Brevet FR3005111A1 — publié le 20141031

Moteur thermique alternatif à taux de compression variable La présente invention est relative à un moteur thermique alternatif à taux de compression variable, du type comprenant un cylindre muni d'une chemise dans laquelle coulisse un piston en deux parties déplaçables axialement l'une par rapport à l'autre, à savoir une partie inférieure reliée au pied de bielle et une partie supérieure qui comporte un fond de piston en contact avec les gaz. De nombreuses solutions ont été proposées pour permettre au taux de compression d'un moteur de varier en fonction des conditions de fonctionnement actuelles ou souhaitées du moteur, dans le but d'améliorer le rendement du moteur et de réduire la pollution qu'il engendre. Parmi ces solutions, il a été proposé de faire varier la hauteur efficace du piston, qui est la distance entre la surface du fond de piston en contact avec les gaz et l'axe géométrique de l'axe du piston qui reçoit le pied de bielle. C'est ainsi que le FR-A-2 939 844 décrit un moteur du type précité, dans lequel les deux parties du piston, sollicitées en écartement relatif par un ressort, délimitent entre elles une chambre dans laquelle peut être introduit de l'air comprimé. Toutefois, ce système ne permet pas de commander positivement la position axiale relative des deux parties du piston en fonction des conditions de fonctionnement du moteur. L'invention a pour but d'assurer un taux de compression du moteur précis et fiable. A cet effet, l'invention a pour objet un moteur du type précité, caractérisé en ce que les deux parties du piston sont vissées l'une dans l'autre. Suivant d'autres caractéristiques du moteur suivant l'invention : - ladite partie supérieure comporte une jupe de guidage dans la chemise, cette jupe délimitant une cavité munie d'un filetage intérieur, ladite partie inférieure comportant un filetage extérieur vissé dans ce filetage intérieur ; - les filetages reliant les deux parties du piston sont à filets multiples ; - les filetages reliant les deux parties du piston sont irréversibles ; - la partie supérieure du piston comporte un filetage positionné par rapport au fond du piston, et la partie inférieure comporte un filetage positionné par rapport à un alésage de cette partie inférieure recevant l'axe de piston ; - le moteur comprend des moyens de commande adaptés pour commander la position angulaire relative des deux parties du piston ; - lesdits moyens de commande sont adaptés pour commander la position angulaire de ladite partie supérieure ; - lesdits moyens de commande comprennent : - un anneau monté rotatif en un emplacement adjacent à l'extrémité inférieure de la chemise, coaxialement à celle-ci ; - l'anneau comportant une rampe de came qui se termine vers le bas dans un évidement ; - des moyens de commande de la position angulaire de l'anneau ; et - un prolongement inférieur de la jupe ; - la partie d'extrémité du prolongement étant adaptée pour être reçue dans l'évidement de l'anneau ou pour être guidée vers cet évidement par la rampe de came suivant la position angulaire de l'anneau, la coopération entre le prolongement et l'anneau s'effectuant au voisinage du point mort bas du piston ; - l'anneau comporte deux rampes de came opposées qui se terminent dans l'évidement de part et d'autre de celui-ci ; - la ou les rampes de came sont prévues sur une partie de l'anneau radialement intérieure à la chemise, s'étendant vers le haut le long de la paroi intérieure de cette chemise et dont le bord intérieur inférieur est chanfreiné ; - le prolongement a une surface extérieure cylindrique de même rayon que la jupe ; - la jupe comporte plusieurs prolongements, notamment régulièrement répartis autour de l'axe du cylindre ; - les moyens de commande sont adaptés pour commander simultanément et de façon synchronisée ladite position angulaire pour tous les cylindres du moteur. Des exemples non limitatifs de réalisation de l'invention vont maintenant être décrits en regard des dessins annexés, sur lesquels : - la figure 1 est une vue schématique en coupe axiale d'un cylindre d'un moteur conforme à l'invention, la vue étant prise suivant la ligne 1-1 de la figure 2 et le piston étant à son point mort bas ; - la figure 2 est une vue en coupe transversale prise suivant la ligne 11-11 de la figure 1 ; - la figure 3 est une vue prise en coupe axiale suivant la ligne 111-111 de la figure 1 ; - la figure 4 est une vue schématique de dessous prise suivant la flèche IV de la figure 3; - la figure 5A est une demi-vue schématique en coupe axiale d'une variante, le piston étant éloigné de son point mort bas ; - la figure 5B est une vue schématique prise suivant la flèche VB de la figure 5A, dans une première position de l'anneau rotatif; - la figure 50 est une vue analogue à la figure 5B, dans une seconde position de l'anneau rotatif ; - les figures 6A à 60 sont des vues analogues aux figures 5A à 50, respectivement, le piston s'approchant de son point mort bas ; et - les figures 7A et 7B sont des vues analogues respectivement aux figures 6A et 6B ou 60, le piston ayant atteint son point mort bas. On a représenté schématiquement sur les figures 1 à 4 la partie pertinente d'un moteur thermique alternatif 1, qui peut être du type à explosion ou à combustion. Le moteur 1 comprend au moins un cylindre dont seule la chemise 2, d'axe X-X supposé vertical, a été représenté. Dans cette chemise coulisse un piston 3 constitué de deux pièces, à savoir une pièce supérieure ou extérieure 4 et une pièce inférieure ou intérieure 5. Les termes « supérieur » et « inférieur » s'entendent par rapport à l'orientation du cylindre qui est représenté sur les figures 1 et 3, laquelle correspond au montage de la culasse (non représentée) en haut du moteur, avec le vilebrequin (non représenté) en bas. La pièce supérieure 4 est monobloc et a une forme générale de cuvette inversée. Elle comprend un fond supérieur 6 sensiblement plan, en contact avec les gaz, et une jupe périphérique 7 dirigée vers le bas. La jupe 7 est guidée en translation par la paroi intérieure de la chemise 2. La tranche d'extrémité inférieure de la jupe 7 présente des chanfreins intérieur 8 et extérieur 9. A partir du chanfrein 8, la jupe présente un filetage femelle intérieur 10 qui s'étend sur la plus grande partie de la hauteur de la jupe. La jupe comporte extérieurement, de façon classique, des gorges 11 recevant les segments (non représentés) du piston. En deux emplacements diamétralement opposés, la jupe est prolongée vers le bas par une languette 12 en forme de secteur cylindrique. Le diamètre extérieur de chaque languette est égal à celui de la jupe, de sorte que les languettes 12 participent au guidage axial du piston dans la chemise 2. La pièce inférieure 5 du piston est monobloc et a une forme générale cylindrique d'axe X-X. La paroi cylindrique extérieure de cette pièce comporte un filetage mâle 13 vissé dans le filetage 10 de la pièce 4. Les filetages 10 et 13 sont à filets multiples et irréversibles. La pièce 5 est creuse et définit deux bossages diamétralement opposés 14 munis d'un alésage 15. Les alésages 15 ont un axe commun horizontal Y-Y. La pièce 5 comporte en outre une saillie supérieure 17 à section transversale en U renversé, qui s'étend horizontalement et perpendiculairement à l'axe Y-Y. Les bossages 14 définissent entre eux une large ouverture inférieure 18. L'espace intérieur défini par la saillie 17 reçoit un pied de bielle classique (non représenté). Le pied de bielle est maintenu en position par un axe de piston constitué par un tube 20 reçu dans les deux alésages 15. Le tube 20 est maintenu axialement dans ces derniers par deux circlips 21. Il résulte de ce montage que la pièce 5 a une position angulaire fixe autour de l'axe X-X, cette position étant imposée par la présence du pied de bielle. Le cylindre est complété par un mécanisme 22 de commande de la position angulaire de la pièce supérieure 4 par rapport à l'axe X-X. Ce mécanisme 22 comprend un anneau rotatif 23 d'axe X-X, un dispositif 24 à moteur électrique 25 d'entraînement en rotation de cet anneau sur une plage angulaire prédéterminée de part et d'autre d'une position neutre, et une unité électronique 26 de commande du moteur 25. Dans l'exemple représenté sur les figures 1 à 4, l'anneau 23 est maintenu, par des moyens appropriés non représentés, appliqué contre la tranche d'extrémité inférieure de la chemise 2. Son diamètre intérieur est légèrement supérieur au diamètre extérieur de la pièce 5, et son diamètre extérieur est sensiblement égal à celui de la chemise. L'anneau 23 porte extérieurement une denture 27. L'anneau 23 peut notamment être supporté et guidé en rotation par des parois, ou par des cloisons inter-cylindres, du carter-cylindre du moteur 1. Le dispositif 24 comprend un pignon 28 qui engrène avec la denture 27 et qui est entraîné par le moteur 25. L'unité de commande 26 reçoit des informations relatives aux conditions actuelles ou souhaitées de fonctionnement du moteur 1, notamment la vitesse de rotation et la charge de celui-ci, et commande le moteur 25 à partir de ces informations. L'anneau 23 comprend, en deux emplacements diamétralement opposés, un évidement 29 à bords opposés verticaux et parallèles. Dans l'exemple représenté, les évidements 29 sont traversants. Une rampe de came 30 évasée vers le haut relie l'extrémité supérieure de chacun de ces bords à la face supérieure de l'anneau. Les rampes 30 peuvent être incurvées et convexes comme représenté sur la figure 1. Pour coopérer avec ces rampes de la manière décrite plus loin, l'extrémité de chaque languette 12 de la pièce 4 comporte de part et d'autre, en vue depuis l'axe X-X (figure 1), un coin 31 arrondi, par exemple en quart de cercle. L'assemblage du cylindre peut être réalisé comme suit : - l'anneau 23 est mis en place à la base du cylindre ; - hors du cylindre, la pièce 5 est montée sur le pied de bielle et solidarisée avec celui-ci par le tube 20; - la pièce 5 est introduite par le bas dans la chemise 2; - la pièce 4 est introduite par le haut dans la chemise 2, puis vissée sur la pièce 4. Dans la variante des figures 5A à 7A, la partie courante de l'anneau 23 a pour diamètre intérieur le diamètre intérieur de la chemise 2, et l'anneau comporte intérieurement deux protubérances 32 diamétralement opposées en forme de secteur cylindrique. La surface cylindrique extérieure 33 de ces protubérances est en contact glissant avec la face intérieure de la chemise 2, et leur partie intérieure inférieure comporte un chanfrein 34. Les évidements 29 avec leurs rampes de came 30 sont ménagés dans les protubérances 32. Ces dernières ont un diamètre intérieur légèrement supérieur au diamètre extérieur de la pièce 5, pour permettre l'assemblage décrit précédemment. Le fonctionnement va être décrit en regard des figures 5A à 7B. Lorsque le piston est éloigné de son point mort bas (figures 5A à 50), les languettes 12 sont éloignées de l'anneau 23. Suivant la position angulaire de ce dernier, elles peuvent être centrées sur les évidements 29 (figure 5B, correspondant à la position neutre de l'anneau) ou sur l'une ou l'autre des rampes 30 (figure 50). Lorsque le piston descend, les languettes 12 pénètrent entre les rampes 30, sans contact avec celles-ci (figure 6B) ou en venant en contact avec l'une des rampes (figure 6C). Lors de la fin de la descente du piston : - si les languettes 12 sont centrées sur les évidements 29, elles pénètrent directement dans ceux-ci, qui les guident latéralement ; - si au contraire elles sont décentrées par rapport aux évidements 29, sous l'effet de la traction exercée vers le bas par la bielle ou de l'effort moteur vers le bas fourni par le piston, les coins 31 glissent sur les rampes 30 correspondantes, provoquant une rotation de la pièce supérieure 4 autour de l'axe X-X, jusqu'à ce que les languettes 12 pénètrent dans les évidements 29. Dans les deux cas, la position finale, au point mort bas du piston, est celle représentée sur la figure 7B. On a représenté sur les figures 5A et 6A la « mandoline » 35 du cylindre, c'est-à- dire l'enveloppe du volume dans lequel se déplace la bielle. La variante des figures 5A à 7B permet d'éviter toute interférence des languettes 12 avec cette mandoline avec une plus grande liberté de dimensionnement des constituants du moteur. La vitesse de rotation de l'anneau 23 lors d'un changement de régime du moteur 1 est bien entendu déterminée par l'unité 26 de manière à assurer un contact approprié des languettes 12 avec les rampes 30 lorsque le piston approche de son point mort bas. En variante, le nombre de languettes 12 peut être différent de deux. Par ailleurs, pour un moteur à plusieurs cylindres, le dispositif d'entraînement 24 peut comprendre une vis sans fin ou une crémaillère engrenant avec les anneaux 23 de tous les cylindres. REVENDICATIONS1.- Moteur thermique alternatif (1) à taux de compression variable, du type comprenant un cylindre muni d'une chemise (2) dans laquelle coulisse un piston (3) en deux parties déplaçables (4, 5) axialement l'une par rapport à l'autre, à savoir une partie inférieure (5) reliée au pied de bielle et une partie supérieure (4) qui comporte un fond de piston (6) en contact avec les gaz, caractérisé en ce que les deux parties du piston (4, 5) sont vissées l'une dans l'autre. 2.- Moteur (1) suivant la revendication 1, caractérisé en ce que ladite partie supérieure (4) comporte une jupe (7) de guidage dans la chemise (2), cette jupe délimitant une cavité munie d'un filetage intérieur (10), ladite partie inférieure (5) comportant un filetage extérieur (13) vissé dans ce filetage intérieur. 3.- Moteur (1) suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les filetages (10, 13) reliant les deux parties (4, 5) du piston sont à filets multiples. 4.- Moteur (1) suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les filetages (10, 13) reliant les deux parties (4, 5) du piston sont irréversibles. 20 5.- Moteur (1) suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la partie supérieure (4) du piston comporte un filetage (10) positionné par rapport au fond (6) du piston, et en ce que la partie inférieure (5) comporte un filetage (13) positionné par rapport à un alésage (15) de cette partie inférieure recevant l'axe de piston 25 (20). 6.- Moteur (1) suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de commande (22) adaptés pour commander la position angulaire relative des deux parties (4, 5) du piston. 30 7.- Moteur (1) suivant la revendication 6, caractérisé en ce que lesdits moyens de commande (22) sont adaptés pour commander la position angulaire de ladite partie supérieure (4). 35 8.- Moteur (1) suivant la revendication 6 ou 7 lorsqu'elles dépendent de la revendication 2, caractérisé en ce que lesdits moyens de commande (22) comprennent :- un anneau (23) monté rotatif en un emplacement adjacent à l'extrémité inférieure de la chemise (2), coaxialement à celle-ci ; - l'anneau comportant une rampe de came (20) qui se termine vers le bas dans un évidement (29) ; - des moyens (24 à 26) de commande de la position angulaire de l'anneau ; et - un prolongement inférieur (12) de la jupe (7), - la partie d'extrémité du prolongement (12) étant adaptée pour être reçue dans l'évidement (29) de l'anneau ou pour être guidée vers cet évidement par la rampe de came (30) suivant la position angulaire de l'anneau, la coopération entre le prolongement et l'anneau s'effectuant au voisinage du point mort bas du piston (3). 9.- Moteur (1) suivant la revendication 8, caractérisé en ce que l'anneau (23) comporte deux rampes de came opposées (30) qui se terminent dans l'évidement (29) de part et d'autre de celui-ci. 10.- Moteur (1) suivant la revendication 8 ou 9, caractérisé en ce que la ou les rampes de came (30) sont prévues sur une partie (32) de l'anneau (23) radialement intérieure à la chemise (2), s'étendant vers le haut le long de la paroi intérieure de cette chemise et dont le bord intérieur inférieur (34) est chanfreiné. 11.- Moteur (1) suivant l'une quelconque des revendications 8 à 10, caractérisé en ce que le prolongement (12) a une surface extérieure cylindrique de même rayon que la jupe (7). 25 12.- Moteur (1) suivant l'une quelconque des revendications 8 à 11, caractérisé en ce que la jupe (7) comporte plusieurs prolongements (12), notamment régulièrement répartis autour de l'axe (X-X) du cylindre. 13.- Moteur (1) suivant l'une quelconque des revendications 6 à 12, à plusieurs 30 cylindres, caractérisé en ce que les moyens de commande (22) sont adaptés pour commander simultanément et de façon synchronisée ladite position angulaire pour tous les cylindres du moteur. 20