Brevet FR2828910A1 — publié le 20030228

La présente invention est une architecture cinématique pour améliorer le rendement du moteur thermique à combustion interne 4 temps, classique, à pistons et à entraînement à bielle et vilebrequin. Les moteurs classiques existants du type énoncé ci-dessus ont un rendement thermodynamique moyen, voire médiocre, par rapport au rendement théorique possible. En effet, l'énergie de pression des gaz n'est pas récupérée au mieux à la détente du piston. Le taux de compression est fixe, ce qui handicape les fortes pressions de suralimentation, ainsi que l'optimisation du fonctionnement du moteur. Pour un piston, le cycle n'est moteur qu'un quart du temps au maximum. Le moteur selon l'invention ne présente pas ces inconvénients. Il permet aux pistons d'avoir une course de détente-échappement plus allongée et plus lente que la course d'admission-compression. Par conséquent : * La quantité d'énergie de pression des gaz récupérée mécaniquement par le piston est plus importante, améliorant ainsi le rendement. Et d'autant plus avec suralimentation. * La combustion peut être plus longue, donc plus complète et moins brutale. * Le dimensionnement des soupapes d'admission et d'échappement se rééquilibre dans le sens d'une meilleure ventilation des cylindres. * La hauteur du point mort haut du piston en fin d'échappement 1 début d'admission laisse un espace suffisant pour assurer une meilleure ouverture des soupapes. * Le pourcentage du temps moteur d'un cycle passe d'un quart jusqu'à 40 %. Le moteur selon l'invention accepte un système de déphasage qui permet de régler le rapport volumétrique à la compression, pour : accepter les fortes pressions de suralimentation et améliorer donc encore le rendement et/ou aussi le rapport puissance/poids. Optimiser le taux de compression dans tout le domaine de fonctionnement du moteur. Ce mécanisme, selon l'invention, qui modifie l'architecture vilebrequin/bielle/manivelle, permet de conserver les autres types d'organes du moteur. Il s'applique de façon élémentaire pour chaque cylindre du moteur. Ainsi, sur un moteur selon l'invention s'adaptent pratiquement toutes les technologies classiques ou modernes : * Carburant essence, diesel, GPL, GNV, hydrogène... * Carburateur, injection, injection directe, injection directe haute pression. * Suralimentation par turbocompresseur, volumétrique... * Architecture compound, postcombustion, détente par injection d'un fluide se vaporisant... * Catalyseur, filtre à particules... Principe de fonctionnement Le fonctionnement du moteur selon l'invention est basé sur le cycle thermodynamique d'un fluide, qui subit dans chaque cylindre, successivement l'admission, la compression, la réchauffe par explosion ou combustion, la détente (naturelle ou par vaporisation) et l'échappement. Architecture du moteur (fig. 1) Le moteur selon l'invention est caractérisé en ce qu'il comporte deux vilebrequins parallèles à un axe Z. Un vilebrequin dit lent (20), et un vilebrequin dit rapide (30), tournant deux fois plus vite (en moyenne, sur un tour de vilebrequin lent, dans le même sens ou en sens contraire), grâce à un mécanisme de transmission. L'arbre moteur est au choix, selon l'application, l'arbre du vilebrequin rapide ou celui du vilebrequin lent. Le moteur selon l'invention est caractérisé en ce que chaque piston (40) est cinématiquement lié, via un embiellage à trois bielles, aux deux vilebrequins. L'embiellage est composé de trois bielles, liées entre elles au noeud par un ou deux pivots (d'axe parallèle à l'axe Z). Les trois autres extrémités des bielles pivotent (selon des axes parallèles à l'axe Z) ; l'une sur le piston pour la bielle dite centrale (42) ; la seconde bielle, dite bielle lente (22) sur le vilebrequin lent en un maneton ; la troisième bielle, dite bielle rapide (32) sur le vilebrequin rapide, en un maneton. Les figures illustrent l'invention Les figures 1,2 et 3 illustrent le principe de fonctionnement du moteur selon l'invention pour un piston. Le noeud des bielles est composé d'un unique pivot. L'axe du cylindre est orienté différemment par rapport à la position des vilebrequins et du noeud des bielles. La figure 1 comporte l'axe Z. La figure 4 est un cas particulier du moteur selon l'invention ou l'excentrique du vilebrequin rapide est nul. Ce dernier devient inutile et la bielle rapide pivote donc directement sur le châssis. Les figures 5,6, 7,8 et 9 illustrent le principe de fonctionnement du moteur selon l'invention pour un piston. Le noeud des bielles est composé de deux pivots (c'est une des trois bielles qui comporte deux pivots à une extrémité). L'axe du cylindre est orienté différemment par rapport à la position des vilebrequins et du noeud des bielles. Les figures 10,11, 12 et 13 illustrent différents mécanismes de synchronisation entre les deux vilebrequins. Il n'y a pas de système de déphasage. La figure 14 illustre un système de déphasage de type"4 barres"entre deux vilebrequins tournant à la même vitesse, en sens contraire. Dans ce cas, on obtient un système pour faire varier le taux de compression pour un moteur classique (dont le piston possède des courses d'admission, compression, détente et échappement égales). La figure 15 illustre un mécanisme de déphasage de type"4 barres"du moteur selon l'invention, pour une transmission avec changement de sens de rotation entre les deux vilebrequins. Les figures 16 et 17 illustrent deux autres systèmes de déphasage pour une transmission dans le même sens. La figure 18 illustre le principe de fonctionnement du moteur selon l'invention pour un piston. On voit les trajectoires du noeud des bielles et du piston, ainsi que les sens de rotation des vilebrequins. La figure 19 représente la trajectoire du piston selon l'axe de son cylindre en fonction de la rotation des vilebrequins, pour une architecture correspondant à la figure 18. (mêmes proportions des éléments et phase des vilebrequins) et pour un moteur classique à un seul vilebrequin. La figure 20 représente les courbes d'accélérations en fonction de la rotation des vilebrequins, pour un piston et un noeud de bielles, pour une architecture correspondant à la figure 18. et pour un piston de moteur classique à un seul vilebrequin. La figure 21 illustre la variation du taux de compression d'un moteur selon l'invention, obtenue en déphasant un vilebrequin par rapport à l'autre. Remarque, dans les figures 1 à 9, le déphasage des vilebrequins est indicatif (Il n'est pas optimal pour le trajet du piston). Différentes orientations d'embiellage L'axe du cylindre peut être orienté au choix à partir de la position moyenne du noeud des bielles et du plan des axes de vilebrequins, en distinguant : Vers le haut (fig. 1 et 5), sur les cotés (fig. 3,7, 8 et 9) ou vers le bas (fig. 2 et 6) Ces différentes orientations présentent plus ou moins d'avantages concernant l'encombrement et la forme du moteur, la cinématique du piston, les positionnements relatifs des cylindres et des vilebrequins... Mécanisme de transmission entre les deux vilebrequins (fig. 10 à 17) La transmission entre les deux vilebrequins est assurée par un train d'engrenages, de chaînes, de courroies crantées... Le rapport de transmission de +/-2 : 1 (en moyenne) entre les vilebrequins, peut être"hétérocinétique"ou fluctuant (autour de +/-2 : 1 en moyenne sur un tour de vilebrequin lent), en employant des roues à périmètres primitifs non circulaires ou en excentrant les roues d'engrenages, de chaînes ou de courroies. C'est pour optimiser la cinématique du moteur, que les courbes primitives (courbe théorique où a lieu le roulement sans glissement entre deux roues qui engrènent ou une roue et une chaîne) des roues de vilebrequin, pignons intermédiaires ne sont pas forcément circulaires ou sont excentrées. Mécanisme de déphasage des vilebrequins entre eux (fig. 15 à 17) Le mécanisme de transmission entre les deux vilebrequins peut comporter un dispositif de déphasage d'un vilebrequin par rapport à l'autre. Ce dispositif de déphasage, pour des vilebrequins tournant en sens contraire, peut être de type"4 barres" (c'est un quadrilatère ayant pour sommet les pivots des 4 roues ou pignons) (fig. 15), c'est à dire qu'il est composé de : * Une roue dite lente (25), rigidement liée au vilebrequin lent * Une roue dite rapide (35), rigidement liée au vilebrequin rapide * Un premier pignon intermédiaire mobile (66) qui engrène sur la roue lente * Un second pignon intermédiaire mobile (66) qui engrène sur la roue rapide et le premier pignon intermédiaire * Une barre dite lente (28) maintien constant l'entraxe roue lente/premier pignon intermédiaire . Une barre dite rapide (38) maintien constant l'entraxe roue rapide/second pignon intermédiaire Une barre dite folle (78) maintien constant l'entraxe entre les deux pignons intermédiaires Ces trois barres, avec l'entraxe des vilebrequins forment le "4 barres", dont la forme est maintenue pour assurer un déphasage constant. Le déphasage entre les vilebrequins varie en modifiant la position de l'une de ces trois barres (au moyen d'un actionneur ou vérin rotatif ou linéaire...). La figure 14 concerne ce même dispositif de déphasage"4 barres"avec deux vilebrequins tournant à la même vitesse. Ce dispositif est applicable pour obtenir un taux de compression variable des moteurs actuels. Ce dispositif de déphasage entre deux vilebrequins tournant dans le même sens, peut être constitué plus simplement de (fig. 16) : Une roue dite lente (25), rigidement liée au vilebrequin lent Une roue dite rapide (35), rigidement liée au vilebrequin rapide Un unique pignon intermédiaire mobile (66) qui engrène sur la roue lente, et qui assure donc la transmission entre les deux vilebrequins. C'est le déplacement vertical, par rapport au bâti, de l'axe du pignon intermédiaire mobile (66), qui permet le déphasage entre les deux vilebrequins. Ce dispositif de déphasage entre deux vilebrequins tournant dans le même sens au moyen d'une transmission par chaîne ou courroie, peut aussi être constitué de (fig. 17) : Une roue dite lente (25), rigidement liée au vilebrequin lent * Une roue dite rapide (35), rigidement liée au vilebrequin rapide * Deux pignons intermédiaires mobiles (66), pivotant chacun sur un équipage mobile (77) * Une chaîne ou courroie de transmission (60) qui engrène sur la roue rapide, la roue lente et sur les deux pignons intermédiaires mobiles. C'est le déplacement vertical, par rapport au bâti, de l'équipage mobile (77), qui, par l'intermédiaire de la chaîne, permet le déphasage entre les deux vilebrequins. Conséquences du déphasage sur le taux de compression Le déphasage d'un vilebrequin par rapport à l'autre entraîne une modification de la trajectoire du noeud des bielles (59). En conséquence, la hauteur du point mort haut du piston en fin de compression varie, modifiant ainsi le taux de compression (le retard ou l'avance du point mort haut étant faible, le fonctionnement des soupapes n'a pas besoin d'être modifié). Pour un fonctionnement optimal du moteur dans tout son domaine, le déphasage est modifié (piloté) en temps réel. Cas particulier d'atrophie du vilebrequin rapide (fig. 4) Un cas particulier d'architecture du moteur selon l'invention est lorsque l'excentration des manetons du vilebrequin rapide est nulle. C'est à dire que le vilebrequin rapide disparaît et donc pour chaque piston, la bielle rapide pivote sur le châssis (en son extrémité opposée au noeud des bielles). L'avantage est de supprimer un vilebrequin, mais le mécanisme perd en efficacité (car la course du piston devient petite devant l'encombrement des embiellages), en fluidité et on ne peut plus modifier le taux de compression. Equilibrage et dynamique de la cinématique pour un piston La fig. 20 démontre que le mécanisme du moteur selon l'invention a un mouvement fluide. En effet, les accélérations du noeud des bielles et du piston sont de l'ordre de l'accélération d'un piston de moteur classique ayant la même course de détente- échappement. Equilibrage du moteur Comme pour un moteur classique, l'embiellage relatif à un piston n'est pas équilibré. L'équilibrage statique est amélioré en associant plusieurs pistons et embiellages déphasés sur les vilebrequins (bi-cylindres, trois cylindres, quatre cylindres...) Le moteur selon l'invention est correctement équilibré à partir de trois cylindres et bien équilibré à partir de cinq cylindres. Pour parfaire l'équilibrage statique et dynamique, le moteur selon l'invention peut comporter un ou plusieurs systèmes ou arbres d'équilibrage. Suralimentation La compression partielle du fluide puis son refroidissement avant l'admission puis compression par le piston améliorent le rendement thermodynamique global de compression. Une pression de suralimentation variable est possible pour le moteur selon l'invention grâce à la variation du taux de compression (pour diesel et essence). Ainsi, une forte pression de suralimentation suivie d'un refroidissement efficace et un faible taux de compression augmentent considérablement le rendement thermodynamique global de compression et le volume de gaz admis, c'est à dire l'énergie disponible par cycle (donc le couple du moteur). La course de détente allongée, caractéristique du moteur selon l'invention permet de récupérer davantage de travail à la détente. Le rendement thermodynamique à la détente est alors aussi augmenté. Le dispositif de suralimentation peut-être un turbocompresseur, un compresseur volumétrique... Différenciation des points morts haut (fig. 21) Sur un moteur classique, le point mort haut est unique. Sur le moteur selon l'invention, il y a un point mort haut de compression-détente (explosion) et un point mort haut de échappement-admission (balayage). La hauteur de ces deux points peut-être choisie indépendamment pour à la fois assurer un taux de compression (ou une plage de taux de compression) voulu (e) (86) et donner un espace de fonctionnement suffisant aux soupapes (88), pour permettre une bonne fin d'échappement, un bon début d'admission et éventuellement un bon balayage. Selon des modes particuliers de réalisation ou d'utilisation, la même réalisation d'ensemble de mon invention et ses dérivés peut fonctionner comme compresseur ou moteur, à air comprimé ou différents fluides. Nomenclature du moteur selon l'invention et des figures NO Désignation des pièces et/ou groupe cinématique ou courbes Pour le châssis (culasse, bloc moteur, carter) 10 Cylindre de piston 11 Bloc moteur Pour les éléments lents 20 Vilebrequin lent 22 Bielle lente 23 Pivot entre vilebrequin lent et bielle lente ou maneton lent 25 Roue de vilebrequin lent ou roue lente 28 Barre de vilebrequin lent ou barre lente 29 Trajectoire d'un maneton de vilebrequin lent Pour les éléments rapides 30 Vilebrequin rapide 32 Bielle rapide 33 Pivot entre vilebrequin rapide et bielle rapide ou maneton rapide 35 Roue de vilebrequin rapide ou roue rapide 38 Barre de vilebrequin rapide ou barre rapide 39 Trajectoire d'un maneton de vilebrequin rapide Pour les éléments relatif au piston 40 Piston 42 Bielle centrale 43 Pivot entre piston et bielle centrale 39 Trajectoire du pivot du piston Pour le noeud des bielles 53 Pivot entre les 3 bielles ou noeud des bielles 59 Trajectoire du noeud des bielles Pour les éléments de transmission 60 Chaîne ou courroie de transmission 65 Pignon intermédiaire fixe 66 Pignon intermédiaire mobile Pour les barres et équipage mobile 77 Equipage mobile 78 Barre folle Pour les diagrammes : Courbe Y : t fonction de X :-+ 81 t Hauteur du piston dans le cylindre angle d'un vilebrequin 82 Idem 81, pour un moteur classique 83 t Accélération du noeud des bielles angle d'un vilebrequin 84 t Accélération du pivot du piston angle d'un vilebrequin 85 Idem 84, pour un moteur classique 86 t Hauteur du point mort haut de compression déphasage. (Illustration du taux de compression variable) 87 Plafond représentant la culasse (limite de fond de chambre) 88 Espace suffisant pour assurer le mouvement des soupapes à la fin de l'échappement et en début d'admission (balayage) REVENDICATIONS 1) Achitecture cinématique pour moteur thermique 4 temps classique à pistons à combustion interne, caractérisé en ce que : 'Elle est composée de deux vilebrequins d'axes de rotation parallèles à un axe Z : Un vilebrequin dit lent (20), et un vilebrequin dit rapide (30), tournant deux fois plus vite (en moyenne, sur un tour de vilebrequin lent, dans le même sens ou en sens contraire), grâce à un mécanisme de transmission. * Chaque piston (40) est lié par pivot (d'axe parallèle à Z) à une bielle dite centrale (42) à une extrémité. * Pour chaque piston, une bielle dite lente (22), pivote (selon un axe parallèle à Z) à une extrémité, sur un maneton du vilebrequin lent * Pour chaque piston, une bielle dite rapide (32), pivote (selon un axe parallèle à Z) à une extrémité, sur un maneton du vilebrequin rapide * Pour chaque piston, les trois bielles correspondantes (22,32 et 42) s'articulent en leur autre extrémité, au noeud des bielles, par un ou deux pivots (d'axe parallèle à Z). 2) Architecture cinématique, selon la revendication 1) caractérisée en ce que le mécanisme de transmission entre les deux vilebrequins comporte des trains d'engrenages avec des roues pas forcément circulaires et/ou excentrées. 3) Architecture cinématique, selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le mécanisme de transmission entre les deux vilebrequins comporte un dispositif de déphasage d'un vilebrequin par rapport à l'autre. 4) Architecture selon la revendication 3), caractérisée en ce que le dispositif de déphasage d'un vilebrequin par rapport à l'autre est de type"4 barres", c'est à dire : qu'il se compose d'au moins : * Une roue dite lente (25), rigidement liée au vilebrequin lent * Une roue dite rapide (35), rigidement liée au vilebrequin rapide * Un premier pignon intermédiaire mobile (66) qui engrène sur la roue lente * Un second pignon intermédiaire mobile (66) qui engrène sur la roue rapide et le premier pignon intermédiaire * Une barre dite lente (28) maintien constant l'entraxe roue lente/premier pignon intermédiaire * Une barre dite rapide (38) maintien constant l'entraxe roue rapide/second pignon intermédiaire * Une barre dite folle (78) maintien constant l'entraxe entre les deux pignons intermédiaires * Ces trois barres, avec l'entraxe des vilebrequins définissent le"4 barres", dont la forme est maintenue pour assurer un déphasage constant. * Le déphasage entre les vilebrequins varie en modifiant la position de l'une de ces trois barres (par exemple avec un actionneur). 5) Architecture cinématique, selon la revendication 1) caractérisé en ce que l'excentration des manetons du vilebrequin rapide est nulle. C'est à dire que le vilebrequin rapide disparaît et donc pour chaque piston, la bielle rapide pivote sur le châssis (en son extrémité opposée au noeud des bielles). 6) Architecture cinématique, selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comporte en plus un ou plusieurs systèmes d'équilibrage. 7) Architecture cinématique, selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comporte en plus un dispositif de suralimentation et/ou compound.