Brevet FR2866065A1 — publié le 20050812

La présente invention concerne les moteurs à combustion interne dits à explosion, à piston, quel que soit le carburant utilisé, qu'ils exploitent les cycles à 4 temps de Beau de Rochas, de Diesel, de Stirling ou Ericsson. Ces moteurs présentent des défauts: Le cycle des 4 temps (admission, compression, détente, échappement) lorsqu'il est réalisé 5 dans une seule chambre (dite de combustion) nécessite 2 tours de la partie rotative généralement du type vilebrequin. L'allumage doit intervenir légèrement avant le passage du piston au point dit point mort haut , impliquant une perte d'énergie que certains experts estiment entre 15 et 30%. La force de détente des gaz (qu'ils soient déflagrants ou détonants) n'engendre pas le meilleur couple car elle ne bénéficie d'un bras de levier qu'après une rotation partielle. Pour accroître la puissance, la vitesse est augmentée. Par suite, les durées de détente et d'échappement sont brèves ne laissant que peu de temps à une combustion vraiment complète et à une évacuation totale des gaz brûlés. En fin d'échappement le volume résiduel n'est pas nul, il est égal au volume des gaz neufs compressés. L'invention apporte des solutions à ces états de fait: à puissance équivalente le moteur devrait tourner 2 fois moins vite, avoir un meilleur couple instantané, être moins polluant et bruyant voire plus économe et permettre l'utilisation de carburant à moindre vitesse de réaction chimique. Ces améliorations sont désormais possibles grâce à l'apport des nouvelles techniques et technologies maîtrisées telles que: admission d'air frais compressé à plusieurs atmosphères (plusieurs bars), injection directe et répartie de carburant atomisé en fines gouttelettes , gestion électronique de l'avance à l'allumage, lubrification pulvérisée et ciblée, dimensionnement, formes et états de surface des conduits d'admission et d'échappement (permettant désormais un remplissage atmosphérique en 2 millisecondes environ), tête et pied de bielle à rouleaux ou aiguilles, métallurgie du titane, usinage précis des matières réfractaires (céramiques, tantale, nobium etc...). Pour simplifier les explications on suppose le cylindre vertical, culasse en haut, vilebrequin en bas. On introduit 8 sigles: 5 conventionnels, 3 spécifiques: AA: avance à l'allumage: mesurée par rapport au PMH: la fin de compression. AOA: avance ouverture admission. PMH: point mort haut. RFE: retard fermeture échappement. EFC: élongation en fin de compression. EFA: élongation en fin d'admission EFE: élongation en fin d'échappement. Le premier dispositif consiste à soumettre durant 1 seul tour de vilebrequin, la chambre de combustion à une double variation de volume: la l ère variation bien connue est liée aux mouvements alternatifs du piston. - la 2ème variation (synchrone de la 1ère et la modifiant) intervenant près de la position angulaire du PMH, consiste à : - tendre vers l'annulation du volume avant que le piston atteigne le PMH: constituant 5 ainsi la fin d'échappement en un point désigné par EFE. - accroître brutalement le volume jusqu'au point nommé EFA en réalisant ainsi le temps d'admission. Cet accroissement doit être supérieur et plus rapide que la diminution liée à l'ultime ascension du piston. Le volume d'admission est ici proportionnel à la distance EFE EFA, la quantité de gaz frais est sensiblement le produit de ce volume par la pression d'admission (laquelle peut être surpressée). diminuer brutalement le volume jusqu'au point nommé EFC (l'altitude de EFC peut être choisie: supérieure, égale ou inférieure à celle de EFE) en constituant ainsi le temps de compression. Cette diminution doit être plus rapide que l'accroissement généré par le début de descente du piston. Cette diminution n'est pas totale, elle laisse un volume résiduel choisi en fonction du taux de compression désiré. ensuite la détente et l'échappement des gaz s'effectuent de façon classique mais avec des délais relativement importants favorisant ainsi l'accomplissement des fonctions. Délais durant lesquels le mécanisme assurant la 2 e variation prépare le cycle suivant en ralliant EFE. La longue durée de ces 2 temps actifs sera mise à profit avantageusement pour utiliser des carburants dont la vitesse de réaction est faible. La figure 1 permet d'expliciter les mouvements d'un cycle en 8 schémas comparatifs se référant au trait mixte symbolisant le niveau PMH, les soupapes sont notées: A et E. Le schéma: a correspond à la fin d'échappement (EFE), le schéma: b l'admission en cours, le: c à la fin d'admission (EFA), d: la compression en cours, e: la fin de compression (EFC), f: la détente en cours, g: la fin de détente, h: l'échappement en cours. On observe sur un tel cycle: que la 2ême variation de volume nécessite que de faibles écarts d'élongations (écarts d'autant plus faibles que la pression d'admission est forte), que le début de la détente intervient alors que l'embiellage présente déjà aux forces propulsives: un bras de levier et que les retards et avances à l'admission et l'échappement peuvent être positionnés comme sur un moteur classique. On peut même croiser RFE et AOA de façon à procéder à un bref rinçage de la chambre par les gaz neufs. Cette 2ème variation de volume de la chambre de combustion peut être réalisée selon plusieurs architectures dont les mécanismes mettront à profit préférentiellement les forces naturelles en présence (centrifuges, poussée, traction, inertie) et leurs résultantes, conjuguées judicieusement avec l'aspiration dûe à l'échappement et la poussée initiée par l'admission surpressée. Autant que possible, les mécanismes de commande n'agiront que durant les phases d'admission et de compression en laissant les gros efforts de détente à l'embiellage, l'effort majorant auquel ils sont éventuellement soumis est relatif à la compression. L'ensemble répond aux caractéristiques requises dont: passages obligés aux élongations EFE, EFA, EFC, vitesses, accélérations, tenue aux contraintes mécaniques et thermiques, etc... Cet ensemble peut être édifié : Soit par un mécanisme supérieur constitué comme une culasse mobile sous la forme d'un piston inversé doté de segments, soupapes, bougie (s). Cette culasse ( dont la Fig:2 schématise une des réalisations possibles) est mûe par une came synchrone du vilebrequin. Elle est dotée de moyens présentant une longueur variable dont: - Les conduits d'admission et d'échappement font appel à des matériaux réfractaires constituant des tubes concentriques coulissant l'un dans l'autre. - La (les) bougie (s) fait (font) appel à des contacts glissants. - Les soupapes comportent un verrouillage en position ouverte activé par un ter bossage de came, la fermeture est provoquée par un ressort de rappel dès le déverrouillage par un 2ème bossage. Soit un mécanisme où la culasse et la partie entraînée sont classiques mais c'est le haut du cylindre qui comporte des ouïes au travers desquelles pénètrent radialement des éléments convergeant dans la chambre pour en faire varier le volume toujours de façon synchrone au vilebrequin comme un exemple est donné Fig:3. Soit un mécanisme où la culasse et le cylindre sont classiques et c'est le piston dont la distance de la face supérieure (tête de piston) à l'axe du pied de bielle qui varie sous l'impulsion par exemple (Fig:4) de ressorts dont le tarage est supérieur aux efforts de compression et d'un mécanisme additionnel de commande. Ce mécanisme asservit la position de la tête de piston par des cames solidaires des contrepoids du maneton. Soit culasse et cylindre sont classiques et c'est l'embiellage qui est à géométrie variable. Parmi toutes les techniques possibles: la bielle dont le corps est constitué d'un ensemble télescopique de 2 tubes concentriques coulissants à l'intérieur desquels un puissant ressort (dont le tarage est supérieur aux efforts de compression) pousse le piston. Un mécanisme de commande analogue au précédent (fig:4) asservit la position de la tête du piston durant les phases d'admission et de compression grâce à des cames solidaires des contrepoids du maneton, comme illustré Fig:5. Soit modifier la partie inférieure (sous la tête de piston) de façon à ce que 1 cycle complet des 4 temps du piston génère 1 tour de l'ensemble rotatif, comme illustré Fig: 6 où la rampe du volant propulsé peut accueillir plusieurs cylindres décalés. Compte tenu des faibles écarts d'élongation nécessités par la 2ème variation, d'autres techniques permettent cet asservissement . Certaines basées sur l'exploitation des forces naturelles conjuguées aux aspiration d'échappement et poussée d'admission (évoquées ci-dessus) seront privilégiées lorsque notamment le moteur tourne à régime stable (le pilotage n'intervenant que durant la montée en vitesse), citons: la bielle dont le corps est articulé dotée d'une butée pour la détente, mais surtout une technique aux modélisation et expérimentation délicates mais intéressante. Cette dernière intervient aux articulations et fait appel à des excentriques originaux car guidés et/ou pilotés. Ces excentriques, qu'ils soient massifs (selon l'illustration Fig:7) ou à rouleaux de diamètres décroissants (convenablement espacés si nécessaire par une grille de maintien) sont: - guidés par une répartition différenciée des masses élémentaires, répartition éventuellement asymétrique: l'excentrique massif comportera des zones creuses (notées: C), pleines (P), lestées (L) avec des matériaux à forte masse volumique genre INERMET, l'excentrique à rouleaux comportera des rouleaux creux, pleins, lestés. - pilotés par des axes traversant (par exemple en prolongation d'un des gros rouleaux). Les extrémités de ces axes sont manoeuvrées par un mécanisme de commande. Ainsi par exemple, de tels excentriques montés à la fois sur les 2 paliers de la chape du piston et sur le pied de bielle (un des gros rouleaux des 2 premiers constitue l'axe du dernier) confèrent la variation souhaitée. Le pilotage pouvant être le fait d'un mécanisme de commande exploitant par exemple l'inclinaison relative bielle-piston. Soit enfin une combinaison harmonieuse des techniques évoquées ci-dessus. Le 2ème dispositif (Fig:8) consiste à créer un couple plus fort dès le début de l'explosion, pour ce faire on désaligne l'axe du cylindre de l'axe du vilebrequin (ils ne sont alors plus: coplanaires), de sorte que le couple moteur naît dès l'apparition des forces propulsives car déjà un petit bras de levier est présent.. Ce décalage se positionne côté détente, ainsi le point EFC est ramené très près du point d'élongation maximum (PMH) permettant ainsi de faire supporter les efforts de compression à l'embiellage, quitte à nécessiter une plus grande amplitude pour atteindre EFE..Ce 2ème dispositif est associable au ler dont il accroît la plupart des effets (couple notamment), mais il est aussi applicable aux moteurs classiques qu'ils soient à 4 temps ou (dits) à 2 temps. -5 REVENDICATIONS 1) Moteurs à combustion interne dits à explosion, à piston, quels que soient le carburant et le cycle (Beau de Rochas, Diesel, etc) utilisés, caractérisés en ce que le cycle des 4 temps (admission, compression, détente, échappement) est réalisé dans une seule chambre (dite de combustion) en un seul tour de la partie rotative entraînée (Fig: 1 de a à h) 2) Moteurs à combustion interne selon la revendication 1 caractérisés en ce que la chambre de combustion subit durant un tour de la partie rotative entraînée, une double variation de volume celle induite par la translation alternative classique du piston et une deuxième originale (synchrone de la 1ère) agissant par de faibles écarts d'élongation, près de la position angulaire dite point mort haut créant ainsi les 4 temps. 3) Moteurs à combustion interne selon les revendications 1 et 2 caractérisés en ce que la 2ème variation de volume de la chambre de combustion, est réalisée grâce à diverses techniques intervenant au niveau supérieur par un 2PtRe piston inversé constituant une culasse mobile (Fig:2) 4) Moteurs à combustion interne selon les revendications 1 et 2 caractérisés en 15 ce que la et' variation de volume de la chambre de combustion, est réalisée en haut du cylindre par les mouvements radiaux d'éléments convergents (Fig:3) 5) Moteurs à combustion interne selon les revendications 1 et 2 caractérisés en ce que la 2e variation de volume de la chambre de combustion est réalisée au niveau du piston par variation de la distance séparant la tête de piston et l'axe du pied de bielle sous l'impulsion de ressorts asservis par un mécanisme de commande (Fig.: 4) 6) Moteurs à combustion interne selon les revendications 1 et 2 caractérisés en ce que la 2èQ1e variation de volume de la chambre de combustion est réalisée au niveau de l'embiellage dont la longueur est variable soit grâce à une bielle à ressort (Fig:5) soit par une bielle articulée, la longueur de la bielle est asservie par un mécanisme de commande. 7) Moteurs à combustion interne selon les revendications 1 et 2 caractérisés en ce que la 2ème variation de volume de la chambre de combustion est réalisée au niveau de la partie inférieure à la tête de piston ou l'ensemble rotatif comprend un volant dont la came est propulsée par le piston (Fig: 6) 8) Moteurs à combustion interne selon les revendications 1 et 2 caractérisés en ce que l'une des techniques de réalisation se place au niveau des articulations et fait appel à des excentriques massifs ou à rouleaux, originaux car guidés et/ou pilotés (Fig: 7), le guidage est le fait de l'application des forces mécaniques et celles issues de l'aspiration d'échappement et de la poussée d'admission sur des excentriques dont les - 6 masses des zones élémentaires sont différenciées (creuses, pleines, lestées) voire. asymétriques, le pilotage s'effectue par action du mécanisme de commande sur un axe traversant. 9) Moteurs à combustion interne dits à explosion quels que soient le carburant et le cycle (Beau de Rochas, Diesel, etc) utilisés, selon la revendication 1 caractérisés en ce que le couple instantané du moteur est accru par désalignement (coté détente) du cylindre par rapport au vilebrequin, leurs axes ne sont alors plus co-planaires (Fig:8)