Brevet FR2764639A1 — publié le 19981218

La présente invention concerne un moteur thermique à combustion interne dont le cycle admission - compression - explosion (ou combustion) - détente s'effectue dans 3 chambres différentes. Actuellement les moteurs thermiques à 2 temps ou 4 temps utilisent une seule chambre créée dans un cylindre dont le volume est variable du fait du déplacement du piston. Le moteur 3 temps utilise en plus une deuxième chambre créée sous le piston puisque le déplacement rectiligne de la bielle permet d'obturer le bas du cylindre par une cloison. Toutefois ces moteurs à 2, 3 ou 4 temps ont en commun le fait que la compression complète et la détente complète s'effectue dans la même chambre située à l'intérieur du cylindre. Le moteur selon l'invention n'a pas de bielle articulée et utilise malgré tout un vilebrequin presque traditionnel. Dans son principe il décompose le déplacement rotatif du maneton du vilebrequin en 2 déplacements rectilignes perpendiculaires. Un axe concernera le déplacement des 2 pistons et l'autre axe concernera le déplacement du cylindre dans lequel coulissent les pistons. Les faces extérieures d'extrémités de ce cylindre comme ses faces latérales seront planes et offriront une surface de giissement importante afin de pouvoir coulisser sans effort à l'intérieur d'un carter parallélépipèdique. Dans sa rotation le vilebrequin entraîne avec lui la pièce de liaison rigide(21) des deux pistons (5, 6). Le moteur peut fonctionner dans n'importe quel orientation et n'importe quelle position puisqu'il n'a ni haut ni bas. Toutefois, pour la précision des explications de cette description, nous admettrons par convention que l'axe du vilebrequin est horizontal, et que le piston se déplace horizontalement, à l'intérieur d'un cylindre horizontal, qui lui, par contre, se dépiacera verticalement. La chambre d'admission(1) sera située dessous le cylindre mobile et la chambre de détente(3) sera au dessus de ce même cylindre. Quant à la chambre de combustion(2), elle se situe entre les deux, donc à l'intérieur du cylindre. Ce moteur ne comporte aucune bielle traditionnelle, aucune soupape donc n'a pas d'arbre à came, etc... Tous les transferts se font automatiquement du simple fait du déplacement des pièces devant les lumières judicieusement placées. Le cycle de ce moteur est très particulier puisqu'il se réalise sur 2 tours alors qu'il y a une explosion (ou combustion dans le cas d'un diesel) par tour. La détente représente 3/4 de tour. Décomposons le cycle. Toujours par convention nous considérerons que le vilebrequin tourne dans le sens horaire ; nous appellerons donc 6h le point où le maneton(22) du vilebrequin est en bas. A ce moment là, le cylindre est en bas, les pistons sont à mi-course. Le maneton monte à gauche, les pistons partent à gauche, tandis que le cylindre commence à monter en créant une chambre(1 ) entre lui-même et le carter(18), Le déplacement vers la gauche du piston de droite(5) dégage alors la lumière d'admission(8) située dans la face inférieure(17) du cylindre. L'air situé derrière ce piston(5) est aspiré par la chambre(1) créée sous le cylindre qui augmente de volume. Ceci pendant 1/2 tour. Le maneton étant à 12h les pistons sont revenus en position centrale, le piston droit(5) a refermé la lumière d'admission(8). Le maneton(22) continuant à tourner, I'air admis sous le cylindre(4) se comprime jusqu'à 3h (la moitié de la descente) où les lumières de transfert(9) situées sur les faces latérales(15) du cylindre s'ouvrent. Elles étaient en effet obturées par le piston de gauche(6) pendant la montée. L'air admis est entièrement transféré dans la chambre de combustion(2) située dans le cylindre(4). A 6h, le piston gauche(6) referme ces lumières de transfert(9) I'admission du prochain cycle peut recommencer dans cette première chambre d'admission(1). Dans le cylindre(4) le piston gauche(6) continue à se déplacer vers la gauche et comprime cet air admis jusqu'à son point mort haut (9 9h), là, a lieu l'injection ou l'explosion. La détente commence dans cette chambre(2 )jusqu'à midi où le piston en position centrale haute va dégager alors les lumières de transfert haute(10) qui arrivent en face des canaux de transferts(20) ce qui permettra aux gaz de se détendre dans la chambre(3) qui commence à se créer au dessus du cylindre. Le maneton(22) redescend à droite. Le piston de gauche(6) continue à reculer jusqu'à 3h. La lumière de transfert haute(10) de détente se referme du fait de la descente du cylindre donc de ses faces latérales(15) qui ne sont plus en face des canaux de transfert. La détente continue dans cette chambre haute(3) jusqu'à ce que le maneton arrive en bas( 6h). Les faces latérales du cylindre dégagent alors les lumières d'échappement(24) usinées dans les parois latérales du carter(18). Les gaz brûlés sont libérées. Le cylindre(4) remonte en refermant les lumières d'échappement(24). Une partie de ces gaz restent donc emprisonnés dans cette chambre de détente(3) qui les recomprime pour qu'ils soient rechauffés par les parois et surtout par les gaz brulés du cycle suivant qui sortent de la chambre de combustion(2) afin qu'ils soient redétendus efficacement une deuxième fois. De ce fait, contrairement à ce que pourrait laisser croire les figures 10 à 21, la chambre de détente(3) ne se réduit pas à un volume zéro, mais offre un volume résiduel suffisant pour éviter une compression trop importante et inutile de ces gaz. Le refroidissement du cylindre(4) étant pratiquement impossible par les systèmes traditionnels, il est donc très intéressant d'installer une injection d'eau (12) dans cette chambre de détente(3) qui offrira quatre avantages : I'abaissement de la température du cylindre(4) et du carter(18), I'abaissement du taux de recompression des gaz résiduels, I'augmentation de la pression donc de l'efficacité de la détente du fait de la vapeur d'eau, et enfin une réduction chimique de la pollution. II est à noter que le piston(5) de droite n'a aucune fonction de compression. II sert à équilibrer le piston gauche(6) vis à vis de la poussée verticale du cylindre(4) et à transmettre au mieux l'effort sur le maneton(22) du vilebrequin. II sert également à commander l'ouverture et la fermeture de la lumière d'admission(8) usinée sur la face inférieure(17) du cylindre. II est à noter que la chambre de ce piston droit(5) est toujours ouverte à l'air libre par la lumière d'entrée d'air(1 4) usinée dans la face d'extrémité droite du cylindre. Cette lumière(14) est suffisamment longue pour rester en correspondance avec l'orifice d'entrée d'air(27) du carter, quelle que soit la position du cylindre(4) Ce type de moteur peut être adapté à n'importe quel type de carburant, essence, GPL, gazole, fuel, etc. L'explosion ou l'injection ont lieu lorsque le maneton(22) est à 9 h. L'extrémité du cylindre côté gauche comporte une ouverture axiale(13) assez large qui donne accès aux injecteurs ou aux bougies d'allumage placés dans le carter(26). II est même facilement concevable d'installer un système de boule chaude dans le carter donnant accès à la chambre de combustion à 9 h Les dessins annexés illustrent l'invention La figure 1 représente une coupe verticale du moteur suivant l'axe de déplacement des pistons. La figure 2 représente une coupe tansversale au niveau des lumières et canaux de transfert. La figure 3 représente la même coupe au niveau d'une face d'extrémité du cylindre. La figure 4 représente une coupe horizontale au niveau du vilebrequin. La figure 5 représente une face latérale du cylindre. La figure 6 représente la même face sans la lumiière de transfert de détente dans le cas où ce transfert s'effectue directement au travers de la face supérieure(16) du cylindre, par une lumière commandée par le déplacement du piston de gauche, ceci permettant une detente plus complète des gaz de la chambre de combustion(2). La figure 7 représente la face inférieure(17) du cylindre avec la lumière d'admission(8) que le piston de gauche ouvre pendant la montée du cylindre et referme pendant la descente. La figure 8 représente la face supérieure du cylindre avec la lumière de transfert de détente(25) dans le cas, comme pour la figure 7 , où l'on n'utilise pas de lumières de transfert(10) dans les faces latérales en correspndance avec les canaux de transfert(20) usinées dans le carter. La figure 9 représente une parois latérale du carter montrant les lumières d'échappement(24) et l'axe du vilebrequin(7). Les figures 10 à 18 décrivent l'évolution du cycle Figure 10 : début de l'admission (cycle O) et échappement du cycle précédant le cycle précédent (cycle-2) Fig. Il : fin échappement du cycle -2; compression cycle -1; suite de l'admission du cycle 0. Fig. 12 explosion cycle - 1; suite de I' admission du cycle O Fig. 13 : détente cycle - 1; suite de l'admission du cycle O Fig. 14 : fin admission cycle O , détente cycle -1 Fig. 15 cycle -1 transfert de la détente de la chambre 2 à la chambre 3 compression du cycle O Fig. 16 fin de transfert détente cycle -1 ; début de transfert -admission de la chambre(1) à la chambre (2 ) pour le cycle O Fig. 17 : détente cycle -1 ; transfert admission cycle O Fig.1 8 : cycle -1 échappement ; cycle O fin de transfert d'admission et compression dans chambre 2. La figure 18 est identique à la figure 10 puisque le vilebrequin a fait un tour complet et que le cycle recommence. Les figures 19 ; 20 et 21 présentent le cycle utilisant la lumière de transfert de détente(25) au travers de la face supérieure(16) du cylindre au lieu des lumières et canaux de transfert dans les faces latérales(1 S). En référence à ces dessins le dispositif comporte un carter(18) parallélépipédique traversé en son centre par un vilebrequin(7) dont le maneton(22) est enserré par une pièce non articulée(21) qui relie les 2 pistons opposés : un vrai piston à gauche(6) et un faux piston(5) à droite (pour l'équilibre) dont le seul rôle est de commander la lumière d'admission(8) usinée dans la face inférieure(17) du cylindre(4), permettant aux gaz de pénétrer dans la chambre d'admission(1) créée en dessous du cylindre(4), c'est-à-dire entre le cylindre et le carter(18). La pièce de liaison(21) des deux pistons est assemblée autOur du maneton(22) par des écrous accessibles en passant au travers du faux piston(5) de droite. Le vrai piston(6), celui représenté à gauche sur les dessins annexés, sert à compresser le gaz qui est expulsé de la chambre d'admission(1) jusqu'à l'explosion ou l'injection du carburant dans la chambre(2) située à l'intérieur du cylindre. II assure ensuite la détente jusqu'à ce qu'il dégage la lumière de transfert haute(10) qui permet aux gaz de combustion de pénétrer dans la chambre de détente(3) qui se crée au dessus du cylindre entre le cylindre(4) et le carter(18). Le cylindre est évidemment cylindrique et lisse à l'intérieur pour permettre le coulissement des pistons. Extérieurement, ses faces latérales(15) sont plates et lisses afin de coulisser verticalement dans le carter. Dans les faces latérales rectangulaires, sont usinées des lumières de chaque côté. Celles du bas permettent le transfert des gaz de la chambre inférieure d'admission(1) à la chambre de combustion(2). Des lumières identiques mais symétriquement au dessus permettent le transfert des gaz de combustion de la chambre de combustion(2) (intérieure au cylindre) à la chambre de détente(3) créée au dessus entre le cylindre et le carter. Pour que les transferts aient lieu il faut que ces lumières soient à la fois dégagées par le piston côté intérieur, et, en face des canaux de transfert(19 et 20) usinés dans le carter. C'est donc le déplacement à la fois du piston dans le sens horizontal et du cylindre dans le sens vertical qui commande l'ouverture et la fermeture de ces lumières latérales de transfert. Les lumières de transfert d'admision(9) sont disposées de manière à être fermées dès que le piston(6) dépasse sa demi course. La compression dans le cylindre a lieu sur un quart de tour de 6h à 9h. De 9h à 12h a lieu la combustion et le début de la détente dans la chambre(2) intérieure du cylindre. De 6h à 12h les lumières de transfert sont obturées intérieurement par le piston. Ensuite de 12h à 3h les lumières(10) de transfert de détente sont dégagées intérieurement par le piston et la position haute du cylindre met en correspondance les lumières de transfert(10) de détente avec les canaux de transfert(20) du carter. A 3h le système est refermé alors que de 3h à 6h la suite de la descente du cylindre(4) permet le transfert des gaz d'admission de la chambre(1) à la chambre de combustion(2) du fait de la mise en correspondance des lumières de transfert d'admission(9) avec les canaux de transfert d'admission(19). A 6h la chambre d'admission est "écrasée" le piston est à mi course, le transfert est terminé et un nouveau cycle recommence. Pour obtenir un effet de balayage en remplissant la chambre(2) de combustion avant la fermeture de la lumière de détente pour par exemple un renouvellement complet des gaz de combustion il suffit que la lumière de transfert(25) soit usinée directement sur la partie supérieure(16) du cylindre. Elle ne sera alors commandée que par le piston(6) et restera ouverture jusqu'à 6h au lieu de 3h. Au centre de ces faces latérales(15) du cylindre, sont tisinées de chaque côté bien sûr, une lumière(23) verticale correspondant au déplacement de l'axe du vilebrequin c'est-à-dire le palier. Le contour de cette lumière de débattement(23) du vilebrequin est parfaitement lisse afin de coulisser contre les parois latérales du carter en assurant une étanchéité suffisante pour éviter des fuites ou des transferts inapproprles. Le maneton(22) se déplace à l'intérieur du cylindre ce qui conditionne d'ailleurs l'espace entre les deux pistons. En fait une découpe de la jupe permet de réduire cette distance en sachant que c'est cette même jupe qui obture les lumières de transfert de 6h à 12h pour le piston gauche(6) La jupe du piston droit(5) obture la lumière d'admission(8) de 12h à 6h. Les extrémités du cylindre ne sont pas symétriques puisqu'elles n'ont pas la même fonction. Celle de droite permet seulement l'entrée d'air libre destiné à la chambre d'admission(1) alors que l'extrémité gauche à fonction de tête de culasse. Toutefois extérieurement elles sont lisses et planes afin de coulisser verticalement sans problème contre les parois du carter parallélépipédique. La face d'extrémité droite posséde une lumière(14) suffisament longue pour rester en permanence en correspondance avec l'orifice d'entrée d'air(27) usinée dans la face d'extrémité du carter. La face d'extrémité gauche du cylindre a fonction de tête de culasse. Elle possède en son centre une lumière (13) suffisament longue pour rester en correspondance avec l'orifice(26) , usiné dans ia face d'extrémité du carter, destiné au logement de l'injecteur(11), de la bougie d'allumage, ou de la boule chaude, suivant l'adaptation aux différents carburants. La course du cylindre étant inférieure au diamètre de l'alésage du cylindre (60%) il est facile d'accéder à la chambre de combustion depuis le carter par cette simple lumière(13) en "tête de culasse". Afin d'éviter d'éventuels problèmes d'étanchéité d'angle, les angles peuvent être arrondis sans difficultés. La longueur du cylindre correspond à la longueur de l'ensemble mobile piston à 2 têtes avec la pièce de liaison(21), augmenté de la course et de l'espace traditionnel de tête de culasse qui est fonction du taux de compression souhaité sans oublié d'épaisseur des deux faces d'extrémité de ce cylindre mobile. Les lumières d'échappement(24) sont usinées dans les faces latérales du carter(18) de chaque côté suivant une ligne qui sera dégagée par les faces latérales du cylindre en position basse à 6h ce qui correspond à la fin de la détente. Seule sera évitée la largeur correspondant aux lumières et canaux de transfert ainsi que la largeur occupée par les deux lumières latérales de débattement(23) du vilebrequin(7). Comme nous l'avons vu ce carter est parallélépipédique ces faces latérales sont parfaitement planes afin de permettre un parfait coulissement du cylindre(4) alors que les faces supérieures et inférieures du carter épousent le profil de la face supérieure et inférieure du cylindre. Ces faces supérieure(16) et inférieure(17) du cylindre(4) peuvent d'ailleurs être planes sinon légèrement bombées ce qui donne une forme extèrieure parallélépipédique à ce cylindre(4). La distance entre ces 2 faces correspond à la hauteur (diamètre) du cylindre plus la course (maneton) plus un espace, côté détente, destiné à éviter de recomprimer trop fortement les gaz d'échappement restés dans la chambre de détente après la fermeture des lumières d'échappement lors de la remontée du cylindre. II est à noter que cette recompression partielle peut apporter un plus au cycle thermodynamique surtout si l'on envisage une injection d'eau dans cette chambre de détente. Cette injection sera intéressante pour le rendement du moteur pour son refroidissement et sa dépollution. Le dispositif d'injection d'eau(12) sera fixé dans le carter de manière à pouvoir accéder à la chambre de détente(3) et opérer au moment opportun. Ce nouveau type de moteur ne possède en fait que 2 pièces en mouvement en plus de la rotation du vilebrequin le bloc du cylindre(4) et le double piston. Ces pistons sont cylindriques Le piston gauche(6) possède des segments classiques. Le piston droit(5) est encore plus simple puisqu'il n'est soumis ni à la pression ni à la température de a combustion. Le bloc du cylindre est simple, facilement moulable et usinable avec 4 faces latérales planes lisses donc rectifiées . La forme des faces supérieure et inférieure n'a pas d'impératifs particuliers. Le carter est lui aussi facilement moulable et usinable en deux parties presque symétriques. II sera donc facile de lui adjoindre les auxiliaires nécessaires au fonctionnement normal d'un moteur (injection du carburant, eau lubrification des pièces mobiles, démarreur, etc...) Ce type de moteur est extrêmement compact puisque la totalité du volume intérieur est du volume utile pendant tout le cycle. II sera donc très léger par rapport à sa puissance. Du fait des transferts entre ses 3 chambres différentes et la réutilisation d'une partie des gaz dans la chambre d'explosion(2) et dans la chambre de détente(3) le cycle de ce moteur présente des particularités thermodynaniques qui permettent d'innombrables adaptations. II est à noter que ce moteur offre une explosion (ou combustion) par tour alors que le cycle complet s'effectue sur 2 tours, que la détente se déroule sur 3/4 de tour de vilebrequin et que la très grande surface de la chambre de détente(3) développe un couple important. L'adaptation aux différents carburants n'offre aucune difficulté. L'addition de plusieurs blocs identiques sur l'axe du vilebrequin ne présente pas non plus de difficultés et permet d'obtenir un bloc moteur multicylindrique d'autant plus puissant et plus souple. La conception du vilebrequin permettra de déphaser entre eux les différents cylindres comme on le voudra. Le dispositif selon l'invention est donc destiné à remplacer avantageusement les moteurs 2 et 4 temps dans chacune de leurs applications et particulièrement en aéronautique du fait de sa compacité, de sa simplicité, donc de sa légèreté et surtout de son coût de fabrication. REVENDICATIONS 1) Moteur thermique dont le cycle s'effectue sur 2 tours avec une explosion par tour caractérisé en ce qu'il exploite trois chambres différentes du fait qu'il est constitué d'un piston à deux têtes opposées(5, 6) coulissant dans un cylindre(4) qui lui-même coulisse perpendiculairement dans le carter(18) parallélipipédique afin de créer une chambre de chaque côté de ce cylindre et de transférer les gaz d'une chambre à l'autre par un simple jeu de lumières dont l'ouverture et la fermeture s'effectue automatiquement par le seul déplacement des pièces les unes par rapport aux autres. 2) Moteur thermique selon la revendication 1 caractérisé en ce que les deux pistons(5, 6) sont assemblés sans articulation par une pièce rigide(21) traversée en son centre par le maneton(22) du vilebrequin(7). 3) Moteur thermique selon la revendication 2 caractérisé en ce que les deux pistons(5, 6) directement entraînés par le maneton(22) du vilebrequin dans sa rotation coulissent de façon rectiligne dans un cylindre(4) qui de ce fait, se déplace selon un axe perpendiculaire à l'axe de déplacement du double piston. 4) Moteur thermique selon la revendication 3 caractérisé en ce que le déplacement rectiligne du cylindre(4) crée entre le cylindre et le carter(18) une chambre d'admission(1) d'un côté et une chambre de détente(3) de l'autre, alors que la chambre de combustion(2) constituée par le déplacement du piston(6) à l'intérieur du cylindre se déplacera avec l'ensemble mobile piston-cylindre. 5) Moteur thermique selon la revendication 1 caractérisé en ce que ce cylindre(4) mobile possède un intérieur cylindrique pour le coulissement des pistons et un extérieur particulier, constitué de 4 faces latérales planes et lisses permettant un parfait coulissement dans le carter(18) parallélépipédique, alors que les faces, inférieure(17) et supérieure(16) constituent les parois mobiles de la chambre d'admission(1) pour l'une et de la chambre de détente(3) pour l'autre, créées dans l'espace situé entre elles et le carter lequel épouse la forme de ces faces extérieures supérieures(16) et inférieures(17) du cylindre mobile(4).Ces faces (16 , 17) sont elles-mêmes pratiquement planes, sinon légèrement bombées. 6) Moteur thermique selon la revendication 5 caractérisé en ce que dans les faces latérales(15) sont usinées plusieurs lumières à savoir . 1") des lumières de transfert(9) de l'air entre la chambre d'admission(1) et la chambre de combustion(2) intérieure au cylindre. Ces lumières, une de chaque côté, sont usinées au niveau de la deuxième moitié de la course du piston(6) de manière à être obturées par le piston pendant la phase de compression-combustion. Elles se trouvent dans la moitié basse des faces latérales(t5) et correspondent aux canaux de transfert d'admission(19) usinés dans le carter. - 2") les lumières de transfert(10) des gaz de combustion entre la chambre de combustion(2) et la chambre de détente(3) située au dessus. Elles sont rigoureusement symétriques aux lumières de transfert d'admission(9) et situées au dessus par rapport au plan médian de ces faces latérales. De la même façon elles correspondent aux canaux de transfert(20) de détente usinés symétriquement aux canaux de transfert d'admission(21) dans le carter. - 3 ) Une lumière d'entrée d'air(14) située sur la face d'extrémité droite du cylindre selon les dessins. Elle permet à l'air extérieur de rentrer librement devant le piston droit de manière à pouvoir pénétrer dans la chambre d'admission lorsque le piston droit(5) lui laisse le passage. - 4 ) la lumière d'ouverture de tête de culasse(13) dans la face d'extrémité gauche du cylindre. Cette lumière(13) centrée dans l'axe du cylindre permet aux injecteurs ou autres bougies d'allumage placées dans le carter d'accéder aux gaz de la chambre de combustion(2). 7) Moteur thermique selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'admission de l'air dans la chambre d'admission(1) créée entre le cylindre et le carter est commandée par le déplacement du piston droit(5) qui ouvre et ferme une lumière(8) usinée dans la face inférieure(17) du cylindre. Cette lumière(8) est ouverte pendant le remplissage de la chambre d'admission(1) de 6h à 12h suivant le sens de rotation du vilebrequin(7) et fermée par le recouvrement du piston(5) de 12h à 6h , évitant ainsi le refoulement et imposant donc le remplissage forcé de la chambre de combustion(2) intérieure du cylindre. 8) Moteur thermique selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'échappement est commandé automatiquement par le déplacement du cylindre(4) dont les deux faces latérales(1 5) suivant sa longueur, découvrent en position basse (6h) les lumières d'échappement(24) usinées de chaque côté dans les parois du carter. Plusieurs lumières d'échappement réparties sur toute la longueur du cylindre sauf bien sûr au niveau des lumières(9, 10, 23) et canaux de transfert(19, 20) permettent un échappement rapide en extrême fin de détente. 9) Moteur thermique selon la revendication 1 caractérisé par le fait que le transfert des gaz de combustion dans la chambre de détente(3) peut être assuré par une lumière(25) usinée directement dans la face supérieure(16) du cylindre sans passer par les faces latérales(15), cette lumière(25) n'est donc contrôlée que par le déplacement du piston(6) qui I' ouvrira alors sur la moitié inférieure de sa course, ce qui modifiera le cycle puisqu'elle sera encore ouverte au moment de l'entrée des gaz d'admission. Dans le cas de certaines adaptations, ceci permet de mieux chasser les gaz brûlés et de renouveler la totalité des gaz ce qui n'est pas toujours un but recherché. 10) Moteur thermique selon la revendication 1 caractérisé en ce que ce moteur peut être multicylindrique c'est-à-dire constitué de plusieurs ensembles tels que décrits précédemment. Ces éléments sont alors assemblés les uns contre les autres dans l'axe du vilebrequin qui comportera alors autant de manetons que d'éléments. L'étroitesse de chaque élément permet la construction d'un moteur à 2, 3 ou 4 cylindres extrêmement compact et puissant d'autant plus que chaque élément exploite une explosion par tour avec l'avantage d'une détente complète sur 3/4 de tour.