Brevet FR2927122A1 — publié le 20090807

Cellule de motorisation comportant un arbre de transmission désaxé La présente invention concerne une cellule de motorisation comportant un arbre de transmission désaxé. Dans sa composition la plus simple, une cellule de motorisation comprend un piston unique guidé dans un cylindre. Une unité d'accouplement est prévue pour coupler ce piston à un arbre de transmission. Pour régulariser la rotation de l'arbre de transmission, celui-ci est couplé à un volant d'inertie. Il s'ensuit qu'une inversion du sens de rotation au niveau du point mort haut du piston est impossible. Une limitation connue de ce type de cellule tient à la perte de puissance motrice due essentiellement aux contraintes subies par les différents roulements à billes et au frottement du piston dans le cylindre. Ainsi, le document WO 03 / 087556 a proposé, dans un moteur, de désolidariser l'arbre de transmission de l'axe de rotation du volant d'inertie. L'unité d'accouplement comprend des moyens pour transmettre le mouvement du piston à l'arbre de transmission dans un seul sens, ce piston étant toujours relié au volant d'inertie par une bielle. Ce moteur est ainsi conçu que l'arbre de transmission et l'axe de rotation aient la même orientation autrement dit, qu'ils soient parallèles. Cette conception est contraignante car elle impose une disposition géométrique des divers composants du moteur. La présente invention a ainsi pour premier objet de réduire sensiblement les contraintes d'implantation des sous-ensembles d'une cellule de motorisation. Selon l'invention, une cellule de motorisation comprend un premier piston guidé dans un premier cylindre et comporte aussi une première unité d'accouplement pour coupler ce premier piston à un premier arbre de transmission, la première unité d'accouplement comprenant des moyens pour transmettre le mouvement du premier piston au premier arbre de transmission dans un seul sens, le premier piston étant relié à un volant d'inertie au moyen d'une bielle ; de plus, ce volant étant apte à tourner autour d'un axe de rotation, le premier arbre de transmission et l'axe de rotation sont orientés différemment. Ainsi, la seule contrainte géométrique qui subsiste est que l'axe de rotation soit inscrit dans un plan perpendiculaire à l'axe longitudinal du piston. Il convient également de remarquer que l'embiellage peut être ici dimensionné en considérant sa seule fonction qui est d'assurer le retour du piston. En effet, la puissance utile n'est pas transmise par cet embiellage. 2 Par ailleurs, dans les moteurs connus, le taux de compression qui conditionne directement le rendement thermodynamique est fixé par construction. Dans le cas d'un allumage provoqué au moyen d'une bougie, ce taux est relativement limité car il convient d'éviter l'auto-allumage si celui-ci se produit à contretemps. De plus, quel que soit le type d'allumage retenu, allumage provoqué ou auto-allumage, la commande de l'admission du mélange carburant-comburant dans les cylindres fait l'objet d'un compromis car il faut éviter que l'explosion ne survienne avant le passage du point mort haut. Un deuxième objet de la présente invention est d'améliorer les 10 possibilités de réglage de la cellule de motorisation. Selon l'invention, de plus, le premier cylindre étant obturé par une culasse, lorsque le premier piston est en butée du côté de cette culasse, la bielle présente un angle de limitation avec l'axe longitudinal de ce cylindre, de sorte que la rotation du volant n'excède pas un tour. 15 Avantageusement, la cellule de motorisation comportant également un deuxième piston guidé dans un deuxième cylindre et une deuxième unité d'accouplement de ce deuxième piston à un deuxième arbre de transmission, cette deuxième unité d'accouplement comprend des moyens pour transmettre le mouvement du deuxième piston au deuxième arbre de transmission dans un 20 seul sens. De préférence, les deux arbres de transmission sont confondus. A titre d'exemple, si le ou les axes de rotation du ou des volants d'inertie sont orientés à 90° par rapport à l'arbre de transmission, la cellule de motorisation présente une forme relativement plate, ce qui facilite son montage 25 en position frontale dans un véhicule. De plus, les opérations de maintenance sont grandement simplifiées. Suivant une première option, la cellule de motorisation comporte un organe de lancement débrayable assujetti au volant d'inertie. Suivant une seconde option, la cellule de motorisation comporte un 30 organe de lancement débrayable assujetti à l'un au moins des pistons. Selon une caractéristique additionnelle de la présente invention, la cellule de motorisation comporte un capteur de position de l'une des unités d'accouplement dès lors dénommée l'unité de référence. Ainsi, la cellule de motorisation comportant au moins une bougie 35 d'allumage, elle comprend un système pour commander cette bougie en fonction de la position de l'unité de référence. De même, la cellule de motorisation comportant au moins une soupape autonome, elle comprend un système pour commander cette soupape en fonction de la position de l'unité de référence. Suivant un mode de réalisation privilégié de l'invention, l'une au moins 5 des unités d'accouplement comporte une roue libre dentée pour assurer la transmission en sens unique. La présente invention apparaîtra maintenant avec plus de détails dans le cadre de la description qui suit d'exemples de réalisation donnés à titre illustratif en se référant aux figures annexées qui représentent : 10 - la figure 1, le schéma de principe d'une cellule de motorisation comportant un seul cylindre et un seul piston ; la figure 2, le schéma d'une cellule de motorisation du même type dont la bielle présente un angle de limitation avec l'axe longitudinal du cylindre, 15 -la figure 3, le schéma d'une cellule de motorisation comportant deux pistons chacun guidé dans un cylindre distinct, - la figure 4, le schéma d'une variante de la cellule de motorisation apparaissant sur la figure 3, et - la figure 5, le schéma d'un dispositif de gestion moteur associé à une 20 cellule de motorisation. En référence à la figure 1, une cellule de motorisation comporte un seul cylindre 101 obturé à une de ses extrémités par une culasse 102. Un piston 103 mobile dans le cylindre est prévu pour entraîner un arbre de transmission 104 par l'intermédiaire d'une unité d'accouplement. 25 Dans le cas présent, cette unité d'accouplement est composée d'une barre de couplage 105 qui est rigidement liée à l'extrémité du piston 103 opposée à celle qui est face à la culasse 102. Cette barre de couplage 105 disposée selon l'axe du cylindre 101 est munie sur son flanc supérieur d'une crémaillère 106 qui entraîne une roue libre dentée 107 solidaire de l'arbre de 30 transmission 104. Lorsque le piston 103 s'éloigne de la culasse 102, ce qui correspond notamment au temps moteur d'explosion, la barre de couplage 105 entraîne la roue libre 107 qui fait tourner l'arbre de transmission 104 dans le sens direct. Au contraire, lorsque le piston 103 se rapproche de la culasse 102, ce 35 qui correspond notamment au temps de compression, la barre de couplage 105 4 entraîne la roue libre 107 dans le sens rétrograde, si bien qu'elle tourne librement sans entraîner l'arbre de transmission 104. Dans le cas d'un moteur comportant un seul piston, qu'il s'agisse d'un moteur 2 temps ou d'un moteur 4 temps, il convient d'assurer le retour du piston 5 une fois qu'il a subi l'explosion. Ainsi, l'extrémité libre de la barre de couplage 105 est reliée à un volant d'inertie 108 centré sur un axe de rotation 110 au moyen d'une bielle 109. L'arbre de transmission 104 et l'axe de rotation 110 sont tous deux perpendiculaires à l'axe longitudinal du piston 103. Ils sont orientés 10 différemment, c'est-à-dire que leurs projections dans un plan orthogonal à cet axe longitudinal sont distinctes. Dans le cas présent, ces projections font un angle de 90°. L'embiellage est ici conçu de sorte que le volant 108 tourne en permanence dans le même sens tant que le moteur fonctionne. Dans ce cas, la 15 course du piston 103 est imposée par la géométrie de la bielle 109 et du volant 108. Dans certaines applications, il est par contre souhaitable de limiter le déplacement angulaire du volant 108. Ainsi, en référence à la figure 2, une autre cellule de motorisation 20 comporte encore un seul cylindre 201 obturé à une de ses extrémités par une culasse 202. Un piston 203 mobile dans le cylindre est prévu pour entraîner un arbre de transmission 204 par l'intermédiaire d'une unité d'accouplement. Ici aussi, cette unité d'accouplement est composée d'une barre de couplage 205 qui est rigidement liée à l'extrémité du piston 203. Cette barre de 25 couplage 205 disposée selon l'axe du cylindre 201 est toujours munie sur son flanc supérieur d'une crémaillère 206 qui entraîne une roue libre dentée 207 solidaire de l'arbre de transmission 204. L'extrémité libre de la barre de couplage 205 est reliée à un volant d'inertie 208 centré sur un axe de rotation 210 au moyen d'une bielle 209. 30 Ainsi, dans la position théorique (celle qui correspond à la figure) où le piston 203 est en butée contre la culasse 202, position qui n'est jamais atteinte lorsque le moteur fonctionne, l'axe de la bielle 209 présente un angle de limitation avec l'axe longitudinal du cylindre 201. Considérant un moteur 2 temps, la position du piston 203 correspondant 35 au début du temps d'explosion, ce piston va entraîner le volant 208 dans le sens direct jusqu'au point mort bas. Ensuite, le volant 208, mû par sa propre inertie, poursuit sa rotation pour s'arrêter au point où son énergie cinétique est totalement compensée par la compression du mélange dans le cylindre 201. Un nouveau temps d'explosion est alors initié qui va entraîner le volant 208 dans le sens rétrograde pour le ramener dans la position qu'il occupe sur la figure. On remarque qu'en fin de compression, le piston est soumis à une surcompression inertielle, d'autant plus importante que la vitesse de translation de la barre de couplage est élevée. Cette surcompression résulte de l'énergie cinétique de l'ensemble piston- barre de liaison- roue libre présentant une masse M. Elle dépend des conditions de fonctionnement. Par exemple, lorsque la cellule de motorisation équipe un véhicule automobile, lors du passage d'un rapport inférieur sur la boite de vitesse, le régime moteur augmente si bien que la surcompression s'accroît si les autres paramètres moteur sont inchangés. D'autre part, lorsque le taux de remplissage du cylindre est faible, notamment lorsque l'air se raréfie en altitude, le taux de compression d'une cellule de motorisation selon ce mode de réalisation s'établira à une valeur supérieure à celle atteinte par un moteur à vilebrequin. La cellule de motorisation peut également être suralimentée. En référence à la figure 3, la cellule de motorisation comporte un premier cylindre 310 et un deuxième cylindre 320 respectivement obturés par une première 312 et une deuxième 322 culasses. Ces cylindres 310, 320 sont coplanaires mais leurs axes longitudinaux sont distincts bien qu'ils soient parallèles. Un premier 313, respectivement un second 323, piston est agencé dans le premier 310, respectivement le second 320 cylindre. Les dispositifs d'allumage, d'admission et d'échappement sont volontairement omis car, connus par ailleurs, ils n'apportent rien à la compréhension de la présente invention. Le premier piston 313, celui du haut dans la figure, est pourvu d'une première barre de couplage 333 qui entraîne, au moyen d'une crémaillère disposée sur sa face supérieure, un arbre de transmission 343 dans le sens rétrograde par l'intermédiaire d'une première roue libre dentée 353. Le deuxième piston 323, celui du bas dans la figure, est pourvu d'une 35 deuxième barre de couplage 334 qui entraîne, au moyen d'une crémaillère 6 disposée sur sa face supérieure, le même arbre de transmission 343 dans le sens rétrograde par l'intermédiaire d'une deuxième roue libre dentée 354. L'extrémité libre de la première barre de couplage 333 est reliée à un premier volant d'inertie 308 centré sur un premier axe de rotation 318 au moyen d'une première bielle 319. L'arbre de transmission 343 et le premier axe de rotation 318 sont tous deux perpendiculaires à l'axe longitudinal du premier piston 310. Ils sont orientés différemment, c'est-à-dire que leurs projections dans un plan orthogonal à cet axe longitudinal sont distinctes. Dans le cas présent, ces projections font un angle de 90°. De même, l'extrémité libre de la seconde barre de couplage 334 est reliée à un second volant d'inertie 328 centré sur un second axe de rotation 338 au moyen d'une seconde bielle 339. L'arbre de transmission 343 et le second axe de rotation 338 sont tous deux perpendiculaires à l'axe longitudinal du second piston 323. Les deux volants d'inertie 308, 328 sont coplanaires si bien que les deux axes de rotation 318, 338 sont distincts. Ces deux axes sont perpendiculaires à l'arbre de transmission. L'arbre de transmission est ici unique et cela représente un avantage additionnel de la présente invention. Toutefois, celle-ci s'applique également dans le cas où un premier arbre de transmission est entraîné par la première roue libre 353 et un second arbre de transmission est entraîné par la seconde roue libre 354. II suffit alors de combiner le mouvement de ces deux arbres de transmission par un quelconque moyen connu pour produire un mouvement résultant sur un arbre moteur. La cellule de motorisation présente ici une forme relativement plate, ce qui facilite son montage en position frontale. De plus, les opérations de maintenance sont grandement simplifiées. En référence à la figure 4, une variante de la cellule de motorisation ci-dessus est maintenant décrite. Cette variante prévoit aussi un premier 310 et un deuxième cylindre 320 respectivement obturés par une première 312 et une deuxième 322 culasses. Ces cylindres 310, 320 sont coplanaires mais leurs axes longitudinaux sont distincts bien qu'ils soient parallèles. A nouveau, le premier 313, respectivement le second 323, piston est agencé dans le premier 310, respectivement le second 320 cylindre. Le premier piston 313 est encore pourvu de la première barre de couplage 333 qui entraîne, au moyen d'une crémaillère disposée sur sa face 7 supérieure, l'arbre de transmission 343 par l'intermédiaire de la première roue libre dentée 353. De même, le deuxième piston 323 est pourvu de la deuxième barre de couplage 334 qui entraîne, au moyen de la crémaillère disposée sur sa face supérieure, le même arbre de transmission 343 par l'intermédiaire d'une deuxième roue libre dentée 354. L'extrémité libre de la première barre de couplage 333 est reliée au premier volant d'inertie 308 centré sur le premier axe de rotation 318 au moyen de la première bielle 319. L'arbre de transmission 343 et le premier axe de rotation 318 qui sont encore tous deux perpendiculaires à l'axe longitudinal du premier piston 310, ont ici la même orientation, c'est-à-dire que leurs projections dans un plan orthogonal à cet axe longitudinal sont parallèles. D'autre part, l'extrémité libre de la seconde barre de couplage 334 est reliée au second volant d'inertie 328 centré sur le second axe de rotation 338 au moyen de la seconde bielle 339. L'arbre de transmission 343 et le second axe de rotation 338 sont à nouveau tous deux perpendiculaires à l'axe longitudinal du second piston 323 mais ils sont orientés à 90°. Cette variante présente l'avantage de proposer une nouvelle géométrie pour l'agencement de la cellule de motorisation, notamment lorsqu'il s'agit de loger cette cellule dans un carénage d'aéronef optimisé sur le plan de l'aérodynamique. Le système d'allumage de la cellule de motorisation appelle les commentaires qui suivent. Dans un moteur à vilebrequin fonctionnant à l'essence, il est impératif de déclencher l'allumage au moyen d'une bougie car, dans le cas contraire, cas de l'auto-allumage, il est impossible de prévoir son apparition, ce qui interdit de le synchroniser avec le cycle du moteur. Cet auto-allumage, s'il intervient à un moment inopportun, peut tendre à inverser le sens de rotation, phénomène dont les effets mécaniques sur le moteur sont dommageables sans parler d'une baisse significative de rendement. Dans la cellule de motorisation selon l'invention, l'auto-allumage ne provoque pas de propulsion à contresens, il ne cause pas de dommages mécaniques et il ne conduit pas au calage. Le pic de compression est très bref. La cellule peut fonctionner indifféremment en allumage déclenché ou en auto-allumage. Elle peut également fonctionner intégralement en auto-allumage, à la manière d'un moteur Diesel, mais sans nécessiter de bougies d'allumage ou de préchauffage. 8 Le dispositif d'allumage est ici omis car sa réalisation est à la portée de l'homme du métier. En ce qui concerne la distribution, suivant une première option, la ou les soupapes peuvent être commandées par des moyens exclusivement mécaniques, comme cela se pratique couramment. Ainsi, l'une quelconque des soupapes (admission ou échappement) est actionnée par un culbuteur relié par une tige à un poussoir. Ce poussoir prend appui sur l'une des faces de la barre de couplage qui est munie d'une came. Le passage du poussoir sur la came déclenche le basculement du culbuteur, ce qui entraîne l'ouverture de la soupape. Cependant, la présente invention peut bénéficier des techniques récentes de gestion moteur. En référence à la figure 5, l'emplacement de la barre de couplage BL est détecté au moyen d'un codeur COD solidaire de cette barre et d'un capteur SEN 15 fixé au bâti de la cellule de motorisation. De nombreuses technologies sont à la disposition de l'homme du métier pour détecter la position d'un objet mobile et on citera à titre d'exemple la détection magnétique ou la détection optique. Le capteur SEN est raccordé à un calculateur ou microcontrôleur MC. Ce 20 microcontrôleur a donc accès à la position de la barre de liaison mais il peut également prendre en compte sa vitesse de translation. La vitesse de la barre de liaison dans la partie centrale de sa course est sensiblement constante et proportionnelle à la vitesse de rotation SR de l'arbre de transmission. 25 Le microcontrôleur détecte ainsi l'un quelconque des points de début de montée, fin de montée, début de descente ou fin de descente du piston lorsque la vitesse de la barre tombe en dessous ou excède une fraction déterminée de la vitesse de rotation SR de l'arbre, 90% à titre d'exemple. Le passage du point haut ou du point bas se fait en détectant une annulation de la vitesse de la barre 30 ou en détectant l'inversion de son signe. Le microcontrôleur MC utilise ainsi la vitesse et/ou la position de la barre de liaison pour commander les soupapes VA d'admission et d'échappement à actionnement électromagnétique, hydraulique ou pneumatique. Il permet de gérer totalement le fonctionnement du moteur et en particulier la commande de 35 l'allumage IG. 9 Il convient maintenant de considérer le démarrage ou lancement de la cellule de motorisation. Le fonctionnement de cette cellule n'est pas réversible, c'est-à-dire que si les pistons entraînent l'arbre de transmission, il est impossible de déplacer les pistons au moyen de cet arbre. Il faut donc communiquer à la barre de couplage BL un mouvement de translation alternatif d'amplitude suffisante pour que le démarrage de la cellule de motorisation puisse se produire. Plusieurs solutions peuvent être envisagées pour réaliser cette opération et la première qui vient à l'esprit consiste à entraîner la barre de couplage au moyen d'une roue dentée ST débrayable. Une autre solution consiste à entraîner le volant d'inertie là encore au moyen d'une couronne dentée. La roue dentée ST est raccordée au lanceur par un mécanisme à électro-aimant et ressort de rappel de sorte qu'on puisse rengréner sur la crémaillère lorsque la cellule est à l'arrêt et la dégager de cette crémaillère lorsque la cellule a démarré. Elle peut être entraînée pneumatiquement ou au moyen d'un lanceur électrique. La présente invention s'applique à tous types de véhicules : - véhicules terrestres, cyclomoteurs, voitures ou camions, -véhicules maritimes, vaisseaux de fort tonnage ou bateaux plus légers, -véhicules aériens, avions ou hélicoptères. Elle s'applique aussi aux équipements motorisés destinés à l'agriculture ou aux loisirs du genre tondeuses, tronçonneuses, taille-haies ainsi qu'aux outillages les plus divers. Elle s'applique également à la conversion d'énergie fossile en énergie électrique, ce qui est le cas des centrales thermiques. On mentionnera finalement pour le cas où ce ne serait pas apparu suffisamment clairement que ce type de moteur ne présente pas d'effet frein-moteur. Dans le cas où la cellule de motorisation comporte une pluralité de cylindres, il convient de souligner deux avantages de la présente invention qui n'apparaissent pas de manière immédiate : chaque cylindre est autonome, si bien qu'il peut être activé ou désactivé indépendamment des autres, 10 l'étagement des temps moteur sur les différents cylindres peut être réglé à volonté, indépendamment de toute contrainte mécanique résultant de l'usage d'un vilebrequin conventionnel. Les exemples de réalisation de l'invention présentés ci-dessus ont été choisis eu égard à leur caractère concret. Il ne serait cependant pas possible de répertorier de manière exhaustive tous les modes de réalisation que recouvre cette invention. En particulier, tout moyen décrit peut être remplacé par un moyen équivalent sans sortir du cadre de la présente invention.10 REVENDICATIONS 1) Cellule de motorisation comprenant un premier piston (103, 203, 313) guidé dans un premier cylindre (101, 201, 310) et comportant aussi une première unité d'accouplement pour coupler ce premier piston à un premier arbre de transmission (104, 204, 343), ladite première unité d'accouplement comprenant des moyens (106-107, 206-207, 333-353) pour transmettre le mouvement dudit premier piston (103, 203, 313) audit premier arbre de transmission (104, 204, 343) dans un seul sens, ledit premier piston (103, 203, 313) étant relié à un volant d'inertie (108, 208, 308) au moyen d'une bielle (109, 209, 319), ce volant étant apte à tourner autour d'un axe de rotation (110, 210, 318), caractérisée en ce que ledit premier arbre de transmission (104, 204, 343) et le dit axe de rotation (110, 210, 318) sont orientés différemment. 2) Cellule de motorisation selon la revendication 1 caractérisée en ce que, ledit premier cylindre (201, 310) étant obturé par une culasse (202, 312), lorsque ledit premier piston (203, 313) est en butée du côté de cette culasse, ladite bielle (209, 319) présente un angle de limitation avec l'axe longitudinal de ce cylindre (201, 310), de sorte que la rotation dudit volant (208, 308) n'excède pas un tour. 3) Cellule de motorisation selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2 caractérisée en ce que, ladite cellule de motorisation comportant également un deuxième piston (323) guidé dans un deuxième cylindre (320) et une deuxième unité d'accouplement de ce deuxième piston à un deuxième arbre de transmission, cette deuxième unité d'accouplement comprend des moyens (334-354) pour transmettre le mouvement dudit deuxième piston (323) audit deuxième arbre de transmission dans un seul sens. 4) Cellule de motorisation selon la revendication 3, caractérisée en ce que les deux arbres de transmission (343) sont confondus. 11 12 5) Cellule de motorisation selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce qu'elle comporte un organe de lancement débrayable assujetti audit volant d'inertie (108, 208, 308, 328). 6) Cellule de motorisation selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce qu'elle comporte un organe de lancement débrayable assujetti à l'un au moins desdits pistons (103, 203, 313, 323). 7) Cellule de motorisation selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comporte un capteur de position (SEN) de l'une desdites unités (BL) d'accouplement dès lors dénommée l'unité de référence. 8) Cellule de motorisation selon la revendication 7 caractérisée en ce que, comportant au moins une bougie d'allumage, elle comprend un système (MC) pour commander cette bougie en fonction de la position (COD) de ladite unité de référence. 9) Cellule de motorisation selon l'une quelconque des revendications 7 ou 8 caractérisée en ce que, comportant au moins une soupape autonome, elle comprend un système pour commander cette soupape en fonction de la position (COD) de ladite unité de référence. 10) Cellule de motorisation selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'une au moins desdites unités d'accouplement comporte une roue libre dentée (107, 207, 353, 354) pour assurer la transmission en sens unique.