Brevet FR2771136A1 — publié le 19990521

La présente invention concerne un moteur thermique comportant 2 pistons cylindriques croisés dont l'un coulisse à l'intérieur de l'autre. Actuellement, en dehors des moteurs à 2, 3 ou 4 temps, il existe un moteur utilisant un cycle qui s'effectue dans 3 chambres différentes. II est constitué de deux pistons liés entre eux par une pièce non articulée traversée en son centre par le maneton du vilebrequin. Cet ensemble coulisse horizontalement à l'intérieur d'un alésage cylindrique usiné au centre d'une pièce extérieurement parallélépipédique coulissant elle-même verticalement dans un carter parallélépipédique créant ainsi une chambre d'admission d'un côté et une chambre de détente de l'autre. Un jeu de lumières approprié permet le transfert automatique des gaz de la chambre d'admission à la chambre compression-combustion, inteme au cylindre, puis à la chambre de détente jusqu'à l'échappement final. Le moteur selon l'invention exploite exactement le même cycle. La différence importante concerne la forme de la pièce extérieurement parallélépipédique coulissant verticalement. En effet afin de faciliter la réalisation de l'étanchéité latérale de cette pièce et afin d'offrir un volume plus important aux chambres d'admission et de détente, la présente invention propose de transformer cette architecture parallélépipédique en architecture parfaitement cylindrique moyennant quelques aménagements. Ainsi le moteur suivant l'invention est constitué d'un double piston interne (i) comprenant donc deux faces opposées. Son plan de symétrie correspond à son plan d'assemblage (16) à savoir un plan selon l'axe du maneton (12) du vilebrequin. Ce double piston, entraîné par le maneton coulisse horizontalement à l'intérieur d'un double piston (2) cylindrique plus important. Pour la clarté de la description nous considérerons par convention que le double piston (2) plus important se déplacera verticalement, que la chambre d'admission (8) sera en dessous et la chambre de détente (10) au dessus. Le vilebrequin (11) tournera dans le sens horaire. La chemise principale (17) correspondant à ce gros piston double (2) sera donc cylindrique et verticale. La rotation du maneton du vilebrequin provoque donc le déplacement horizontal (selon l'axe des cosinus) du piston interne (1) et le déplacement vertical (selon l'axe des sinus) du gros piston (2). Un jeu de lumières ouvertes ou fermées en fonction des différentes positions de ces pistons assure automatiquement le transfert des gaz depuis leur entrée dans le moteur jusqu'à l'échappement (20). Le cycle est donc particulier et ne correspond pas aux cycles traditionnels. II offre une explosion par tour alors qu'il s'effectue sur 2 tours. Ceci est possible puisque chacune des trois chambres est utilisée en permanence. La détente s'opère sur % de tour. Le cycle s'effectue de la manière suivante. L'air pénètre dans le moteur par une ouverture latérale (19) toujours ouverte usinée dans la chemise principale (17) (à droite sur les schémas). Le maneton (12) étant en bas (à 6 heures) il part à gauche en entraînant le piston central (i) avec lui à gauche. Le gros piston (2) commence à monter créant sous lui la chambre d'admission (7) Cette chambre va se remplir du fait que l'arrière (côté droit) du double piston central libère une lumière (8) usinée dans la face inférieure du gros piston. Ceci jusqu'à ce que le maneton soit en haut (12 heures). Puisqu'un demi-tour vient de s'effectuer le double piston intérieur (1) est revenu dans sa position centrale et a donc refermé la lumière d'admission(8). Pendant le demi-tour suivant (de 12h à 6h) le gros piston va redescendre en comprimant l'air bloqué sous lui. Hors en arrivant à mi-course, des lumières de transfert(3) usinées dans la chemise principale et dans le gros piston permettent à l'air admis de pénétrer dans la chambre de combustion (9) située à l'intérieur du gros piston devant la face gauche (22) du double piston interne. En arrivant en bas à 6h la totalité de l'air admis a été transféré dans la chambre de combustion. Le double piston interne a refermé les lumières de transfert par son côté gauche alors que son côté droit va ouvrir à nouveau ta lumière d'admission (8) permettant le remplissage de la chambre d'admission pour le cycle suivant. Le double piston interne continue à se déplacer vers la gauche en comprimant l'air admis jusqu'à 9h moment de l'explosion ou combustion. La rotation continue de 9h à 12h le double piston interne recule c'est la détente à l'intérieur de la chambre de combustion(9) A 12h le maneton (12) est en haut, le double piston interne est en position centrale, le gros piston est en haut. La chambre de détente (10) a son volume minimum qui n'est pas nul car une fraction des gaz d'échappement sont recomprimés (2 à 3 bars). La rotation continue, le gros piston va redescendre donc la chambre détente va pouvoir augmenter de volume. Le double piston interne part vers la droite et son côté gauche découvre alors immédiatement les lumières de transfert (5) de détente qui permettent aux gaz de combustion de pénétrer dans la chambre de détente au dessus du gros piston. Elles sont symétriques des lumières de transfert d'admission (3). A ce moment là, la détente s'effectue à la fois dans la chambre de combustion sur le double piston interne qui recule jusqu'à 3 h et dans la chambre de détente supérieure. A 3 h la descente du gros piston referme les lumières latérales de transfert hautes (5) et continue à descendre jusqu'à 6h. En arrivant en bas de sa course le gros piston découvre les lumières d'échappement (20) réparties en couronne tout autour de la chemise principale (17) sauf bien sûr du côté de la chambre de combustion au niveau des lumiéres de transfert et au niveau de l'axe du vilebrequin (11). Ces lumières. du fait de leur nombre ont une hauteur faible tout en permettant l'échappement complet des gaz brûlés dans le collecteur annulaire servant de tubulure d'échappement. A 6h après 2 tours complets le cycle est terminé. Toutefois lorsque le piston remonte et referme les lumières d 'échappement (20) les gaz bloqués dans la chambre de détente (10) vont être recomprimés. C'est pourquoi un certain volume est réservé au sommet de cette chambre afin de ne pas trop remonter inutilement en pression (2 à 3 bars maximum). L'apport des gaz de combustion sortant de la chambre de combustion vont réchauffer ces gaz résiduels donc les dilater ce qui augmentera la pression de détente. II est évident qu'une injection d'eau (14) dans cette chambre de détente au moment du transfert des gaz de combustion aura le triple avantage 1") de l'augmentation de la pression des gaz brûlés du fait de la vaporisation, 2") le refroidissement du coeur du moteur, 3 ) la dépollution des gaz d'échappement. Les dessins annexés illustrent l'invention. La figure 1 représente une coupe verticale perpendiculaire à l'axe du vilebrequin, de l'ensemble des éléments d'un cylindre du moteur. La figure 2 représente une coupe horizontale au niveau du vilebrequin montrant toutefois (par transparence) les lumières d'admission (3) et de détente (5), et leur canal correspondant ( 4, ,6) usiné dans la chemise principale (17). La figure 3 représente en perspective une vue en transparence de l'ensemble d'un cylindre moteur. La figure 4 montre un double piston interne (1). La page 3/3 présente une succession de figures A B C D E F montrant l'évolution d'un cycle complet sur 2 tours avec le déplacement des pistons, I'ouverture et la fermeture des différentes lumières. En référence à ces dessins le double piston inteme (1) est un cylindre traversé en son centre par le maneton (12) du vilebrequin (11). II est donc constitué de deux moitiés symétriques qui s'assemblent autour du maneton. Les fixations de cet assemblage(16) sont accessibles sans problème par la face à droite (23) côté admission. L'autre face (22) est soumise aux gaz de combustion et ne peut pas comporter les alésages d'accès aux goujons d'assemblage. De chaque côté de la partie enserrant le maneton un espace circulaire (15) est évidé de manière à permettre la rotation du tourillon du vilebrequin. Des segments (21) enserrent ce piston (1) près de ses deux extrémités pour assurer son étanchéité à l'intérieur de l'alésage horizontal. Le gros piston (2) est lui aussi double c'est-à-dire avec deux faces opposées. Celle du dessous correspond à la chambre d'admission(7), celle du dessus à la chambre de détente(10). Dans la face de dessous est usinée une lumière (8) rectangulaire dont la longueur correspond à la demi-course du piston interne. En effet cette lumière est ouverte pendant la phase de remontée du gros piston(2) ce qui correspond au déplacement à gauche du piston interne(1) . Au centre de ce piston est usiné un alésage correspondant au diamètre du piston interne. A cet alésage parviennent plusieurs lumières 1) la lumière d'admission (8) déjà citée accédant à la chambre d'admission, 2) deux lumières (18) verticales identiques et symétriques par rapport au centre de ce gros piston. Elles sont perpendiculaires à l'axe de l'alésage du logement du piston interne, leur largeur correspond au diamètre des paliers du vilebrequin(1 1), leur hauteur correspond au diamètre théorique du vilebrequin c'est-àaire à la course des pistons augmenté du diamètre des paliers de ce même vilebrequin. Ces lumières latérales(1 8) permettent le déplacement vertical de ce gros piston (2) par rapport au palier de l'axe du vilebrequin. 3) les lumières de transfert des gaz d'admission (3) depuis la chambre d'admission(7) (dessous) à la chambre de combustion(9) à gauche devant le piston interne. Ces lumières symétriques débouchent en face des canaux de transfert(4) correspondant, usinés verticalement dans la chemise(17) de ce gros piston. 4) les lumières de transfert des gaz brûlés (5) depuis la chambre de combustion à la chambre de détente (1O)(au dessus). Elles sont identiques aux précédentes et leur sont symétriques mais en partie haute. C'est le déplacement vertical du gros piston qui les place en face des canaux de transfert de détente (6) usinés dans la chemise en direction de la chambre de détente. Lorsque le gros piston est au sommet (12h) le piston inteme va partir sur la droite et dégager le côté inteme de ces lumières de détente(5) . Arrivé à mi-course (3h) la descente du gros piston fera que les lumières de transfert de détente ne seront plus en face de leurs canaux de transfert(6) . A partir de là, de 3h à 6h, ce sera les lumières de transfert d'admission(3) qui seront en face de leur canaux (4) permettant ainsi aux gaz frais de pénétrer dans la chambre de combustion(9). De 6h à 9h c'est le piston inteme qui referme intérieurement ces lumières pour permettre la compression. De 9h à 12h les lumières de transfert de détente(5) sont également obturer par le piston interne. Le transfert des gaz brûlés ne commence qu'après 12h du fait du déplacement vers la droite du piston interne. Les canaux latéraux (4, 6) sont usinés verticalement dans la chemise (17) du gros piston et sont parfaitement symétriques entre eux. Dans cette même chemise verticale du gros piston sont usinées la couronne des lumières d'échappement (20) permettant aux gaz d'échappement de sortir du moteur, ces lumières ont une hauteur faible et se situent au niveau de la face supérieure du gros piston en PMB (6h) autour du cylindre sauf près de la chambre de combustion, des canaux de transfert et des lumières de débattement des paliers du vilebrequin. Le choix du rapport des dimensions des différents éléments est très limité puisque presque entièrement conditionné par le rayon d'excentricité du maneton du vilebrequin. Ce rayon z d'excentricité du maneton détermine la course des 2 pistons (C = 2R). Du fait de cette course on sait que la longueur du piston interne doit être suffisante pour l'espace circulaire (15) permettant le débattement du tourillon du vilebrequin n'arrive jamais en face des canaux de transfert(4, 6). On sait que le diamètre de ce piston interne doit être supérieur à la hauteur des lumières verticales(18) de débattement des paliers du vilebrequin usinées dans la jupe du gros piston. On sait que le diamètre du gros piston doit permettre au piston interne de se déplacer horizontalement. On sait que la hauteur du gros piston correspond au diamètre du piston interne plus l'épaisseur des deux faces d'extrémité supportant les segments d'étanchéité(21). On sait enfin que la hauteur interne du moteur correspond à la course plus la hauteur du gros piston plus la hauteur du volume nécessaire à la chambre de détente pour que les gaz résiduels ne soient pas recomprimés à plus de 3 bars. L'injecteur de carburant (13) ou l'allumeur fixé dans le carter cylindrique vertical se trouve dans l'axe du piston interne (à 9h). La face de ce piston interne(22) étant de préférence plane alors que le cylindre vertical par définition est courbe, si les bords de cette face du piston interne sont près de la chemise verticale (à 9h) le centre est plus éloigné de la paroi réservant ainsi un espace aux gaz comprimés au moment de la combustion. II est bien évident que tout ceci ne décrit qu'un cylindre alors qu'un moteur peut comporter plusieurs cylindres en ligne traversés par le même vilebrequin. Ainsi la présente architecture utilisant 2 pistons cylindriques traversés en leur centre par le maneton du vilebrequin permet d'obtenir un moteur thermique très compact donc léger, avec seulement 2 pièces en mouvement (les 2 pistons) entraînant le vilebrequin, et ceci selon un cycle très particulier offrant une explosion par tour de vilebrequin et exploitant la détente sur % de tour. REVENDICATIONS 1) Moteur thermique caractérisé en ce qu'il est constitué de deux doubles pistons cylindriques dont l'un coulisse horizontalement à l'intérieur d'un alésage usiné au centre du second double piston de diamètre plus important qui lui se déplace verticalement à l'intérieur d'un carter cylindrique vertical (17). 2) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que les 2 doubles pistons, à savoir le piston interne(1 ) horizontal et le plus gros piston (2) vertical sont parfaitement cylindriques et comportent des segments d'étanchéité (21) annulaires. 3) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que la chambre de combustion (9) se trouve à l'intérieur de l'alésage dans lequel coulisse le double piston interne, dans l'espace restant à l'extrémité gauche du fait que même en fin de course (à 9h) selon la rotation du vilebrequin, la face (22) de ce piston interne étant plane, alors que la paroi lui faisant face est verticalement cylindrique, il reste un espace pour les gaz comprimés et le recul suffisant devant l'injecteur(13). 4) Dispositif selon la revendication 1 et 3 caractérisé en ce que l'injecteur ou l'allumeur est fixé directement dans la paroi cylindrique (17) dans l'axe du piston interne (1) en fin de course à gauche (à 9h). 5) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que la chambre cylindrique de détente (10) a une hauteur supérieure à la course des pistons afin de réserver un volume suffisant aux gaz d'échappement bloqués au dessus des lumières d'échappement lors de la remontée du gros piston (2) et ceci pour leur éviter un taux de recompression trop important au moment où sortent de la chambre de combustion les gaz brûlés du cycle suivant.