuvent être résolus de façon satisfaisante afin de mettre en pratique l'invention, telles que l'alimentation et l'évacuation du mélange combustible, et l'admission et l'évacuation d'eau de refroidissement. Dans ce but, l'utilisation de manetons creux tels que montrés sur les figures 12 et 13, est proposée, de la façon suivante. La tête de soupape 186 contient une section collectrice d'alimentation 188 et un collecteur d'échappement 200, qui doivent être connectés à l'extérieur du logement 184, c'est-à-dire, en rapport avec la section 188 -- à l'ouverture 202 (et de la section 200 à une ouverture opposée -- non représentée). Un maneton rotatif 204, clairement montré sur les figures 12a et 12b, est monté partiellement dans une douille de roulement 206, formée dans la section du logement. 184, en alignement axial avec l'ouverture 202, et partiellement dans la douille 208 prévue dans la tête de cylindre 186. Des garnitures et revêtements internes adéquats sont incorporés. Du fait d'un alésage traversant 210, une communication est établie et maintenue constamment malgré le mouvement vers le haut et vers le bas de la tête de cylindre 186 par rapport au logement fixe 184. En ce qui concerne le fluide de refroidissement de circulation à travers l'ouverture 212 dans et en dehors du vide 214 dans le cylindre 182, un arrangement similaire est utilisé. Un maneton creux 216 illustré sur les figures 13a et 13b, avec un passage interne 218 est monté, couplé aux parties respectives comme montré. Un autre arrangement de l'assemblage, pour une configuration de moteur à quatre temps, à double effet, est montré sur la figure 14. Pour chaque côté du piston 220 et du cylindre 222, il est prévu un assemblage de soupape, généralement représenté par 224 et 226. Les deux assemblages de soupapes sont installés sur une structure commune 228, en tant que partie de l'enveloppe externe du moteur 230. Les trous d'entrée/sortie du cylindre 222 respectif, désigné par 232 et 234, peuvent devenir alignés alternativement avec les assemblages de soupapes 224 et 226, respectivement, c'est-à-dire dans la direction et pendant la fin de chaque temps en regard avec les chambres de compression Hl et H2. La structure 228 est fixée, et comprend une section d'arbre à came à droite 236' et une section à gauche 236", les deux propres à être sises en rotation (dans des directions opposées) par une transmission d'engrenage droit comprenant un pignon 238 et des engrenages 240, 242. Le pignon 238 est entrainé par un maneton central 244, dont l'axe excentré 244' passe au travers du piston 220. Des bandes et joints guides adéquats 246, 248 sont utilisés pour faciliter le mouvement du cylindre 222 à l'intérieur de l'enveloppe 230. La figure 15 représente schématiquement une méthode de plus de couplage l'un à l'autre d'un piston situé centralement 250 associé à des arbres à manetons 250' et 250" - et une paire de cylindre 252 et de manetons 252', 252" et 254', 254". De cette façon, chacun des cylindres manetons est prévu avec un arbre excentrique supplémentaire 252"' et 254"', s'étendant vers l'extérieur de la structure (c'est-à-dire à l'opposé des axes excentrés directement couplés au cylindre). Une tige de fixation 256 est couplée par ses extrémités aux arbres 252"' et 254"', et est passée au travers d'un sommier 258 qui est couplé à l'axe excentré 250"' du maneton piston. Le piston 250 est différentiel, particulièrement pour agir comme un compresseur à quatre étages, c'est-à-dire en conjonction avec des valves ou soupapes de retenue 260, 262, 264 et 268. De cette sorte, il est décrit dans la description ci-dessus et les dessins, plusieurs modes de réalisation de l'invention qui accomplissement effectivement les objets de cette dernière. Quoiqu'il en soit, il sera aisé à l'homme de l'art dans le domaine que l'invention concerne, après avoir pleinement compris les principes de l'invention, d'effectuer des variations et modifications de la présente invention. Ainsi, le domaine de l'invention est à concevoir, non en référence aux différentes descriptions ci-jointes, mais seulement à la lumière des revendications ci-jointes. REVENDICATIONS 1. Assemblage alternatif à piston et cylindre pour moteurs à combustion interne, compresseurs, et machines de travail fournissant une puissance, caractérisé en ce que le cylindre (12) et le piston (10) sont couplés l'un à l'autre par un système de transmission effectuant, en combinaison, des mouvements alternatifs à la fois du piston (10) et du cylindre (12) dans des directions opposées et un mouvement de translation du cylindre (12) sur une orbite circulaire par rapport à un support dudit système de transmission. 2. Assemblage selon la revendication 1 caractérisé en ce que le piston (10) est à double- effet, définissant des chambres de compression (A1, A2) de chaque côté dudit piston, la course totale du piston par rapport au cylindre étant égale à quatre fois le rayon de ladite orbite circulaire. 3. Assemblage selon la revendication 2 caractérisé en ce que le système de transmission comprend: des premier, second et troisième sièges pour supporter rotativement des premier, second et troisième arbres axiaux (14', 18', 20') respectivement; chaque Arbre axial étant associé avec un arbre maneton excentré, (14", 18", 20") dont l'axe s'étend parallèlement et à une distance identique de l'axe de son arbre axial respectif (14', 18', 20'); le premier arbre maneton (14") étant couplé de façon pivotante au piston (10) dans une direction normale à l'axe longitudinal de celuici, avec une certaine direction angulaire par rapport à l'axe de l'arbre axial (14'); les second et troisième arbre maneton (18", 20"), étant couplés de façon pivotante au cylindre (12) avec leur direction angulaire formant une image miroir de la direction angulaire du premier arbre maneton (14"); des moyens (14"', 18"',. 20"') étant prévus pour assurer le couplage du premier arbre axial (14') au second et au troisième arbres axiaux (18'., 20') pour permettre le mouvement rotatif commun de celui-ci avec la même vitesse angulaire tandis que la direction du premier arbre est opposée à la direction des second et troisième arbres. 4. Assemblage selon l'une quelconque des revendication 2 et 3 caractérisé en ce qu'au moins un arbre axial (14', 18', 20') et son arbre maneton (14", 18", 20") respectif est formé dune seule pièce pour constituer un maneton (14, 18, 20). 5. Assemblage selon l'une quelconque des revendications 3 et 4 caractérisé en ce que les arbres axiaux (14', 18', 20') sont couplés l'un à l'autre par des roues d'engrenage (14"', 18"', 20"'). 6. Assemblage selon l'une quelconque des revendication 3 et 4 caractérisé en ce que les arbres axiaux (14', 18', 20') sont couplés l'un à l'autre par une ch8ine à'barbotin ou une courroie de distribution. 7. Assemblage selon l'une quelconque des revendication 3 à 6 caractérisé en ce que le premier arbre maneton (14") s'étend au travers d'une fente, (16) formée dans la paroi du cylindre (12) s'étendant le long d'une génératrice de celui-ci. 8. Assemblage selon l'une quelconque des revendication 4 à 7 caractérisé en ce qu'au moins un des second ou troisième manetons (18, 20) est partiellement creux pour servir de soupape rotative pour l'admission et l'échappement du combustible/ des gaz. 9. Assemblage selon l'une quelconque des revendications 6 à 8, caractérisé en ce qu'il comprend un quatrième arbre axial et un quatrième arbre maneton, le premier et quatrième arbre maneton étant couplés au piston à des côtés opposés de celui-ci à l'extérieur du cylindre. 10. Assemblage selon la revendication 9 i0 caractérisé en ce que lesdits arbres manetons sont couplés au 'piston entre une paire de languettes s'étendant radialement à partir de là au travers de fentes axiales formées dans des emplacements respectifs de la paroi du cylindre, les premier et ]5 quatrième arbres axiaux étant couplés l'un à l'autre par une roue d'engrenage de guidage. 11. Assemblage selon l'une quelconque des revendications 3 à 10 caractérisé en ce que le premier arbre axial est couplé de façon à entraîner un arbre à came pour effectuer l'ouverture et la fermeture des soupapes associées au cylindre. 12. Assemblage selon l'une quelconque des revendications 4 à 11, caractérisé en ce que le second et le troisième maneton comprennent un arbre maneton excentré s'étendant dans le sens opposé, additionnel, couplés l'un à l'autre par une tige de fixation, le: premier maneton étant prévu avec un coussinet linéaire au travers duquel la tige passe.