Brevet FR2778696A1 — publié le 19991119

i Principe de moteur thermique à piston double effet en ligne, avec transmission centrale par excentrique lubrifié et dispositif d'alimentation et d'échappement diversffié. La présente invention a pour objet le principe d'un moteur thermique à piston et cylindre à mouvements rectilignes alternatifs dont le principe est caractérisé en ce que le piston et le cylindre sont à double face de poussée, mais sont séparés sur leur axe longitudinal et en leur milieu par un boîtier solidaire des deux pistons comportant un alésage oblong dans lequel se meut en rotation un excentrique dont les deux axes alignés pivotent dans deux paliers d'un carter solidaire des cylindres et transforme le mouvement de rectiligne en rotatif transmettant le couple moteur par un engrenage qui lui est solidaire. L'idée majeure de l'invention est de remédier à la dispersion des mouvements d'un moteur classique par la simplification des organes en mouvement apportant une meilleure cinématique, une simplification de construction, une diminution de poids, une diminution des frottements mécaniques et une lubrification plus accessible en ayant pour objectif principal un rendement général sensiblement amélioré pour un coût de réalisation moins élevé Le moteur classique fonctionne à partir du déplacement rectiligne alternatif d'un piston dans un cylindre qui transmet son mouvement à un ensemble bielle et vilebrequin le trarisformant en mouvement rotatif et moteur lequel est renvoyé en tête de cylindre pour le fonctionnement annexe des soupapes par le relais de l'arbre à cames actionnant les culbuteurs. Si la base de fonctionnement proposée par l'invention reste la même, le principe de remplacer chaque ensemble bielle et manivelle du vilebrequin nécessaire à chaque cylindre et piston par un excentrique pour deux cylindres et pistons constituent un dépouillement substantiel des organes en mouvement. Par ailleurs, ce moteur constitué de deux pistons en ligne assemblés rigidement de part et d'autre du boîtier d'excentrique a pour avantage de ne pas soumettre les pistons à un phénomène de frottements par talonnage occasionné par les oscillations de la bielle comme dans les moteurs classiques; avec le système à excentrique les efforts se répartissent de part et d'autre dans chaque piston et cylindre, ce qui permet de réduire la longueur de ceux-ci et de limiter les surfaces en contact. L'excentrique du boîtier central poussé alternativement par les deux pistons solidaires, aux explosions respectives dans chaque tête de cylindre a deux mouvements conjugués; un mouvement de rotation sur ses axes moteurs pivotants dans les paliers du carter et un mouvement de translation vertical dans l'alésage oblong du boîtier central. Ces trois axes, axe piston- cylindre, axe de rotation excentrique et axe de translation dans l'alésage prennent chacun une direction orthogonale concourant chacun au point milieu de l'axe des pistons. Il est à remarquer qu'en inclinant l'axe de l'alésage, il se crée un couple moteur dés le début de la poussée du piston à l'explosion. Ce couple est fonction, dans certaines limites, de l'importance de cette inclinaison ce qui diminue très sensiblement la durée du point mort. Ceci constitue avec les gains de frottement décris précédemment un facteur d'économie de carburant car l'amoindrissement de la force de poussée à l'explosion permet d'appauvrir la teneur en carburant du mélange explosif. L'ensemble mobile piston- boîtier d'excentrique est prévu pour un mouvement coulissant selon l'axe longitudinal en position horizontale, ce qui permet d'utiliser la partie basse du carter en réserve d'huile dont le niveau effleure la partie basse du boitier. L'excentrique en mouvement de translation dans l'alésage oblong agit comme une pompe par des orifices d'extraction et d'expulsion d'huile ménagée en périphérie de l'alésage, lubrifiant abondamment le piston à la sortie partielle des cylindres. Bien- entendu les orifices ainsi que le jeu prévu entre les flans du boîtier et les parois du carter sont dimensionnées et distribuées de façon à réguler le débit d'huile sans freiner le mouvement de translation. L'excentrique ainsi lubrifié abondamment peut être prévu glissant, c'est à dire conçu avec une enveloppe cylindrique solidaire de ses axes de rotation, mais il peut être équipé de roulement à billes ou à aiguilles rendant l'enveloppe roulante et indépendante de ces axes ce qui libère le mouvement et constitue un avantage supplémentaire au rendement moteur. Pour être complet, la même option peut être prise pour les axes de l'excentrique en rotation dans les paliers du carter. Selon l'option de l'excentrique roulant avec roulements, un jeu minimum est nécessaire entre le diamètre de l'excentrique et la largeur de l'alésage oblong du boîtier car la rotation n'est possible que par contact avec une seule face. Il en résulte un léger choc à chaque inversion du mouvement selon l'impulsion alternative des pistons. Pour remédier à cet inconvénient, il suffit de réaliser un alésage sans jeu et de partager les parties roulantes de l'excentrique en plusieurs tronçons indépendants, lesquels sont alternativement en contact avec l'une ou l'autre face de l'alésage oblong par des rainures longitudinales saillantes disposées face à face en quinconce. Les rainures s'interrompent dans les courbures de l'alésage, selon l'axe longitudinal et sont réalisées de telle sorte que leur partie saillante soit moins large que le tronçon d'excentrique qui est en contact. Afin de faciliter le montage, un plan d'assemblage du boitier d'excentrique peut être prévu. Bien- entendu le type de moteur selon l'invention peut être diversifié comme les moteurs classiques. Il peut être du type deux temps ou quatre temps, il peut être à explosion ou à combustion interne, il peut comporter les mêmes adaptations telles que (chemise de cylindre, formage en tête de piston et de cylindre, injecteurs et autres accessoires); mais L'invention ne se limitant qu'à la cinématique, le descriptif, ci après, souligne les avantages qui découlent de la structure compacte et symétrique de ce moteur selon que les options de fonctionnement sont à deux temps ou à quatre temps. Dans le type de moteur à deux temps, selon l'invention, il est prévu comme dans les moteurs classiques des orifices d'admission et d'échappement en périphérie de cylindre et en zone fin de course du piston en détente; mais il est intéressant d'utiliser le boîtier d'excentrique comme piston de compression de l'air contenu dans le carter pour le conduire au piston opposé (dans sa phase d'admission) en passant ou non par le carburateur. A cette fin, il est ménagé une forme rétrécie sur le carter entourant le boîtier, de facon à limiter la zone de compression de l'air à la fin de course du piston, de même qu'un volet basculant de décompression est prévu sur le boîtier quand le piston repart en sens inverse. La lubrification de ce type de moteur étant très directe celle-ci peut être maintenue pour éviter que le lubrifiant soit mélangé au carburant. Dans le type de moteur à quatre temps, il suffit d'entraîner un arbre à came au milieu bas du carter à la verticale de l'arbre moteur de l'excentrique. Cet arbre à came est entraîné à une vitesse réduite de moitié par rapport à l'arbre moteur par le relais de deux engrenages externes au carter, lequel arbre comporte deux cames excentrées en position inverse qui anime deux couples de tiges en direction opposée qui commande l'ouverture et la fermeture des soupapes de chaque cylindre par le relais de culbuteurs. En ce qui concerne l'invention, il est à noter que du fait de la symétrie des cylindres deux cames suffisent à commander les deux cylindres au lieu de quatre dans les moteurs classiques. La structure du moteur selon l'invention permet d'utiliser le mouvement alternatif du boîtier d'excentrique pour la fonction d'admission et d'échappement dans les cylindres. A cette fin, il est positionné sur ce boîtier, de part et d'autre de celui ci, deux couples de doigts poussant, tirant mettant respectivement un disque en rotation par quatre ergots disposés en carré et saillants par deux en diagonal sur chaque face. L'entraxe en carré de ces ergots correspond sensiblement à la course du piston, de telle sorte qu'à chaque alternance allez et retour de celui ci correspond une demi-rotation du disque, lequel est excentré sur sa périphérie pour articuler un culbuteur commandant une soupape centrale dans le cylindre correspondant. Cet ensemble est réglé de façon à obtenir une ouverture de soupape prolongée de l'échappement à l'admission. La fonction de distribution (ouverture et fermeture des gaz) est assurée par un axe solidaire du disque traversant la tête de cylindre et rejoignant l'alésage de sortie de la soupape. Des cavités usinées réalisées sur cet axe commandent alternativement des entrées et sorties des gaz par les orifices prévus sur la tête de cylindre. Il est ainsi permis d'éviter des moteurs multi-soupapes en surdimentionnant celles prévues par le dispositif sans gêner l'implantation de la bougie et de l'injecteur. Ce système pourrait être adapté sur les moteurs classiques. Il peut être également prévu sur le type de moteur à quatre temps une compression de l'air pour l'admission des gaz comme décrit dans le moteur deux temps. Le montage de ce moteur est prévu en réalisant un carter en deux demiblocs partagés et assemblés selon un plan vertical passant par l'axe moteur de l'excentrique (l'axe longitudinal des cylindres et pistons étant horizontal). Chaque demi-carter est ainsi conçu, que les usinages des cylindres et têtes de cylindre soient très accessibles ce qui permet d'éviter une culasse démontable. Le montage de ce moteur est très simple, il s'effectue par assemblage et boulonnage périphérique après l'introduction de l'ensemble piston excentrique. Dans le cas d'un moteur à quatre temps, quelques trappes sont prévues sur l'ensemble carter pour accéder au montage des soupapes. Pour réaliser des moteurs à quatre six ou huit cylindres, il suffit d'assembler plusieurs bloc à deux cylindres en accouplant les arbres moteurs tout en respectant le décalage des excentriques nécessaires à un fonctionnement synchronisé de l'ensemble ou de réaliser un carter spécifique au type de d'assemblage désiré. La cinématique peut être réversible dans le but de l'appliquer à un compresseur, à une pompe ou à un moteur hydraulique. L'invention sera mieux comprise par la description, ci-après, faite en référence aux dessins annexés. Bien-entendu, la description et le dessin ne sont donnés qu'à titre d'exemple et non-limitatif. La figure 1 représente une coupe verticale et longitudinale d'un moteur deux temps montrant le mécanisme général. La figure 2 représente une coupe horizontale partielle du même ensemble. La figure 3 représente une vue schématique indiquant la cinématique de l'ensemble pistons- excentrique. La figure 4 représente une coupe verticale et longitudinale d'un moteur à quatre temps avec système de soupapes par arbre indépendant et cames centrales. La figure 5 représente une coupe verticale et longitudinale d'un moteur à quatre temps avec système de distribution des gaz par plateau rotatif réducteur et dispositif à une soupape. La figure 6 représente des figures détaillées du mécanisme cité cidessus. En référence au dessin selon les figures 1, 2 et 3 le moteur, selon l'invention, comporte un carter en deux parties: 1 et 1' assemblés selon un plan vertical 2 et munis d'un joint d'étanchéité périphérique 3. L'ensemble de ces deux demi-carters comporte les cylindres 4, 4'et leur tête de cylindre respectif 5 et '. Avant l'assemblage des carters 1, 1', il est introduit l'ensemble mobile des pistons 6, 6', solidaires du boîtier d'excentrique 7 positionnés par deux épaulements cylindriques 8, 8', et immobilisés par deux soudures 9 et 9'. Le boitier d'excentrique 7 comporte un alésage oblong 10, dans lequel est introduit l'excentrique 11, qui représenté en modèle à roulements, comprend une enveloppe cylindrique 12 1S épaulée pour recevoir deux roulements 13 avec un axe central en deux parties comprenant l'axe male 14 emmanché dans l'axe femelle 15, l'un et l'autre se terminant à leurs extrémités opposées par deux embases circulaires 16 et 16', lesquelles comportent chacune un axe excentré 18 et 18' constituant l'arbre de transmission, tournant eux même dans des roulements à aiguilles 19 et 19' emboîtés dans deux paliers 20 et 20' ménagés à la jointure des demi-carters 1 et 1'. Les deux axes 14 et 15 de I'excentrique 11 sont solidarisés par une goupille centrale 20 engagée par un orifice 21 de l'enveloppe 12, une soudure 21 réalisée en périphérie de l'embase 16 immobilise l'ensemble. L'assemblage général des deux demi-carters 1 et 1' est assuré par des boulons 22 pinçant en périphérie deux lèvres 23 et 23' préalablement usinées pour un contact étanche avec le joint 3. Comme il est indiqué sur la vue schématique de la figure 3, le parcours des points de contact de l'excentrique 11 dans l'alésage 10 est symbolisé par le cercle fictif 24 de centre O. Il est à noter que la valeur de l'inclinaison de l'alésage 10 suivant l'axe V, V', détermine celle du couple F1 sur l'excentrique 1 entrainné dans le sens de la flèche S sous la poussée du piston 6 (ceci montre que le point mort est pratiquement inexistant). Il est à noter que l'arc parcouru par l'excentrique 11 est limité à l'axe Z, Z', perpendiculaire à V, V', et qu'il détermine la course L selon les points A et B sur l'axe longitudinal des pistons. Il est à noter, également, qu'un couple F2 s'exerce encore en fin de course du piston 6 relayé par le couple F3 symétrique au F1 et que l'angle d'inclinaison à 45 choisi de l'alésage 10 par rapport à l'axe X'X des pistons, montre que la course L est augmentée de 41%, par rapport à la course L', correspondant à un angle nul de l'alésage et ceci pour le même diamètre d'excentrique 11'. Un jeu très faible J est nécessaire pour un excentrique roulant en raison de l'inversion du sens de rotation sur les faces parallèles de l'alésage 10. Comme il est prévu dans le descriptif et selon la figure 3, les espaces E et E' représentent les rainures saillantes, longitudinales 73 réalisées en quinconce sur les deux faces en regard de l'alésage 10 dont la largeur est prévue pour un ajustage sans jeu avec l'enveloppe roulante 12' de l'excentrique 11, cette enveloppe 1 2'est partagée en tronçons (comportant chacun un ensemble de roulements 13') respectivement en contact avec chaque rainure qui lui fait face. Pour une facilité d'assemblage, il peut être prévu un plan d'assemblage 72 du boîtier d'excentrique 11 selon l'axe longitudinal V-V' de l'alésage oblong 10. En revenant sur les figures 1 et 2, on peut observer l'implantation de principe des orifices de lubrification, à noter l'orifice d'aspiration 25 suivi des orifices 26 et 26' de distribution dans les pistons 8 et 8' avec évacuation par les trous périphériques 27 et 27' puis deux trous 28 et 28' sont prévus pour les parties hautes des pistons. Un jeu 29 est prévu sur les deux flans du corps d'excentrique 7 pour décompression due au mouvement de pompage, enfin deux butées 30 prévues en partie basse du carter évitent un guidage avec pivotement du corps d'excentrique 7 pendant son mouvement longitudinal. Sur les figures 1 et 2, on peut observer l'implantation des organes fonctionnels tels que les bougies d'allumage 31 et 31' ou injecteur 32 et 32', les segments de pistons 33 et 33', leurs décolletages périphériques 34 et 34', des orifices d'admission 35 et 35' ainsi que les orifices d'échappement 36 et 36'. Comme il a été décrit précédemment, les deux demi-carters 1 et 1' comportent une forme rétrécie 37 et 37' dans la zone qui précède les cylindres. Les faces 38 et 38' du corps d'excentrique 7 compressent l'air sur les parois 39 et 39' du carter. L'air comprimé est évacué par les orifices 40 et 40' et conduit vers les orifices opposés, respectivement 35 et 35' en passant ou non par le carburateur. Deux orifices 41 et 41' obturés respectivement par des volets 42 et 42' basculants avec chacun une butée fin de course 43 et 43' sont prévues sur les parois 38 et 38'du corps d'excentrique pour décompresser l'air à l'inversion de mouvement de piston. Il est prévu enfin un engrenage moteur 44 emboîté sur un arbre cannelé avec Ecrou de fixation 45 solidaire de l'axe 18 de l'excentrique 11. L'axe opposé 18' recevant une masselotte d'équilibrage 46 immobilisée par une vis 47. Dans la solution du moteur à quatre temps et selon la figure 4, il est à noter la transformation générale de l'ensemble carter 1 et 1' pour l'aménagement des soupapes ainsi que l'adjonction d'un circuit d'eau 48 et 48' pour refroidissement. Un arbre 49 parallèle aux axes de rotation 18 et 18' de l'excentrique est mis en mouvement par deux engrenages 50 et 51 externes au carter réduisant la vitesse de rotation de moitié par rapport à celle de l'excentrique. Deux cames 52 et 52' en position opposée sont solidaires de l'arbre 49 poussent deux couples de tiges 53 et 53' actionnent respectivement et par cylindre deux soupapes d'admission et d'échappement 54 et 54' par le relais de deux couples de culbuteurs 55 et 55'. Comme il a été mentionné dans le descriptif général, il peut être adapté en moteur quatre temps un système d'admission et d'échappement à une soupape. A cette fin et selon les figures 5 et 6, le carter comporte deux trappes d'accès 56 et 56' sur sa partie inférieure et deux capots 57 et 57' d'accès aux soupapes. Le corps d'excentrique 7 est rallongé vers le bas de façon à lui adapter deux ensembles de doigts poussant, tirant 58 et 58' et fixés par boulons qui mettent en rotation respective deux disques 59 et 59' comportant chacun quatre ergots 60 et 60' disposés en carré à un entraxe équivalent à la course des pistons. Ces ergots sont positionnés sur chaque disque de telle sorte que deux ergots 60 soient saillants en diagonale sur une face et deux ergots ' saillants en diagonale sur l'autre face, ce qui permet à chaque mouvement aller et retour des doigts 58 ou 58' une demi-rotation du disque 59 ou 59', ceux- ci sont excentrés sur leur périphérie et poussent 6 2778696 un culbuteur 71 ou 71' actionnant la soupape centrale 61 ou 61'. En outre, chacun des disques 59 pivote sur un axe respectif 62 traversant la tête de cylindre par un alésage 63 traversant perpendiculairement l'alésage 64 de la soupape et pivotant dans deux paliers lubrifiés 65. Cet axe 62 comporte en son milieu une partie décolletée 66 de façon à limiter le désalignement des deux alésages concourant 63 et 64, il est également pourvu de deux cavités 67 permettant l'évacuation ou l'admission des gaz par les orifices 68 et 69 à leur ouverture coordonnée par la rotation du disque 59 et de son axe 62 les doigts poussant, tirant 58 ou 58' doivent comporter un léger jeu 70 pour le positionnement des ergots 60 et 60' en cours de rotation. Il est possible de minimiser ce jeu en orientant les ergots selon les axes U, U' et T, T'. 7 2778696 REVENDICATIONS 1) Procédé de fonctionnement d'un moteur à combustion interne caractérisé par un piston double faces formé de deux pistons en ligne 6 et 6', solidaires d'un corps d'excentrique central 7coulissant alternativement dans deux cylindres 4 et 4' d'un carter en deux parties 1 et 1' dont la transformation du mouvement s'effectue par un excentrique 11 en rotation dans le corps d'excentrique 7 et pivotant par un axe double 18 et 18' dans le carter, transmettant le couple moteur. 2) Procédé selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'excentrique 11 et ses axes 18 et 18' peuvent être montés sur roulements 13 et 19, que cet excentrique fonctionne dans un alésage oblong 10 du corps d'excentrique 7 selon un mouvement de rotation et un mouvement de translation, permettant son utilisation en pompe hydraulique lubrifiant directement les organes en mouvement. 3) Procédé selon les revendications 1 et 2, en ce que la partie roulante de l'excentrique 12' est partagée en plusieurs tronçons indépendants, respectivement en contact avec des rainures longitudinales 73, disposées en quinconce, sur chaque face de l'alésage 10, permettant la suppression du jeu J nécessaire en cas d'excentrique roulant. 4) Procédé selon la revendication 2, caractérisée en ce que l'axe longitudinal de l'alésage 10 du corps d'excentrique 7 n'est pas perpendiculaire à l'axe de translation X', X, mais oblique suivant l'axe V', V, créant un couple dés le début de la détente du piston 6 qui diminue la durée du point mort. ) Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que la simplicité de structure de l'ensemble du moteur permet la suppression de culasses démontables et un montage simplifié consistant à emprisonner les organes mobiles (piston 6, 6' et excentrique 11), dans un carter en deux éléments 1 et 1' boulonnés étanches selon deux lèvres centrales 23 et23', pinçant un joint d'étanchéité 3. 6) Procédé selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'ensemble rigide des pistons 6' 6' et corps d'excentrique 7, permet de réduire au minimum les surfaces d'appui 34 et 34' des pistons dans les cylindres, améliorant le rendement moteur. 7) Procédé selon les revendications 1 et 4, caractérisé en ce que la compacité et la symétrie du moteur selon l'invention et en modèle quatre temps permet une transmission directe des soupapes par un arbre 49 sur lequel deux cames 52 et 52' lui sont solidaires réduisant leur nombre de moitié par rapport au moteur classique. 8) Procédé selon les revendications 1, 4 et 6 caractérisé en ce que la compacité et la symétrie du moteur selon l'invention permettent d'utiliser directement le mouvement alternatif du corps d'excentrique 7 pour actionner un disque 59 propre à chaque cylindre 4 en rotation par des ergots 60 et 60', disque qui utilisé en came, actionne une soupape centrale 61, au centre du cylindre dont l'ouverture est maintenue pendant l'échappement et l'admission des gaz dont la distribution est assurée par l'axe 62 du disque 59 et par des orifices 68 ou 69 en tête de cylindre. 9) Procédé selon les revendications 1 et 4 caractérisé en ce que la conception du corps d'excentrique 7 enveloppé par les carters 1, 1', permet de l'utiliser en compresseur d'air pour les gaz d'admission par une forme rétrécie 37 ou 37' du carter en zone fin de course de l'un des pistons. ) Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'exemple de moteur représenté peut être du type à explosion ou à combustion interne et que les ensembles à pistons doubles peuvent être couplés par les axes moteurs 18 et 18' pour former des moteurs multi-cytlindres à deux ou à quatre temps. 11) Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que, le moteur selon l'invention, peut être du type pneumatique ou hydraulique adaptable en pompe.