Brevet FR2778208A1 — publié le 19991105

La présente invention se rapporte au domaine des moteurs à quatre temps, à explosion et plus particulièrement au domaine des moteurs à combustion interne, atmosphériques et suralimentés. Traditionnellement, les moteurs classiques ont une chambre de combustion intégrée dans une culasse fixée sur la partie supérieure du bloc moteur et l'allumage des gaz comprimés ne peut se faire qu'à une position très voisine du Point Mort Haut (PMH) de la course alternative du piston, moment o la compression du mélange gazeux atteint la valeur maximale admissible, alors que le vilebrequin se trouve dans une position angulaire à faible degré de puissance. Le système de fonctionnement des moteurs thermiques actuels ne répond donc pas à I'équation suivante: position de compression maximale des gaz = position idéale d'allumage du système bielle/manivelle. Dans cette position très voisine du PMH, l'expansion des gaz, en action sur le piston, imprime alors un mouvement circulaire au vilebrequin à partir d'une valeur angulaire à faible degré de puissance, car l'angle formé par le maneton et la verticale passant par l'axe des paliers a une valeuri 5 proche de zéro. Ainsi, le travail résultant des forces exercées par la bielle sur le maneton et les paliers du vilebrequin, génère un couple moteur dont l'intensité dépend étroitement de la position du système au moment de l'explosion des gaz et de la valeur de l'arc décrit par le maneton durant la phase détente.20 (cf. expression mathématique simplifiée suivante) c" C = F.d.sin(p) C = couple F= intensité de la force d = distance entre point d'application et axe du maneton sin(f) = quotient25 sin(p) c. 0 c M c: valeur nulle sin(C) c 90 ca M c> valeur maxi. Ainsi, le système conventionnel ne permet pas d'état synchrone entre le point maxi de la pression de détente des gaz et la position idéale du vilebrequin lorsque la bielle et le bras de levier forment un angle droit.30 A cette perte d'énergie, s'ajoutent les moments résistants résultant pour partie de l'énergie absorbée par les ressorts de soupapes dont le rappel négatif limite la vitesse angulaire du moteur et, par effet, la puissance restituée en bout d'arbre. La présente invention entend remédier à ces inconvénients en proposant un dispositif permettant: - une compression maximale dans une position correspondant à la position idéale d'allumage du système bielle manivelle, c'est-à-dire dans la zone proche de l'angle droit formé par la bielle et le bras vilebrequin, et la suppression des soupapes d'admission et d'échappement à rappel négatif, lesquelles sont remplacées par des obturateurs centrifuges, isolés de la chambre de combustion, disposés sur un arbre de transfert des gaz. Ainsi, à cylindrée égale, I'augmentation importante du couple moteur, liée à la diminution des moments résistants accroit la vitesse de rotation du système et, par effet, la puissance restituée en bout du vilebrequin, avec pour référence l'équation simplifiée suivante: P=C.w P = puissance développée moteur (Kw) C=couple (DaN) w = vitesse angulaire I.(lN)/30 exprimés en radians par seconde; o (N) = fréquence de rotation en tours/'. 1 5 D'autres avantages ressortiront de la description faite ci- après en référence à la figure unique annexée illustrant une vue en coupe du dispositif selon l'invention en début de cycle "explosion détente", c'est-à-dire en position d'allumage. La présente invention permet, par un système simple, d'obtenir une compression maximale dans une position correspondant à la position idéale d'allumage manivelle: c'est-à-dire dans la zone proche de l'angle droit formé par la bielle et le bras du vilebrequin. Le système de référence (bielle de puissance (14), vilebrequin (13)) entraîne, simultanément et en rotation synchronisée, un arbre intermédiaire de transferts des gaz (10) accouplé à un arbre excentrique à came (4). Un contrepiston (1) mobile selon l'axe du piston de puissance (12) reçoit de cet arbre excentrique (4) un mouvement rectiligne alternatif par l'intermédiaire d'une bielle télescopique (2). Une came (3) permet une amplitude et une accélération de la course descendante du contrepiston (1) pour atteindre la compression maximale admissible à la position idéale d'allumage (11). La bielle télescopique (2) permet également la désolidarisation du contrepiston (1) du reste du bloc moteur durant toute la phase explosiondétente pour amplifier l'énergie cinétique engendrée, annihiler les cliquetis et commander positivement le rappel du même contrepiston sur les temps résistants. Le transfert des gaz d'entrée et de sortie est assuré par des obturateurs centrifuges (8, 8') placés sur l'arbre de transfert des gaz (10) isolés dans la chambre de combustion en remplacement des soupapes d'admission et d'échappement à rappel négatif. En substance, le système arbre de transfert des gaz (10), arbre excentrique à cames (4), et bielle télescopique (2) assure respectivement les fonctions suivantes: - régler la circulation des gaz dans un mouvement circulaire uniforme en améliorant significativement les taux de transferts, - obtenir une valeur de compression maximale sur la portion de plan qui correspond à la zone idéale d'allumage (11), (moment o la bielle (14) et le bras de manivelle du vilebrequin (13) forment un angle proche de 90 ) en imprimant au contrepiston (1) une accélération supérieure à la vitesse de déplacement du piston de puissance (12); - permettre, durant la phase appelée "explosion détente", de désolidariser le contrepiston (1) de l'ensemble du système; - amplifier l'énergie cinétique résultant de la détente des gaz; - annihiler les effets dûs aux cliquetis; - commander positivement le contrepiston (1) sur les cycles résistants. 1 0 Le dispositif selon l'invention permet ainsi de gagner jusqu'à 30 % de puissance par rapport à un moteur de même cylindré. De plus, il est moins polluant et moins volumineux que les systèmes traditionnels. Afin de mieux comprendre l'invention, nous allons décrire ci-après les quatre phases admission, compression, explosion-détente et échappement. Phase d'admission Au début de l'admission, le piston de puissance (12), alors au P.M.H., entre dans sa course descendante. L'obturateur d'admission (8') a anticipé de quelques degrés le début d'ouverture de l'orifice d'admission (0'). L'arbre excentrique à cames (4) décalé de -[[/6 du P.M.H., anime le contrepiston (1) dans sa course ascendante de manière à augmenter le volume engendré et la dépression à l'intérieur du cylindre. En valeur, ce décalage permet d'avoir un volume engendré de 15% supérieur au volume refoulé; avec un taux de remplissage qui croft dans les mêmes proportions. L'obturateur d'échappement (8) assure, durant cette phase, la fermeture hermétique de l'orifice de sortie des gaz br'lés (O), sous l'action conjuguée de la force centrifuge et du ressort de compression statique (7). La dépression, ainsi engendrée, permet un remplissage optimal du cylindre jusqu'à la position P.M.B. (Point Mort Bas) de la course alternative du piston de puissance (12), moment o I'obturateur d'admission (8'), de conception identique à l'obturateur d'échappement (8) est sur le point de fermer totalement l'orifice d'entrée des gaz (O'). Dans le cas d'une alimentation séparée, les moments d'injection restent inchangés. Phase de compression Le piston de puissance (12) et le contrepiston (1) commencent leur course convergente dans un rapport 3/4 pour comprimer le mélange gazeux dans un mouvement de translation jusqu'au P.M.H. du maneton du vilebrequin. Lorsque le piston de puissance atteint son P.M.H., l'arbre excentrique qui commande le contrepiston se trouve dans un rapport circonférenciel égal à 51I/6. A partir de la position 3H/4, la bielle télescopique (2), sous l'action de la came (3), transmet progressivement une accélération et une amplitude de course au contrepiston (1) pour atteindre le taux maximal de compression à la position idéale d'allumage des gaz: le moment o la bielle (14) et le bras de manivelle du vilebrequin (13) forment un angle proche de 90 . En même temps, le piston (15) subit une pression antagonique à l'intérieur de la chambre hydraulique du corps de bielle supérieure, de façon à repositionner correctement le contrepiston (1) lors de la phase échappement. Phase d'explosion/détente La bielle télescopique (2) est en position verticale et la bielle de puissance (14) est quasiment à la position perpendiculaire par rapport au maneton du vilebrequin, au moment o se produit l'explosion du mélange par inflammation spontanée ou par allumage des gaz. L'énergie libérée entraîne la rotation du vilebrequin (13) par l'intermediaire du tandem de commande (piston de puissance (12)-bielle (13)). 1 5 Durant cette phase précise, le contrepiston (1) se trouve désolidarisé de la totalité du système, et reste en position statique - à l'instar de la chambre à combustions statique d'un moteur classique - sur la portion d'angle de came qui correspond au moment cinétique. A la fin de cette phase, le profil de came (3) se fait grâce à la pression hydraulique crée dans le corps de bielle télescopique (2) au moment de la compression, et ce, jusqu'à la position 4[1/3 de I'arbre supérieur (4). Phase d'échappement Au début de l'échappement, le canal d'évacuation des gaz d'échappement (5) dans la chambre de transfert est totalement ouvert afin de rendre nulle la pression résiduelle de refoulement. A la position 1911/6 du vilebrequin (13), le contrepiston (1) libère l'orifice d'échappement (O) et permet, par le jeu des rapports de vitesses de courses, une évacuation plus rapide des gaz brûlés. Le volume refoulé, durant cette phase, est alors inférieur au volume engendré. Durant cette même phase, la force centrifuge générée par la rotation de l'obturateur d'admission (8') maintient hermétiquement fermé l'orifice d'entrée des gaz (O'). REVENDICATIONS 1. Moteur à quatre temps à combustion interne, la combustion interne étant réalisée à une position idéale d'allumage (11) dans une chambre de combustion située entre un piston de puissance (12) et un contrepiston (1), le piston de puissance entraînant la rotation du vilebrequin (13) grâce à la bielle de puissance (14) et un bras de vilebrequin, caractérisé en ce que à la position idéale d'allumage (11) la bielle (14) et le bras de vilebrequin forment un angle proche de 90 . 2. Moteur à quatre temps à combustion interne selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit contrepiston (1) est mobile selon l'axe dudit piston de puissance (12). 3. Moteur à quatre temps à combustion interne selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comporte un arbre de transfert des gaz (10). 1 0 4. Moteur à quatre temps à combustion interne selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'arbre de transfert des gaz (10) comporte des obturateurs centrifuges (8). 5. Moteur à quatre temps à combustion interne selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que les mouvements du contrepiston (1) sont imposés par un arbre excentrique à came (4) et une bielle télescopique (2).