Brevet FR2984984A1 — publié le 20130628

MOTEUR A COMBUSTION AYANT UN PISTON MUNI D'UNE LIAISON A DOUBLE ROUE L'invention concerne les moteurs à combustion et plus particulièrement les moteurs à combustion de véhicule automobile. Un moteur comporte un ou des pistons liés à un organe rotatif, typiquement l'arbre moteur ou un arbre à cames, cette liaison ayant pour rôle de transmettre un mouvement de puissance du piston à l'arbre moteur et/ou d'actionner le piston de manière synchronisée avec la rotation moteur, typiquement lorsque le piston est un piston de compression d'air, un piston de pompe à combustible, un piston de cylindre de combustion dans des phases hors combustion, ou encore un piston de détente des gaz usagés. Les liaisons entre piston et organe rotatif proposées jusqu'à présent reposent sur l'utilisation d'une bielle liée au piston par une articulation, de sorte que la bielle, ancrée en un point excentré de l'arbre moteur, effectue un mouvement de balancement latéral. Ce balancement a tendance à produire une poussée latérale sur le piston qui se traduit par une usure du piston et de son cylindre dans une zone de jonction latérale entre piston et cylindre, d'où une perte d'étanchéité entre piston et chambre. Dans le cas d'un piston de pompe à essence, on a également proposé un type de liaison entre piston et arbre à cames dans lequel une bielle du piston vient en appui sur une came de l'arbre à cames sous l'effet d'un ressort qui rappelle la bielle contre la came. Ce type de dispositif se prête mal à l'utilisation d'une pompe à régime de pompage élevé, car la came a tendance à projeter la bielle en éloignement de l'arbre à cames, la force du ressort ne suffisant pas à maintenir le contact entre bielle et came. Des chocs se produisent alors au sein du dispositif, provoquant bruyance et endommagements. Il existe un besoin de répondre à ces inconvénients, et c'est à ce besoin que l'invention vise à répondre grâce à un moteur à combustion comprenant au moins un piston associé à un organe rotatif par l'intermédiaire d'un dispositif transformant un mouvement de rotation de l'organe rotatif en un mouvement de va-et-vient du piston, caractérisé en ce que le dispositif transformant un mouvement de rotation de l'organe rotatif en un mouvement de va-et-vient du piston comprend une roue externe et une roue interne, la roue externe présentant un profil interne et la roue interne présentant un profil externe, le profil interne de la roue externe et le profil externe de la roue interne coopérant l'un avec l'autre de sorte que la roue interne est montée dans la roue externe de manière à effectuer simultanément une rotation autour d'un axe géométrique central de cette roue interne et d'un axe géométrique central de la roue externe. Ainsi, la rotation de l'organe rotatif est transformée en mouvement de va-et-vient du piston et les mouvements de balancement sont réduits voire supprimés, tout en ayant une liaison entre piston et organe rotatif qui est robuste vis-à-vis des hauts régimes de va-et-vient du piston. De préférence, le moteur comporte une pompe à combustible, et le piston est un piston de la pompe à combustible. La pompe à combustible peut comporter un cylindre, lequel reçoit le piston, la pompe comportant en outre une canalisation d'arrivée de combustible munie d'un organe anti-retour du combustible lequel s'oppose au retour du combustible en éloignement du cylindre ainsi qu'une canalisation d'évacuation de combustible munie d'un organe anti-retour du combustible lequel organe anti-retour s'oppose au retour du combustible vers le cylindre. Le piston est avantageusement un piston de cylindre de combustion ou un piston de cylindre de compression d'air. L'organe rotatif est de préférence un arbre moteur du moteur à combustion, notamment un arbre à cames. Selon un mode de réalisation, la roue externe présente un profil interne de diamètre égal au double du diamètre du profil externe de la roue interne. Le mécanisme présente par exemple une manivelle montée à rotation autour d'une axe géométrique central à la roue externe, laquelle manivelle forme un support de rotation pour la roue interne autour d'un axe géométrique central à la roue interne. Le piston peut être muni d'une bielle qui est ancrée sur la roue interne de telle sorte que la bielle reste dans l'alignement d'une direction de mouvement du piston au cours du mouvement du piston. Ainsi, avec une telle configuration, quel que soit le mouvement de l'organe rotatif, (quelle que soit sa vitesse, l'effort demandé, les à-coups), on s'assure de la permanence du contact entre l'actionneur et le piston, qui est toujours lié de même à la bielle elle-même liée de même au pignon lui-même lié à un axe. L'invention a également pour objet le véhicule, notamment automobile, muni d'un tel moteur. D'autres caractéristiques, buts et avantages de l'invention apparaitront à la lecture de la description détaillée qui va suivre, faite en référence aux figures annexées sur lesquelles : - La figure 1 est une vue détaillée représentant un mécanisme de liaison entre un piston et un arbre moteur, conforme à un mode de réalisation préféré de l'invention. - La figure 2 est une vue schématique illustrant fonctionnellement ce même 35 mécanisme. Tel que représenté sur la figure 1, un piston 111 est relié par l'intermédiaire d'une bielle 113 à un aménagement de liaison 200 du piston 111 avec un arbre à cames, aménagement que l'on décrira ci-après. Dans le présent mode de réalisation, un cylindre 110 et le piston 111 forment un pompe à combustible laquelle aspire le combustible par une canalisation reliée au réservoir, et alimente en combustible un piston de combustion non représenté. Le cylindre 110 présente, dans une partie la plus éloignée du piston et faisant face à celui-ci, que l'on appellera arbitrairement partie supérieure du cylindre, un passage d'arrivée de combustible 114 dans lequel débouche une conduite d'arrivée de combustible 115, ainsi qu'un passage de sortie de combustible 117 à partir duquel s'étend une conduite d'évacuation de combustible 118. La conduite d'arrivée de combustible 114 est reliée à un réservoir de combustible tandis que la conduite d'évacuation de combustible 118 est reliée à un cylindre de combustion. La conduite d'arrivée de combustible 114 est munie d'un clapet anti-retour 116 lequel autorise la circulation de combustible vers le cylindre 110 mais empêche la circulation de combustible depuis le cylindre 110 vers le réservoir de combustible. La conduite d'évacuation de combustible 118 est quant à elle munie d'un clapet anti-retour 119 qui autorise la circulation de combustible depuis le cylindre 110 vers le cylindre de combustion mais qui empêche la circulation de combustible en retour vers le cylindre 110. Grâce à la présence de ces deux clapets anti-retour, chaque mouvement de va-et-vient du piston 111 provoque une circulation unidirectionnelle dans chacune des conduites d'arrivée 115 et d'évacuation 118, provoquant ainsi l'alimentation du cylindre de combustion. Les clapets anti retour 116 et 119 peuvent être remplacés par une soupape et un organe de pilotage de cette soupape, lequel organe de pilotage commande des ouvertures et fermetures d'une telle soupape de manière synchronisée avec les mouvements du piston 111, de manière à bloquer les retours de combustibles non souhaités tels que décrits précédemment. Une telle soupape peut être une soupape à commande électrique, pneumatique ou hydraulique. On décrira maintenant l'aménagement de liaison 200 reliant le piston 111 décrit ci-avant avec l'arbre moteur à cames lequel apporte notamment une meilleure tenue de la liaison entre piston et arbre à cames à haute vitesse de rotation de l'arbre à cames et une meilleure fiabilité en termes d'étanchéité entre le piston 111 et le cylindre 110. Tel que représenté sur les figures, cet aménagement 200 comporte une roue externe immobile 210 présentant une cavité intérieure 211 décrivant un profil interne 212 de forme circulaire, lequel est muni d'un crantage interne formant une crémaillère interne 213 orientée en vis-à-vis de la cavité interne de cette roue externe. Cet aménagement comporte en outre une roue interne 220 dont un profil externe 222 de forme circulaire est muni d'un crantage externe formant une crémaillère périphérique externe 223. La crémaillère externe 223 de la roue interne 220 engage la crémaillère interne 213 de la roue externe 210, et la roue interne 220 est montée en son centre de manière libre en rotation sur un arbre de rotation 225. Cet arbre de rotation central à la roue interne est lui-même libre de déplacement selon une trajectoire circulaire ayant pour centre le centre géométrique 215 de la roue externe 210. Une telle liberté de mouvement selon une trajectoire circulaire est par exemple implémentée en réalisant cet arbre 225 central à la roue interne 220 en tant qu'extrémité d'une manivelle 230 montée rotative autour d'un axe géométrique de rotation central à la roue externe. Ainsi, la manivelle 230 est montée à rotation autour d'un axe géométrique 215 central à la roue externe 210 et forme un support de rotation pour la roue interne 220 autour d'un axe géométrique central à la roue interne. La roue interne 220 se trouve libre en rotation autour de l'arbre 225 à trajectoire 15 circulaire ainsi qu'autour d'un axe géométrique 215 central à la roue externe 210. La roue interne 220 décrit alors un mouvement planétaire, c'est-à-dire un mouvement constitué de deux composantes, une première composante étant une rotation de la roue interne 220 autour de son propre axe, et une deuxième composante étant une rotation de la roue interne 220 autour d'un axe déporté par rapport à l'axe de la roue interne, ici autour de l'arbre 225 20 placé en position centrale à la roue externe 210. La roue externe 210 est quant à elle maintenue immobile au cours du déplacement planétaire de la roue interne 220. Du fait d'un engagement sans glissement entre les profils 213 et 223 des roues externe et interne, les deux composantes du mouvement planétaire de la roue interne 220 présentent un rapport mathématique constant entre elles, lequel est mis à profit dans le 25 présent mode de réalisation pour obtenir, en un point donné de la roue interne 220, un mouvement de va-et-vient rectiligne. Ce mouvement rectiligne est alors mis à profit pour l'entrainement du piston 111. L'engagement sans glissement entre les profils interne et externe respectivement de la roue externe 210 et de la roue interne 220 est ici obtenu par l'engagement des crémaillères 30 213 et 223. En variante il est obtenu par coopération de deux surfaces anti-glissement telles que des surfaces rugueuses ou élastomères, lesquelles sont maintenues l'une contre l'autre par l'action de la manivelle 230. Tel qu'on l'a représenté à la figure 1, le piston 111 présente une bielle 113 liée à la roue interne 220 en un point b de la périphérie de celle-ci. 35 Dans le présent exemple de réalisation, la roue interne 220 présente un diamètre externe R1 égal à la moitié du diamètre de la roue externe 210, les diamètres externe et interne respectivement de la roue interne et de la roue externe étant considérés à l'endroit où ces roues coopèrent, c'est-à-dire au niveau de leur crémaillère respectivement externe et interne. En référence à la figure 2, le piston étant placé de manière à se déplacer selon un axe géométrique y situé dans le plan de la roue externe 210 et passant par le centre de la roue externe 210, on considèrera un axe géométrique x perpendiculaire à l'axe y du piston et passant par le centre de la roue externe 210, que l'on nommera arbitrairement axe horizontal dans la suite, par opposition à l'axe y du piston qui sera considéré arbitrairement comme vertical. On considèrera un angle Téta entre l'axe horizontal x et un axe principal de la manivelle 230 précédemment décrite lequel axe principal relie les centres de la roue externe 210 et de la roue interne 220. On considèrera maintenant un rayon géométrique de la roue interne 220, lequel s'étend de son centre référencé C jusqu'au point b d'ancrage de la bielle 113 sur la roue interne 220. On appellera Phi l'angle mesuré entre l'axe principal de la manivelle 230 et un tel rayon de la roue interne passant par b. R1 étant la valeur du rayon de la roue interne et R2 la valeur du rayon de la roue externe, on a la relation suivante : R1 x Téta = R2 x Phi A partir de cette équation, nous allons démontrer que si la valeur du rayon interne R2 de la roue externe 210 est égal au double de la valeur du rayon externe R1 de la roue interne 220, nous pouvons obtenir une translation parfaite du point b le long de l'axe de translation du piston. En effet, si nous étudions la cinématique du point b en fonction de la rotation de la roue interne autour du centre de la roue externe, nous obtenons les équations suivantes : b/x = R1 x cos (Téta) + R1 x cos (Pi -Téta), et b/y = R1 x sin (Téta) + R1 x sin (Pi - Téta) où b/x et b/y sont les coordonnées du point b sur les axes respectivement horizontal x et vertical y. On peut donc noter que quel que soit Téta, b/x est nul tandis que b/y varie entre 0 et 2xR1, c'est-à-dire entre 0 et la valeur R2 du diamètre intérieur de la roue externe 210. L'arbre de rotation 215 de la manivelle 230 étant positionné au centre géométrique de la roue externe 210 est préférentiellement solidaire en rotation de l'arbre à cames, de sorte qu'un mouvement de va-et-vient du piston correspondra à une révolution de l'arbre à cames. Au point mort haut du piston 111 la manivelle 230 s'étend depuis l'arbre 215 au centre de la roue externe verticalement vers le haut, et le point b est le point le plus haut de la périphérie de la roue interne. La coordonnée verticale b/y du point b est égale à R2. Puis le rayon passant par b de la roue interne 220 s'écarte de la verticale dans un sens de rotation opposé au sens de rotation de la manivelle 230, de sorte que ce rayon et la manivelle 230 se rapprochent l'un de l'autre pour venir se trouver tous deux simultanément en position horizontale bien qu'ayant tourné dans des sens opposés. La bielle 113 est alors descendue d'une distance égale à la valeur du rayon de la roue externe 210. La bielle 113 et le rayon passant par b s'étendent tous deux ensuite vers le bas. Ainsi, le point b se trouve d'autant plus bas que la manivelle et le rayon Cb s'étendent maintenant tous deux vers le bas de la roue externe. Lorsque la manivelle 230 a tourné d'un demi-tour, elle est orientée à la verticale vers le bas, et le rayon passant par b présente la même orientation, de sorte que le point d'ancrage b s'est abaissé de deux fois la valeur du rayon R2 de la roue externe 210. Le piston se trouve à son point mort bas. Le mouvement de remontée du point b s'effectue ensuite de manière symétrique par rapport à ce mouvement de descente, jusqu'à ce que la manivelle 230 et le rayon passant par b atteignent simultanément leur position verticale vers le haut, correspondant au point mort haut du piston 111. Grâce à ce dispositif, le point d'ancrage b de la bielle 113, qui est le point de la bielle le plus éloigné du piston 111, reste sur un même axe de déplacement, de sorte qu'il n'est plus nécessaire de compenser une rotation de la bielle par rapport au piston par une articulation entre ces deux éléments. Le piston 111 et la bielle 113 peuvent ainsi être réalisés de manière monobloc. Il en résulte une économie due à la facilité de réalisation du couple piston-bielle, et en termes de facilité de montage. De plus, la suppression de cette articulation apporte une meilleure robustesse au couple piston-bielle due maintenant à une jonction rigide et même par simple continuité de matière lorsqu'ils sont réalisés de manière monobloc. En outre, le maintien de la bielle 113 dans une orientation fixe au cours du mouvement du piston 111 permet d'éviter de transmettre au piston des efforts tendant à le déplacer obliquement par rapport à sa direction de déplacement, efforts qui tendaient à faire apparaitre au cours du vieillissement un jeu latéral du piston dans le cylindre et une perte d'étanchéité entre le piston et le cylindre. De plus, la bielle 113 reste en liaison permanente avec l'arbre à cames puisque le retour par ressort de la bielle contre l'arbre est supprimé. Ainsi, un décollement d'un quelconque élément entre la bielle et l'arbre est rendu impossible et aucun choc dû à un tel décollement ne peut plus apparaitre y compris aux grandes vitesses de va-et-vient du piston. Dans un autre mode de réalisation, le piston 111 est un piston monté dans un cylindre 110 lequel cylindre 110 est le siège d'un mouvement de combustion. Par exemple, le cylindre est un cylindre de puissance dans un moteur quatre temps, le cylindre étant alors le siège de quatre mouvements de nature distincte du piston 111, correspondant respectivement au mouvements d'admission, de compression, de combustion, et d'évacuation. Par le fait qu'il effectue en particulier un mouvement mû par la combustion, ce piston 111 constitue alors un piston de puissance. Dans ce cas, le fait que la bielle 113 ne subit aucun balancement et ne transmet donc aucun effort latéral sur le piston permet d'obtenir une étanchéité particulièrement fiable même dans des stades avancés de la vie du moteur. L'arbre de rotation 215 de la manivelle est alors préférentiellement l'arbre moteur du moteur considéré, de manière à transmettre l'effort fourni par le piston 111 directement sur l'arbre moteur. Dans encore un autre mode de réalisation, le piston 111 est un piston de compression d'air, utilisé pour fournir de l'air comprimé à un piston de puissance. Cet air comprimé est alors transmis depuis un cylindre recevant le piston de compression d'air 111 vers un piston de puissance où l'air comprimé est introduit dans le cylindre de puissance avant ou pendant la combustion. En variante l'air comprimé peut également être transmis à un piston de puissance ne faisant pas l'objet d'une combustion, pour entrainer ce piston de puissance par la simple poussée de l'air comprimé. Dans les deux cas, l'air comprimé peut être transmis du piston de compression au piston de puissance par une canalisation directe ou encore par 15 l'intermédiaire d'un réservoir de stockage d'air comprimé. Dans encore une variante, un piston de puissance et un piston de compression tous deux semblables au piston 111 décrit ci-avant sont tous deux reliés à un même arbre moteur par deux systèmes conformes à celui qui vient d'être décrit de manière à fournir les mêmes avantages à ces deux pistons en termes de robustesse. Toutefois, un tel système peut 20 avantageusement être adopté sur un seul des pistons tel que le piston de puissance qui est le plus sollicité, tandis que le piston de compression présente une liaison à l'arbre moteur qui est classique en soi, c'est-à-dire utilisant une articulation entre la bielle et le piston. Le présent exemple de réalisation peut être mis en oeuvre dans le cadre d'un moteur diesel où la combustion est déclenchée par les conditions de pression et de température 25 dans le cylindre, éventuellement au moment de l'injection du combustible dans le cylindre, sans nécessité de dispositif d'allumage. Le présent exemple de réalisation peut également être mis en oeuvre avec un moteur à essence ou à gaz où un dispositif d'allumage est prévu pour déclencher la combustion, et notamment, dans le cas d'un piston de pompe à combustible, dans un moteur à essence de type sur-alimenté où la pompe à combustible est 30 particulièrement sollicitée. REVENDICATIONS1. Moteur à combustion comprenant au moins un piston associé à un organe rotatif par l'intermédiaire d'un dispositif (200) transformant un mouvement de rotation de l'organe rotatif en un mouvement de va-et-vient du piston (111), caractérisé en ce que le dispositif (200) transformant un mouvement de rotation de l'organe rotatif en un mouvement de va-et-vient du piston (111) comprend une roue externe (210) et une roue interne (220), la roue externe (210) présentant un profil interne (212) et la roue interne (220) présentant un profil externe (222), le profil interne (212) de la roue externe (210) et le profil externe (222) de la roue interne (220) coopérant l'un avec l'autre de sorte que la roue interne (220) est montée dans la roue externe (210) de manière à effectuer simultanément une rotation autour d'un axe géométrique central (225) de cette roue interne (220) et d'un axe géométrique central (215) de la roue externe (210). 2. Moteur à combustion selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moteur comporte une pompe à combustible (110,111) et le piston (111) est un piston de la pompe à combustible. 3. Moteur à combustion selon la revendication 2, caractérisé en ce que la pompe à combustible comporte un cylindre (110) lequel reçoit le piston (111), la pompe comportant en outre une canalisation (115) d'arrivée de combustible munie d'un organe anti-retour du combustible (116) lequel s'oppose au retour du combustible en éloignement du cylindre (110) ainsi qu'une canalisation (118) d'évacuation de combustible munie d'un organe antiretour (119) du combustible lequel organe anti-retour s'oppose au retour du combustible vers le cylindre (110). 4. Moteur à combustion selon la revendication 1, caractérisé en ce que le piston (111) est un piston de cylindre de combustion (110). 5. Moteur à combustion selon la revendication 1, caractérisé en ce que le piston (111) est un piston de cylindre de compression d'air (110). 6. Moteur à combustion selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'organe rotatif (120) est un arbre moteur du moteur à combustion. 7. Moteur à combustion selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'organe rotatif est un arbre à cames. 8. Moteur à combustion selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la roue externe (210) présente un profil interne (212) de diamètre égal au double du diamètre du profil externe (222) de la roue interne (220). 9. Moteur à combustion selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le mécanisme présente une manivelle (230) montée à rotation autour d'une axe géométrique (215) central à la roue externe (210), laquelle manivelle (230) formeun support de rotation (225) pour la roue interne (220) autour d'un axe géométrique (225) central à la roue interne (220). 10. Moteur à combustion selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le piston (111) est muni d'une bielle (113) qui est ancrée sur la roue interne (220) de telle sorte que la bielle (113) reste dans l'alignement d'une direction de mouvement du piston (111) au cours du mouvement du piston (111).