Brevet FR2921111A1 — publié le 20090320

Dispositif mécanique améliorant le rendement énergétique dans les mécanismes de transformation du mouvement rectiligne alternatif en mouvement rotatif et inversement s'appliquant aux moteurs ou machines thermiques, pneumatiques, hydrauliques ou à des composants mécaniques. La présente invention fait suite au brevet N°0401293 du 10 février 2004 qui concerne un mécanisme adapté à un moteur comportant un boîtier solidaire par deux bras de deux pistons opposés, translatant horizontalement dans un carter selon un axe linéaire croisant l'arbre moteur d'un vilebrequin dont le maneton excentré est entrai né par deux biellettes extensives juxtaposées et articulées en opposition sur deux paliers respectifs disposés sur le boîtier de part et d'autre de l'axe de translation, lesquelles entraînent le maneton du vilebrequin et l'arbre moteur après un verrouillage alterné de la biellette travaillant en traction à chaque demi-circonvolution. L'invention présentée reprend l'ensemble de la structure présentée ci-dessus en modifiant le mode d'extension des biellettes par l'adjonction de compas s'articulant sur elles et sur les paliers du boîtier précité complété par un procédé de verrouillage continu reposant sur des mécanismes articulés favorable au bon fonctionnement de l'ensemble du mécanisme. Le dispositif est caractérisé par deux paliers traversés par les deux axes d'articulation haut et bas des compas lesquels se situent à l'intersection de l'axe oblique qui les joint avec deux axes horizontaux parallèles à l'axe de translation disposés de part et d'autre de celui-ci a une distance égale au rayon de giration du vilebrequin. L'inclinaison de l'axe oblique est déterminée par le positionnement de la biellette basse en position repliée avec son compas qui se trouve en alignement longitudinal avec le vilebrequin, constituant le point mort au départ d'une première translation, dont la position angulaire de celui-ci se situe à environ trente degrés en amont de l'axe de translation. Ainsi défini les éléments vilebrequin, boîtier central, biellettes et compas, manoeuvrant par la conjugaison des mouvements de translation alternatifs et de rotation continue se développe selon un parallélogramme à trois côtés non stabilisé et selon une géométrie où l'une des biellettes est alternativement parallèle à l'axe oblique précité joignant les axes de pivotement des compas sur le boîtier. Ainsi le déploiement des lignes de force actives aboutissant au maneton s'exerce dès le point mort et accentue favorablement le couple du vilebrequin sur un quart de sa demi-rotation par rapport à celle du mécanisme conventionnel. La présente invention se caractérise par l'adjonction d'un verrouillage permanent pour stabiliser l'ensemble mécanique défini ci-dessus. Ainsi les deux compas haut et bas comportent une structure élargie et solidaire dans la zone d'articulation avec leur biellette respective et une structure allongée au-delà de l'axe de pivotement sur les flans du boîtier pour constituer chacun un palonnier par deux alésages de pivotement alignés et équidistant de celui du boîtier selon un angle décalé avec l'axe longitudinal du compas. Ainsi les deux ensembles compas-palonnier pivotant en symétrie sur le boîtier central sont liaisonnés par deux bras articulés sur les alésages précités, constituent un parallélogramme fermé qui solidaire de leur compas et biellettes respectifs entraînant le vilebrequin, assurent un verrouillage permanent qui sécurise totalement le mécanisme en mouvement. Le dispositif selon l'invention se caractérise par un fonctionnement selon une translation verticale dont la conception est réalisée par deux ensembles juxtaposés et assemblés à un vilebrequin à double manetons décalés de cent quatre vingt degrés animé en rotation par deux boîtiers respectifs solidaire chacun d'un piston par un bras et guidés en extrémité opposée par un deuxième bras, solidaire du carter qui coulisse dans le boîtier selon la précédente cinématique horizontale. Ainsi les deux ensembles boîtier, biellettes-compas fonctionnent simultanément selon une translation verticale inversée dont le verrouillage est assuré par les manetons du double vilebrequin monobloc. La cinématique du présent dispositif a l'avantage de provoquer un allongement de la course de détente d'environ cinquante pour cent. Selon l'invention appliquée à un moteur thermique le dispositif se caractérise par la mise en place dans le cylindre de combustion, en fin de course de détente, de lumières d'échappement qui coordonnées au soufflage d'une soupape en tête de cylindre permet de réaliser un cycle en quatre temps par tour de vilebrequin et par cylindre tout en maintenant des performances de compression supérieure au moteur conventionnel, au bénéfice d'un rendement énergétique qui s'ajoute à celui déjà réalisé. La présente invention sera mieux comprise par la description ci-après faite en référence aux dessins annexés. Bien entendu la description et les dessins ne sont donnés qu'à titre d'exemple non limitatif. La figure 1 représente l'étude vectorielle qui permet d'établir les valeurs de couple sur différents secteurs angulaires du vilebrequin pour une demi-circonvolution de celui-ci selon l'innovation. La figure 2 représente l'étude vectorielle d'une demi circonvolution du vilebrequin selon le procédé conventionnel. La figure 3 représente les courbes graphiques qui comparent les résultats des deux études précédentes. La figure 4 représente un dessin d'ensemble du dispositif mécanique selon le procédé par translation horizontale. La figure 5 représente un dessin d'ensemble du dispositif mécanique selon le procédé par translation verticale. La figure 1 représente la cinématique de l'ensemble du mécanisme symbolisé par des vecteurs animés. L'axe X'-X représente la ligne de translation du dispositif sur lequel s'inscrit le centre de giration de l'arbre moteur du vilebrequin G à l'intersection de l'axe vertical Y'-Y 5 10 15 20 25 30 35 passant par le centre du carter. A partir de G s'inscrit la circonvolution du maneton du vilebrequin qui croise l'axe vertical Y'- Y selon deux points ou passent deux parallèles P1-P et P1'-P' équidistante de l'axe de translation X'-X sur lesquelles se positionnent les paliers P et P' du boîtier. Le cercle de circonvolution du vilebrequin est sectorisé sur une demi-circonvolution selon les chiffres de 0 à 7 et 0' dont les positions 0 et 0' représentent les deux points morts symétriques situés à 30° environ en amont de l'axe de translation X'-X en rotation selon la flèche F1. A ces différentes positions du maneton de vilebrequin s'articulant avec les deux biellettes10-10' correspond une numérotation encerclée en clair indiquant les liaisons articulées des biellettes avec leur compas lesquels s'articulent sur leur palier respectif du boîtier aux points P ou P' dont le positionnement est numéroté par des chiffres encerclés en double traits alignés sur les axes P1-P et P1'-P'. A partir d'une valeur de force de poussée arbitraire F2 orientée sur l'axe X'-X, il suffit de transposer les valeurs résultantes sur les compas et biellettes pour les appliquer aux moment M1 à M7 correspondante aux positions du vilebrequin pour connaître à chacune d'elle le couple résultant, sans omettre de convertir la valeur de poussée de F2 qui diminue en translation par la décompression du piston. II est à noter que les valeurs résultantes de F2 se répartissent différemment sur les paliers P' et P selon la position de l'axe de poussée des pistons en F2 ou F2'. La figure 2 représente la cinématique de l'ensemble mécanique conventionnel représenté par une bielle issue du piston qui va entraîné le maneton du vilebrequin. Les lignes de force sont orientées sur les bielles à partir de la poussée axiale vers l'arbre moteur selon une valeur dégressive du piston à partir de F2, lesquelles rencontrent les moments M1 à M7 projetés sur l'arbre moteur permettant l'addition des couples résultants, selon le même rayon de vilebrequin et la même sectorisation que celle du mécanisme selon l'invention. L'abaque selon la figure 3 comporte une abscisse horizontale X'-X sur laquelle sont portés les 8 secteurs développés de la circonvolution du vilebrequin valable pour les deux mécanismes, et l'ordonnée verticale Y'-Y qui comporte une graduation des valeurs qui permet d'établir la courbe de chaque modèle à partir des points portés sur les verticales des secteurs numéroté de 0 à 7 et 0'. En suivant les tableaux des figures 1 et 2, il suffit de comparer les aires engendrées par chaque courbe pour établir les valeurs de travail dans une translation. Ainsi comparé le rendement du mécanisme selon l'invention a un rendement supérieur de 80% entraînant une économie de 44,6% de carburant. La figure 4 représente le dispositif mécanique selon l'invention dans un fonctionnement horizontal à deux pistons opposés qui comprend un carter 1 avec deux chambres de combustion cylindriques 2 et 2' fermé par deux culasses 3 et 3' destinées à recevoir les soupapes et le système d'allumage non représentés. Les deux cylindres 2 et 2' reçoivent les 10 15 20 25 30 35 deux pistons respectifs d'entraînement 4 et 4' reliés solidairement de part et d'autre d'un boîtier central évidé 5 par deux bras respectifs 6 et 6' articulés à l'intérieur des pistons par les axes 7-7'. Le boîtier central 5 comporte deux paliers 8 et 8' situés sur un axe oblique P'-P traversant en A l'axe de translation X'-X sur lesquels s'articulent deux compas 9 et 9' en liaison articulée avec deux biellettes 10 et 10' par les axes 11 et 11', lesquelles entraînent le maneton 12 du vilebrequin 13 qui transmet le couple de travail à l'arbre moteur 14 Les cylindres de combustion 2 et 2' comportent en fin de course des pistons des lumières périphériques 15 implantés soit pour l'échappement des gaz de combustion par soufflage d'une soupape en tête de culasse sans nuire à la détente puisque selon la cinématique du mécanisme, la course de translation est de 1,47 fois le diamètre de circonvolution du vilebrequin. Le montage est proposé avec un désaxage des translations des pistons 4 et 4' disposés de part et d'autre de celui X'-X du boîtier central 5 ce qui favorise la rotation des compas 9 et 9' et assure une plus grande stabilité du mécanisme dans le carter. Les compas 9 et 9' ont d'une part une structure élargie 16 et 16' pour l'implantation d'un alésage respectif 17 et 17' et d'autre part une structure allongée opposée 18 et 18' comportant un alésage 19 et 19' alignés et équidistant des paliers 8 et 8' du boîtier 5 pour former deux palonniers 23 et 23'symétriques en liaison articulée par deux bras 20 et 20' assurant un guidage et un verrouillage permanent aux ensembles compas-biellettes en cour de mouvement. La lubrification du mécanisme peut s'envisager par une rampe perforée 21 disposée en partie supérieure du carter pour un arrosage d'huile sur l'ensemble articulé selon un circuit en boucle à partir du réservoir d'huile 22. La figure 5 représente le dispositif mécanique selon l'invention dans un fonctionnement vertical à deux pistons haut en ligne qui comprend un carter 1 b comportant deux chambres de combustion cylindriques juxtaposées 2b et 2b' munie d'une culasse 3b et 3b'. Les deux cylindres 2b et 2b' reçoivent deux pistons 4b et 4b' reliés chacun à un boîtier respectif 5b et 5b' par un bras 6b et 6b' articulés à l'intérieur de leur piston par un axe 7b et 7b'. Les deux boîtiers 5b ou 5b' évidés comme précédemment pour le passage de l'axe d'entraînement du maneton se trouvent en position inversée verticalement et en alternance, ils comportent un seul palier 8b ou 8b' alignés en verticale. Et positionné selon l'axe oblique traversant l'axe de translation X'X sur lesquels s'articule un compas respectif 9b ou 9b' raccordé chacun à une biellette 10b ou 10b' par les axes 11 b ou 11 b', chacune d'elle entraînent son maneton 12b ou 12b' d'un vilebrequin double 13b lesquelles sont décalés de 180° et reliés par des bras 15b et 15b' à l'arbre moteur 14b. Selon ce mode de fonctionnement le verrouillage des deux ensembles boîtier, compas-biellettes est assuré par le vilebrequin 13b qui les solidarise dans leur mouvement inversé. Le guidage en translation à la sortie de chaque boîtier 5b ou 5b' est assuré par un bras respectif 22b ou 22b' solidaire du carter 1 b qui coulisse à travers et à l'intérieur de leur boîtier réduisant ainsi l'encombrement global du mécanisme. 10 15 20 25 30 REVENDICATIONS 1) Dispositif mécanique s'appliquant au moteur thermique constitué d'un carter 1 comportant deux cylindres de combustion opposés 2 et 2' recevant deux pistons 7 et 7' coulissant selon une translation linéaire horizontale alternée, reliés solidairement à un boîtier central 5 par deux bras 6 et 6', caractérisé par l'entraînement du vilebrequin central 13 par deux biellettes juxtaposées 10 et 10' pivotantes sur le maneton 12, articulées en opposition sur deux compas 9 et 9' par deux axes 11 et 11' lesquels pivotent sur deux paliers 8 et 8' du boîtier 5 situés de part et d'autre de l'axe de translation X'X à une distance égale au rayon de giration du vilebrequin. 2) Dispositif mécanique selon la revendication 1 caractérisé par l'orientation inclinée des pivots de compas 8 et 8' sur le boîtier 5 par rapport à l'axe vertical Y'Y qui détermine les longueurs d'entraxes relatives entre les compas 9'-9 les biellettes 10-10' et le rayon de giration du vilebrequin 13, quand se produit l'alignement axial de ces trois éléments au passage du point mort haut, situé sur le point 0 à environ trente degrés en amont de l'axe de translation X'X, selon une rotation du vilebrequin suivant F1. 3) Dispositif mécanique selon les revendications 1 et 2 caractérisé par le verrouillage continu des deux ensembles compas-biellettes associés au mouvement du vilebrequin 13 par la structure d'un parallélogramme articulé constitué de deux palonniers 23 et 23' solidaires des compas 9 et 9' et réunis par deux bras articulés 20 qui ferme la cinématique de l'ensemble. 4) Dispositif mécanique selon les revendications 1 et 2 caractérisé par une translation verticale selon deux pistons 4b et 4b' juxtaposés dans le carter 1 b reliés chacun solidairement à deux boîtiers respectifs 5b et 5b' translatant simultanément selon une trajectoire inversée entraînant un vilebrequin 13b à double manetons 12b et 12b' juxtaposés et décalés de cent quatre vingt degrés, par le relais d'un seul ensemble compas-biellette 10b-9b et 10b'-9b' propre à chaque boîtier dont le verrouillage continu est assuré par le seul vilebrequin 13b. 5) Dispositif mécanique adapté au moteur thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à4 caractérisé par une cinématique provoquant l'allongement d'une fois et demi la course de détente des pistons 4 et 4' qui permet de ménager en fin de course des lumières 15 sur les cylindres de combustion destinés soit à l'échappement direct des gaz brûlés par soufflage provenant d'une soupape en tête de cylindre, permettant l'accomplissement des quatre temps en une seule circonvolution du vilebrequin au bénéfice d'un rendement supplémentaire.