Brevet FR2739659A1 — publié le 19970411

La présente invention concerne un moteur thermique à 3 temps de 1200 de rotation d'arbre chacun quel que soit le carburant. Actuellement les moteurs thermiques se répartissent en deux grandes familles les 2 temps et les 4 temps. Les moteurs 4 temps sont les plus rationnels, ils ont le meilleur rendement mais ce sont aussi les plus lourds, les plus encombrants à puissance équivalente. Les moteurs 2 temps sont plus simples, plus légers, moins encombrants, mais leur rendement est mauvais et ils sont plus polluants donc condamnés par les futures normes. L'idéal se trouve entre les 2 temps et les 4 temps. Le dispositif selon l'invention présente un moteur à trois temps qui essaie de cumuler les avantages des deux familles tout en en évitant les inconvénients. Pour ce faire, il exploite les possibilités offertes par les particularités d'un montage utilisant une double bielle(1) non articulée, ni à sa tête, ni à son pied. Celle-ci ayant en effet, un déplacement parfaitement rectiligne, elle permet d'obturer le bas du cylindre et d'utiliser le volume ainsi créé sous le piston(5) comme chambre d'aspiration(8) lorsque le piston monte puis comme chambre de précompression destinée à chasser les gaz frais dans la chambre de combustion(7) au dessus du piston(5) en point mort bas au travers soit de canaux latéraux(10), soit de clapets(19) installés dans le corps même du piston.Ainsi les gaz frais pénètrent sous pression dans la chambre de combustion(7) par le bas et chassent par le haut, à l'échappement(6), les gaz brûlés en prenant largement leur place puisque le volume aspiré sous le piston (180 de rotation d'arbre) est supérieur au volume comprimé et détendu dans la chambre, de combustion (7) (120 à 1400 de rotation maximum). Ainsi le cycle en 3 temps équivalant au cycle 4 temps est possible du fait de l'utilisation en parallèle des deux faces du piston(5), dessus et dessous. D'autre part, le déplacement parfaitement rectiligne de la bielle(1)ss permet, sinon impose, un montage en TWIN, c'est-à-dire avec deux pistons opposés ce qui a pour conséquence qu'ils s'équilibrent, se renforcent, permettent une explosion à chaque trajet, donc deux explosions par tour, ceci dans un encombrement minimum avec des frottements très réduits. Le mouvement parfaitement rectiligne de cette double bielle possédant un piston à chaque extrémité est obtenu par un système évitant le vilebrequin traditionnel. En effet il comporte un pignon (2) d'engrenage dont le centre tourne autour de l'axe de l'arbre de prise de force(34) suivant un rayon R1 égal au rayon du pignon (2) . Ce pignon en rotation autour de l'arbre(34) tourne en même temps sur lui-même du fait qu'il est en prise dans une couronne dentée (3) de rayon R2 double de R1. Cette couronne(3) à engrenages internes a le même module que le pignon(2), c'est-à-dire qu'elle aura exactement deux fois plus de dents que le pignon (2). Ceci aura pour conséquence qu'une dent de ce pignon (2) roulant dans la couronne(3) sera donc en prise deux fois par tour et ce à chaque extrémité d'un même diamètre de cette couronne(3).En effet lorsque le pignon(2) tourne autour de l'arbre(34) d'un angle ac ,soncentre monte, par rapport au diamètre transversal, de sinus, la dent en prise sera à une hauteur de 2 sinus mais parallèlement le pignon aura tourné sur lui-même de 2 fois oc en sens inverse ce qui fait que sin 0 Ceci explique qu'un axe(35) pris au niveau d'une dent de ce pignon (2) aura obligatoirement un déplacement parfaitement rectiligne suivant un diamètre de la couronne (3) lequel correspondra à la course du piston. Pour des raisons mécaniques il est intéressant de doubler ce dispositif c'est-à-dire, d'installer un pignon (2) et sa couronne (3) de chaque côté de cette double bielle non articulée dont la section sera circulaire ou ovale.Elle devra coulisser sans frottement à travers la cloison(4) qui obturent le bas des cylindres. Cette cloison (4 ) crée ainsi un volume actif sous le piston qui servira de chambre d'admission(8), puis de précompression. En effet, lorsque le piston remonte, la dépression créée aspire l'air frais au travers de clapets (19) installés de préférence dans cette cloison (4). Ces clapets sont soit des clapets anti-retour traditionnels, soit une bague(1 1) spéciale enserrant la bielle(1). Le léger frottement du coulissement de la bielle l'aidera à s'ouvrir lors de la montée du piston et à se refermer lors de la descente.L'air bloqué sous le piston sera relativement précomprimé afin d'être chassé vigoureusement dans la chambre de combustion(7) au dessus du piston, aussitôt après l'ouverture de l'échappement(6), via soit des clapets (19 ) installés dans le corps même du piston soit de canaux latéraux(10) conduisant à une ou des lumières(9) situées immédiatement au dessus du piston en point mort bas. Dans le cas de clapets dans le piston ceux-ci s'ouvriront automatiquement du fait de la surpression sous le piston et la chute de pression en fin de détente du fait de l'ouverture de l'échappement(6). Ces clapets resteront fermés par la pression de la chambre de combustion pendant la compression(27) puis la détente(29). Lors de la redescente du piston il est inutile de comprimer trop fortement l'air contenu sous le piston avant le transfert(31); hors ce transfert ne peut intervenir que près du point mort bas lorsque la lumière d'admission(9) est découverte par le piston. Aussi il peut-être intéressant d'installer des chambres d'expansion(21) à volume variable susceptibles de se gonfler en attendant le transfert puis de restituer la totalité du volume d'air stocké pour éviter cette surpression inutile donc négative. Ces chambres d'expansion(21) peuvent être constituées d'une simple membrane(24) élastique ou d'un système avec une cloison mobile(22) type piston, avec un ressort de rappel(23). Enfin ces chambres(21) peuvent également se trouver directement dans le piston. La cloison mobile(22) bénéficiant dans ce cas du mouvement du piston qui la collera "au plafond" donnant ainsi un volume maximum au point mort haut(28) afin que le volume d'air admis soit maximum. Inversement la cloison(22) descendra à fond du fait de son inertie lorsque le piston s'arrêtera au point mort bas restituant et expulsant ainsi la totalité du volume d'air admis. II est à noter que dans ce cas le volume d'air admis puis transféré sera 1 fois et demi supérieur au volume d'air de la chambre de combustion(7) ce qui assure un taux de remplissage supérieur à 1 si la soupape d'échappement est refermée suffisamment tôt. En effet ce moteur, s'il ne comporte pas de soupape d'admission, possède une ou plusieurs soupapes d'échappement afin de permettre un échappement(6) par le haut du cylindre et une admission par le bas afin d' assurer les meilleures conditions d'évacuation des gaz brûlés. Ces soupapes sont soit de type traditionnel(26), soit électromagnétiques, soit rotatives, soit encore le fait d'un tiroir(17) solidaire du piston qui découvre la lumière d'échappement lorsque le piston arrive près du point mort bas. II est bien évident que le volume d'air admis étant chaque fois supérieur au volume comprimé, que l'échappement reste ouvert pendant le transfert voire même légèrement auprès, il est impossible d'admettre un mélange carburé. Ceci impose donc que l'injection(14) du carburant se fasse directement dans la chambre de combustion après que la lumière d'échappement soit refermée. Le refroidissement de ce moteur est indifférent au principe et peut-être envisagé aussi bien à air qu'à eau. Les dessins annexés illustrent l'invention selon différentes versions. La figure 1 présente un schéma du principe de fonctionnement. II montre la double bielle (1) avec un piston (5) à chaque extrémité. Elle est constituée de deux parties qui s'assemblent autour de l'axe central(35) solidaire des pignons (5) excentrés tournant en prise dans une couronne(3) à engrenage interne de diamètre double de celui des pignons (5). Cette excentricité est compensée par un contrepoids (18) opposé par rapport à l'arbre de rotation(34).L'air pénètre dans le carter(20) par des lumières (25) après avoir traversé le filtre à air(13). II pénètre ensuite dans la chambre d'admission (8 ) sous le piston(5) par l'intermédiaire d'une bague centrale(1 1) faisant office de clapet anti retour(1 9). Le ou les canaux de transfert(1 0) peuvent être installés en ceinture autour du cylindre lequel est ici refroidi par des ailettes(12). Le tiroir(17) solidaire du piston commande l'ouverture et la fermeture de la lumière d'échappement(6). II glisse dans son manchon de protection(1 6). Au sommet de la chambre de combustion sont installés le système d'injection (14) de carburant et la bougie d'allumage (15) si nécessaire. La figure 2 montre les clapets de transfert(1 9) installés directement dans le corps du piston. lls s'ouvrent automatiquement du fait de la surpression des gaz frais comprimés sous le piston (5) et de la chute de pression dans la chambre de combustion(7) du fait de l'ouverture de l'échappement(6). Ils restent fermés pendant les 2 autres temps du cycle (compression(27) et détente(29). La figure 3 montre les chambres d'expansion(21) aménagées dans le piston. Le mouvement de leur paroi mobile(22) est aidé tant par le ressort de rappel(23) que par le mouvement du piston lorsqu'il s'arrête en haut et en bas. La figure 4 présente une version comportant une soupape traditionnelle(26) et des chambres d'expansion(21) à volume variable destinées à limiter la surpression sous le piston avant le transfert des gaz admis. Ces chambres en ceinture autour du cylindre sont soit à membrane élastique(24) soit à paroi mobile(22) type piston avec ressort de rappel(23) servant à la restitution complète du volume d'air stocké. La figure 5 concerne la répartition des différentes phases dans la chambre de combustion(7), elle représente la phase de compression (27), le point mort haut(28) la détente (29) I'ouverture de l'échappement (30) le transfert (31) dans le cas de canaux latéraux(1 0). La figure 6 concerne la chambre(8) se trouvant sous le piston. Elle montre l'admission des gaz frais (32) jusqu'au point mort haut(28), puis la précompression(33) et le transfert(31) dans le cas de clapets (19) aménagés dans le piston. Dans le cas de canaux de transfert(10), le transfert(31) se prolonge de façon symétrique puisque l'admission (32) ne pourra commencer qu'après la fermeture de la lumière de transfert(9) par la remontée du piston. La figure 7 présente une coupe suivant un des plans de symétrie de ce moteur. Elle montre les pignons excentrés (2) les couronnes à engrenage interne (3) les disques de l'arbre de transmission (34) sur lesquels se fixent les pignons(2) et les contrepoids(33) d'équilibrage. Les 2 pignons(2) sont liés entre eux par l'axe (35) autour duquel s'assemblent les deux parties de la double bielle(1). L'arbre de prise de force (34)traverse le carter(20) de part en part. a figure 8 montre les mêmes éléments vus en perspective. La longue exprérience industrielle de construction de moteurs thermiques offre aujourdh'ui un choix énorme tant pour les matériaux à utiliser pour la fabrication de chacune des différentes pièces que pour la technique à mettre en oeuvre. Chaque domaine d'application ayant ses prorogatives il est impossible de développer ici une adapatation particulière. Les moteurs thermiques à 4 ou 2 temps sont utilisés aussi bien dans le transport que dans les travaux publics, dans l'aviation, la marine ou l'agriculture. II est donc à souhaiter que le moteur à 3 temps trouvera ses adaptations dans chacun de ces domaines. Ce dispositif selon l'invention permet donc d'obtenir par rapport aux moteurs existants: un remplissage complet de la chambre de combustion puisque le volume d'air aspiré (sous le piston) est supérieur au volume comprimé et détendu donc aura un meilleur rendement~ une évacuation complète des gaz brûlés voire même un léger soufflage du fait du volume excédentaire de gaz frais donc une chute de la pollution,~ une explosion à chaque demi-tour donc à chaque trajet des pistons, du fait que la double bielle non articulée permet, sinon impose, un montage en "trin"~ un encombrement plus réduit du carter du fait que ce système avec les deux pignons exige moins de largeur que la rotation d'un embiellage sur vilebrequin traditionnel pour une course de piston équivalente.~ Le mouvement parfaitement rectiligne de la double bielle diminue de façon importante tous les frottements traditionnels. Ce dispositif permet également d'innombrables modifications en vue d'adaptations particulières, telles que le carburant (essence , diesel etc.), le choix du type de soupape (traditionnelle, électromagnétique, rotative) ou de tiroirs pour obturer la lumière d'échappement, I'amélioration du remplissage en retardant le transfert et en plaçant des chambres tampons ou d'expansion Ces diverses caractéristiques et l'ensemble de ces avantages le destine donc à remplacer les moteurs thermiques traditionnels dans chacune de leurs applications. REVENDICATIONS 1) Moteur 3 temps caractérisé par son cycle de 3 temps pratiquement égaux (120 de rotation d'arbre) rendu possible du fait que sa double bielle non articulée 2) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que sa double bielle(1) non articulée a un déplacement parfaitement rectiligne du fait qu'elle se fixe sur un axe(34) placé en bordure de la circonférence d'un pignon (5) tournant à l'intérieur d'une couronne à engrenages internes(3) de diamètre double, correspondant à la course du piston, mais de même module, donc comportant exactement 2 fois plus de dents que le pignon (2). L'axe de ce pignon est lui-même fixé sw l'arbre de transmission(34) mais de manière excentrée puisqu'il tourne suivant un cercle de même diamètre que celui de ce pignon (2). 3) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que la cloison(4) obturant le fond du cylindre sous le piston(5) crée une chambre d'aspiration(8) dans laquelle les gaz frais pénètrent au travers de clapets(19) du fait de l'aspiration provoquée par la montée du piston puis une chambre de précompression lorsque le piston redescend afin de chasser vigoureusement ces gaz dans la chambre de combustion (7) au dessus du piston par l'intermédiaire de canaux de transfert latéraux (10)ou de clapets (19) placés directement dans le corps du piston. 4) Dispositif selon la revendication 3 caractérisé en ce que les clapets(19) destinés à faire pénétrer les gaz frais dons cette chambre d'admission sous le piston peuvent être une bague centrale(11) flottante mais jointive, que le simple frottement contre la bielle(1) de section cylindrique ou ovale, ouvrira en remontant et refermera en redescendant en plus de l'effet de soulèvement du fait de la pression/dépression. Cette bague centrale(1 1) faisant fonction de clapets ou de soupape n'aura évidement qu'un débattement de quelques millimètres nécessaire au passage des gaz frais. 5) Dispositif selon la revendication 3 caractérisé par le fait que ces canaux de transfert latéraux (10) font communiquer le fond de la chambre d'admission (8) avec la chambre de combustion (7) par une ou des lumières(9) ouvrant dans celle-ci à la hauteur du haut du piston en point mort bas. 6) Dispositif selon la revendication 3 caractérisé par le fait que, pour éviter l'installation des canaux de transfert (10) des clapets légers(1 9) peuvent être placés directement dans le corps du piston(5). Ces clapets (19) seront fermés par la pression au dessus du piston pendant les deux premiers temps du cycle, c'est-à-dire la compression et la détente, puis s'ouvriront automatiquement aussitôt après l'ouverture de la soupape d'échappement(6) du simple fait de la surpression dans la chambre d'admission produite par la redescente du piston. 7) Dispositif selon la revendication 3 caractérisé par le fait que cette chambre de précompression(8) peut comporter une ou des chambres d'expansion(21) à volume variable destinée a limiter la surpression inutile sous le piston puis à évacuer la totalité du gaz aspiré. Ces chambres d'expansion (21) à volume variable peuvent être faites soit d'une membrane élastique (24) soit d'une cloison mobile (22) type piston, munie d'un ressort de rappel(23). Elles seront placées soit sur les canaux de transfert(10), soit directement dans le corps du piston si celui-ci ne comporte pas déjà de clapets de transfert(1 9). 8) Dispositif selon la revendication 7 caractérisé par le fait que la chambre d'expansion (21) placée dans le corps même du piston est une couronne mobile(22) entourant la bielle (1)munie d'un léger ressort de rappel(23) lequel voit son rôle renforcé par la simple inertie de cette couronne lors du déplacement du piston. En effet au point mort haut(28) le volume de la chambre d'aspiration(8) devant être maximum la couronne est plaquée en haut du piston du fait du ralentissement du piston en fin de course puis inversement la couronne sera plaquée en bas du piston contre la cloison(4) de bas de cylindre provoquant ainsi l'évacuation totale des gaz aspirés ceux-ci représentant environ une fois et demi le volume de la chambre de combustion. 9) Dispositif selon la revendication 2 caractérisé en ce que la double bielle (1) non articulée comporte un piston(5) à chaque extrémité donc un montage en twin ce qui fait que ce moteur comporte une explosion à chaque demi-tour. 10) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé par le fait qu'il ne comporte pas de soupape d'admission mais qu'il comporte une ou des soupapes d'échappement placées au sommet des cylindres près des dispositifs d'injection(14) quelque soit le carburant. Ces soupapes peuvent être traditionnelles(26), électromagnétiques, rotatives ou le fait d'un tiroir(17) solidaire du piston qui au point mort bas dégage l'orifice de la lumière d'échappement (6) toujours située en haut du cylindre afin d'évacuer facilement les gaz brûlés chassés depuis le bas par les gaz frais.