Brevet FR3031375A1 — publié le 20160708

SYSTEME D'ACTIONNEMENT D'UN VOLANT DE MOTEUR A COMBUSTION INTERNE [0001] L'invention a trait au domaine des moteurs à combustion interne pour véhicules automobiles, et plus précisément à leur architecture mécanique. [0002] L'architecture d'un moteur à combustion interne joue un rôle primordial dans le fonctionnement du moteur. En effet, l'architecture influe directement sur le rendement, le bruit de fonctionnement, les pertes thermiques, la consommation, les émissions de gaz à effet de serre et l'usure des composants mécaniques du moteur. [0003] Un moteur à combustion interne est généralement pourvu d'un mécanisme bielle - manivelle permettant de transformer le mouvement alternatif d'un piston en un mouvement de rotation. La bielle qui relie le piston au vilebrequin et qui permet de transmettre l'effort de combustion sur le piston jusqu'au vilebrequin est connectée d'une part au piston par le biais d'un axe du piston, et effectue un mouvement de basculement autour de l'axe, et, d'autre part, au vilebrequin au niveau d'un maneton, ou elle effectue un mouvement de rotation continue. [0004] Cette architecture moteur reste aujourd'hui la plus utilisée, cependant elle présente des inconvénients. Un moteur à combustion interne présente un cycle de fonctionnement décomposé en quatre temps (admission, compression, combustion - détente, échappement) durant lesquels le basculement de la bielle autour d'un axe d'un fût de moteur engendre deux mouvements sur le piston, à savoir un mouvement de rotation autour de son axe, principalement dû au frottement entre le piston, l'axe et un pied de la bielle, et un mouvement de montée et de descente contre la paroi du fût moteur. [0005] Ces deux mouvements génèrent alors un frottement entre la bielle, l'axe et le piston, un jeu entre le piston et le fût de moteur et un décalage de l'axe du piston, celui-ci étant parfois nécessaire. [0006] Une technique pour remédier à ces inconvénients est de diminuer, voire supprimer un effort tangentiel sur la paroi du piston, induit par le mouvement pendulaire de la bielle, et donc de réaliser une translation du piston par un moyen n'impliquant pas de rotation de la bielle. [0007] Dans cette optique de réduction ou suppression de l'effort tangentiel, le brevet français FR 2 905 410 décrit un moteur thermique à conversion directe du mouvement alternatif en mouvement circulaire, comprenant au moins un module de propulsion ayant au moins une cellule de motorisation, cette cellule de motorisation comportant un piston guidé dans un cylindre et une unité d'accouplement pour coupler le piston à un arbre de transmission. Cette unité d'accouplement est réalisée par une liaison pignon - crémaillère, ladite crémaillère entraîne une roue libre dentée solidaire d'un arbre de transmission. [0008] L'unité d'accouplement comprend un système bielle - manivelle pour transmettre le mouvement du piston à l'arbre de transmission dans un sens unique. [0009] Quand le piston monte (correspondant au temps moteur de compression) la roue dentée tourne librement sans entraîner l'arbre de 15 transmission, et quand le piston descend (correspondant au temps moteur d'explosion) la roue engrène l'arbre de transmission. [0010] Conséquemment, cette unité d'accouplement ne permet pas d'entraîner en rotation l'arbre de transmission de manière continue sans l'utilisation d'une seconde cellule de motorisation. 20 [0011] Un premier objectif est alors de proposer un moyen d'entraînement de l'arbre de transmission, engrenant l'arbre de transmission pendant la montée et la descente du piston, au moyen d'une unique cellule de motorisation. [0012] Un second objectif est de proposer un moyen d'entraînement 25 du piston, donc de l'arbre de transmission, n'engendrant aucun effort tangentiel. [0013] Un troisième objectif est de proposer un système répondant aux deux premiers objectifs simultanément. [0014] A cet effet, il est proposé en premier lieu, un système 30 d'actionnement d'un volant moteur à combustion interne, ce système comprenant : - un dispositif de transmission solidaire du volant et comprenant un axe d'entraînement, ce dispositif étant actionné par la rotation de cet axe ; 35 un ensemble d'entraînement comprenant un bloc définissant un cylindre, au moins un piston coulissant dans le cylindre, le piston étant solidaire d'une crémaillère engrenant un pignon, le pignon étant solidaire en rotation, dans un premier sens et un second sens opposé au premier, de l'axe d'entraînement du dispositif de transmission, le dispositif de transmission comprenant un suiveur solidaire de l'axe d'entraînement, une manivelle liée au volant et un coupleur liant le suiveur à la manivelle. [0015] La combinaison du dispositif de transmission et du système d'entraînement permet la suppression totale de l'effort tangentiel transmis au piston, au bénéfice d'une course du piston plus longue. [0016] Le système d'entraînement par liaison pignon - crémaillère permet une transmission permanente du volant moteur, dans un premier sens et un second sens opposé au premier. [0017] Diverses caractéristiques supplémentaires peuvent être prévues, seules ou en combinaison : le dispositif de transmission, l'ensemble d'entraînement et un déphaseur sont solidaires entre eux au moyen d'une clavette ; au moins un système de guidage à rouleau est en contact permanent avec la crémaillère au moyen d'au moins un rouleau ; l'ensemble d'entraînement comprend au moins un pignon couplé à la crémaillère ; - le piston comprend un corps cylindrique creusé par des gorges, le corps comprenant une face d'extrémité supérieure, sensiblement plane ; le piston comprend une paire de pattes s'étendant en saillie depuis le corps du piston ; - le suiveur comprend deux parties amovibles l'une par rapport à l'autre : une base et un bras extensible s'étendant en saillie à partir de la base. [0018] Il est proposé, en deuxième lieu, un moteur comprenant un système d'actionnement tel que présenté précédemment. [0019] Avantageusement, l'ensemble d'entraînement comprend un bloc définissant deux cylindres, deux pistons coulissant dans les cylindres, les pistons étant solidaires de deux crémaillères, engrenant deux pignons. [0020] II est proposé, en troisième lieu, un véhicule comprenant un moteur tel que présenté précédemment. [0021] D'autres objets et avantages de l'invention apparaîtront à la lumière de la description d'un mode de réalisation, faite ci-après en référence aux dessins annexés dans lesquels : la figure 1 est une vue en perspective de dessus d'un véhicule automobile muni d'un moteur à combustion interne ; la figure 2 est une vue schématique de dessus du véhicule automobile de la figure 1 montrant un système d'actionnement d'un volant moteur ; la figure 3 est une vue schématique en perspective éclatée d'un détail du système d'actionnement d'un volant moteur de la figure 2; la figure 4 est une vue en coupe suivant le plan de coupe IV-IV de l'ensemble d'entraînement, montrant la position haute d'un piston (représentée en traits pleins) et la position basse du piston (représenté en traits pointillés) ; - la figure 5 est une vue de face du dispositif de transmission montrant celui-ci dans une première position (représentée en traits pleins), associée la position haute du piston, et une seconde position (représenté en traits pointillés), associée à la position basse du piston ; - la figure 6 est une vue en perspective de dessus du dispositif de transmission équipé d'un suiveur amovible, représenté dans une position repliée (représenté en traits pleins) et une position dépliée (représenté en traits pointillés) ; la figure 7 est une vue de face du dispositif de transmission équipé d'un suiveur amovible en position repliée, représenté dans une première position associée à la position haute du piston (représenté en traits pleins) et dans une seconde position associée à la position basse du piston (représenté en traits pointillés). [0022] Sur la figure 1 est représenté un véhicule 1 automobile ; dans l'exemple illustré il s'agit d'un véhicule de tourisme cependant il pourrait s'agir de tout autre type de véhicule. Le véhicule 1 est muni d'un moteur 2 à combustion interne. [0023] On définit par rapport au véhicule un repère orthogonal XYZ direct comprenant trois axes perpendiculaires deux à deux, à savoir : - un axe X, définissant une direction longitudinale, horizontale, confondue avec la direction générale de déplacement du véhicule, un axe Y, définissant une direction transversale, horizontale, qui avec l'axe X définit un plan XY horizontal, un axe Z, définissant une direction verticale, perpendiculaire au plan XY horizontal. [0024] Comme illustré sur la figure 2 le moteur 2 à combustion interne comprend un système 3 d'actionnement d'un volant 4 moteur 2, la rotation du volant 4 entraîne la rotation des roues 5 du véhicule 1 via une transmission (non référencée), des flèches illustrent le mouvement de rotation engendré par le volant 4 et transmis aux roues 5 par ladite transmission. [0025] Comme on le voit sur la figure 3, le système 3 est composé de deux parties complémentaires : un dispositif 6 de transmission étant solidaire du volant 4, et un ensemble 7 d'entraînement, ces deux parties étant toutes les deux solidaires d'un axe 8 d'entraînement composé de deux demi-axes, au moyen d'un blocage commun aux deux parties, tel qu'une clavette 9. [0026] Le système 7 comprend un bloc 10 définissant des cylindres 11, 12 dans lesquels coulissent des pistons 13, 14 entre une position haute des pistons 11, 12 et une position basse (visible sur la figure 4 montrant l'ensemble 7 en coupe). Les pistons 13, 14 coulissent plus précisément dans des cylindres 11, 12, définissant des chambres de combustion (non référencées). Chaque piston 13, 14 est respectivement solidaire d'une crémaillère 15, 16, celle-ci étant pivotante par rapport au piston 13, 14, autour d'un axe. [0027] Ces crémaillères 15, 16 sont avantageusement maintenues droites pendant leur mouvement de translation suivant l'axe Z, par des systèmes 17, 18 de guidage comprenant respectivement un support 19, 20 et un rouleau 21, 22 monté respectivement en rotation sur le support 19, 20, avec un axe par exemple. [0028] Chaque ensemble piston - crémaillère 13, 14 et 15, 16 entraîne respectivement dans son mouvement de translation un pignon 23, 24. Au moins un pignon 23 est solidaire de l'axe 8 d'entraînement au moyen de la clavette 9, de sorte à ce que la translation du piston 11 engendre la rotation de l'axe 8 d'entraînement par rapport à l'axe X. [0029] La rotation de cet axe 8 entraîne le dispositif 6 par le biais d'un suiveur 25. [0030] Le dispositif 6 de transmission comprend également un coupleur 26 guidé en rotation à une première extrémité autour d'un axe monté dans le suiveur 25, et guidé en rotation à une seconde extrémité autour d'un axe monté dans une manivelle 27, la manivelle 27 étant solidaire du volant 4 moteur 2 par un moyen de verrouillage approprié, par exemple une clavette. [0031] Avantageusement, un disque 28 sépare le volant 4 de la manivelle 27 afin d'assurer le couplage entre le volant 4 et la manivelle 27 [0032] Selon un mode de réalisation, entre le dispositif 6 de transmission et l'ensemble 7 d'entraînement, monté sur l'axe 8, se trouve un déphaseur 29, reliant les deux demi-axes définissant l'axe 8. Le déphaseur 29 permet de décaler l'angle de rotation entre ces deux demi-axes. [0033] Ce décalage permet de modifier la position du piston 13, 14 entre sa position au point mort bas et sa position au point mort haut (voir figure 4). Par conséquent, le déphaseur 29 permet de réaliser un taux de compression variable dans la chambre de combustion (non référencée), le taux de compression étant défini comme le rapport entre le volume disponible dans le cylindre 11, 12 pour le piston 13, 14 en position point mort haut et point mort bas. [0034] Le déphaseur 29 permet finalement de modifier la cylindrée Cylindre du moteur 2, définie par Vcondre =NxCxS, avec N le nombre de cylindres 11, 12, C la course du piston 13, 14, et S l'aire de la section du piston 13, 14. [0035] Avantageusement, le déphaseur 29 est hydraulique, pneumatique, électrique ou mécanique et est piloté par un calculateur. [0036] Comme illustré sur la figure 4, les pistons 13, 14 comprennent un corps cylindrique 30 (pour le premier piston 13), 31 (pour le second piston 14), dans ces corps 30, 31 deux rainures 32, 33 sont creusées, aptes à recevoir des joints d'étanchéité, de sorte à assurer l'étanchéité de la chambre de combustion. [0037] Deux paires de pattes 34, 35 s'étendent respectivement en saillie depuis les corps 30, 31 des pistons 13, 14, toutes les deux percées d'un trou, pour réaliser la liaison entre les pistons 13, 14 et les crémaillères 15, 16, au moyen d'un axe de piston. [0038] L'utilisation des paires de pattes 34, 35 en lieu et place des jupes présente l'avantage de supprimer tout frottement du piston 13, 14 avec une paroi 36, 37 des cylindres 11, 12, lorsque le piston 13, 14 translate suivant l'axe Z, le piston 13, 14 et son axe de piston étant susceptibles de légèrement vriller à cause de la transformation du mouvement de rotation en mouvement de translation. [0039] De plus, l'utilisation de pattes 34, 35 requiert moins de matière au piston 13, 14 et donc allège celui-ci. Ainsi, le rendement d'un moteur présentant des pistons 13, 14 sans jupes est augmenté. [0040] Les pistons 13, 14 comprennent également une face 38, 39 d'extrémité supérieure plane. L'écart entre les faces 38, 39 des pistons 13, 14 entre la position haute (représentée en traits pointillés) et la position basse (représentée en traits pleins) de ces pistons 13, 14 définit leur course, notée C. [0041] Les crémaillères 15, 16 sont des barres métalliques présentant chacune une pluralité de dents 40, 41, alignées sur la longueur de chaque crémaillère 15, 16. Les crémaillères 15, 16 sont percées à leur extrémité supérieure, de sorte à établir une liaison d'articulation avec les pistons 13, 14 au moyen d'un axe. [0042] Chaque crémaillère 15, 16 présente une rainure 42, 43 sur un flanc 44, 45, apte à accueillir respectivement le rouleau 21, 22 pour assurer le maintien vertical des crémaillères 15, 16, pendant leur mouvement de translation verticale. [0043] Les rouleaux 21, 22 sont articulés autour d'un axe solidaire aux supports 19, 20 des systèmes 17, 18 de guidage, lesdits guidages 17, 18 étant solidaires du bloc 10 cylindre. [0044] Les crémaillères 15, 16 sont engrenées de façon permanente avec les pignons 23, 24, qui sont eux même engrenés entre eux, de sortent à ce que le mouvement de translation des deux crémaillères 15, 16 soit simultané, les pignons 23, 24 tournant en sens inverse l'un par rapport à l'autre. [0045] Le mouvement de translation simultané des deux pistons 15, 16 permet une efficacité accrue de la transmission d'effort de l'ensemble 7 au dispositif 6 et donc au volant 4. [0046] Le pignon 23 est percé en son centre, afin d'accueillir l'axe 8 guidant celui-ci. Une rainure est creusée dans le trou formé, apte à recevoir un moyen d'entraînement entre le pignon 23 et l'axe 8, par exemple une clavette 9. [0047] Conséquemment, le mouvement de translation des crémaillères 15, 16 entraîne la rotation des pignons 23, 24 et alors la rotation de l'axe 8. Plus précisément, le cycle de fonctionnement du moteur, comprenant quatre temps (admission, compression, explosion, échappement), actionne la montée et la descente des pistons 13, 14 dans les cylindres 11, 12, les pistons 13, 14 solidaires des crémaillères 15, 16, entraînant alors la translation verticale des crémaillères 15, 16. [0048] La rotation de l'axe 8 par l'ensemble 7 d'entraînement actionne le dispositif 6 de transmission et plus précisément la rotation du suiveur 25. [0049] Le suiveur 25 ainsi que chaque composant du dispositif 6 de transmission est percé à ses deux extrémités, de sorte à ce que tous les composants soient articulés les uns par rapport aux autres par un moyen de guidage en rotation, par exemple un axe. De plus, l'un des trous du suiveur 25 est creusé par une rainure apte à coïncider avec la clavette 9 localisée dans la rainure du pignon 23, ainsi la rotation du pignon 23 ou 24 entraîne le suiveur 25 en rotation. [0050] Comme on peut l'apercevoir sur la figure 3 le suiveur 25 comprend deux plats, aptes à border le coupleur 26, articulé autour d'un axe solidaire du suiveur 25. Le coupleur 26 est bordé à son autre extrémité par la manivelle 27, comprenant deux plats percés à leurs extrémités, afin d'accueillir un axe guidant en rotation le coupleur 26 autour de celui-ci. [0051] La manivelle 27 comprend une rainure, creusée dans un de ses trous, apte à y inclure une clavette, celle-ci a pour but de lier le mouvement de rotation de l'ensemble suiveur 25 - coupleur 26 - manivelle 27 au volant 4 moteur 2. [0052] Un cycle moteur va définir des positions extrêmes pour chacun des composants du dispositif 6 de transmission. Comme on peut le voir sur la figure 5 le suiveur 25 suit une rotation d'un angle p entre une première position (représentée en traits pointillées) correspondante à la position point mort bas du piston 13, 14 et une seconde position (représentée en traits pleins) correspondante à la position point mort haut du piston 13, 14. [0053] Ainsi, le suiveur 25, le coupleur 26, la manivelle 27 et le bâti du moteur 2 définissent un mécanisme à quatre barres, dont trois sont mobiles (suiveur 25, coupleur 26 et manivelle 27), articulées entre elles par des liaisons tournantes, la quatrième barre étant fixe. [0054] Selon un mode de réalisation le suiveur 25 peut se décliner en deux parties amovibles l'une par rapport à l'autre, une base 46 et un bras 47 extensible, de sorte à pouvoir configurer la longueur de celui-ci et modifier l'angle de basculement du suiveur 25, ainsi modifier la course C du piston 13, 14 et donc la cylindrée du moteur 2. [0055] Sur la figure 6 on peut voir les deux positions de ce suiveur 25 amovible, le bras 47 extensible pouvant s'étendre d'une course notée D, et apte à configurer le rapport entre la course C des pistons 13, 14 et un angle À de rotation de la manivelle 27. [0056] Comme on peut le remarquer sur la figure 7, le suiveur 25 est en position repliée. Pour une rotation d'un tour complet de la manivelle 27, soit À égal à 360 degrés, plus la longueur du suiveur 25 sera importante plus l'angle p parcouru sera faible, et plus la cylindrée du moteur 2 sera petite. [0057] Inversement, plus la longueur du suiveur 25 sera moindre et plus la cylindrée du moteur 2 sera grande. [0058] Cette architecture présente l'avantage d'annuler le battement pendulaire de la bielle tout en augmentant la course de celle-ci sans affecter la hauteur du moteur, elle permet donc de modifier la cylindrée du moteur. [0059] Elle permet d'annuler les efforts tangentiels induits par la jupe des pistons sur les cylindres, de réduire la hauteur et la masse des pistons, de réduire les frottements, et ainsi d'augmenter le rendement du moteur grâce à la limitation des pertes thermiques entre les chambres de combustion et les parois des cylindres, [0060] La suppression des jupes des pistons permet de diminuer les frottements entre les pistons et les cylindres, au bénéfice d'une consommation de carburant réduite. REVENDICATIONS1. Système (3) d'actionnement d'un volant (4) moteur (2) à combustion interne, ce système (3) comprenant : un dispositif (6) de transmission solidaire du volant (4) et comprenant un axe (8) d'entraînement, ce dispositif (6) étant actionné par la rotation de l'axe (8) ; un ensemble (7) d'entraînement comprenant un bloc (10) définissant un cylindre (11), au moins un piston (13) coulissant dans le cylindre (11), le piston (13) étant solidaire d'une crémaillère (15) engrenant un pignon (23) ; ce système (3) étant caractérisé en ce que le pignon (23) est solidaire en rotation, dans un premier sens et un second sens opposé au premier, de l'axe (8) d'entraînement du dispositif (6) de transmission, le dispositif (6) comprenant un suiveur (25) solidaire de l'axe (8), une manivelle (27) liée au volant (4) et un coupleur (26) liant le suiveur (25) à la manivelle (27). 2. Système (3) d'actionnement selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif (6) de transmission, l'ensemble (7) d'entraînement et un déphaseur (29) sont solidaires entre eux au moyen d'une clavette (9). 3. Système (3) d'actionnement selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'au moins un système (17) de guidage à rouleau est en contact permanent avec la crémaillère (15) au moyen d'au moins un rouleau (21). 4. Système (3) d'actionnement selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'ensemble (7) d'entraînement comprend au moins un pignon (23) couplé à la crémaillère (15). 5. Système (3) d'actionnement selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le piston (13) comprend un corps (30) cylindrique creusé par des gorges (32), le corps (30) comprenant une face (37) d'extrémité supérieure, sensiblement plane. 6. Système (3) d'actionnement selon la revendication 5, caractérisé en ce que le piston (13) comprend une paire (34) de pattes s'étendant en saillie depuis le corps (30) du piston (13). 7. Système (3) d'actionnement selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le suiveur (25) comprend deux parties amovibles l'une par rapport à l'autre : une base (46) et un bras (47) extensible s'étendant en saillie à partir de la base (46). 8. Moteur (2) comprenant le système (3) d'actionnement selon l'une quelconque des revendications précédentes. 9. Moteur (2) selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'ensemble (7) d'entraînement comprend un bloc (10) définissant deux cylindres (11, 12), deux pistons (13, 14) coulissant dans les cylindres (11, 12), les pistons (13, 14) étant solidaires de deux crémaillères (15, 16), engrenant deux pignons (23, 24). 10. Véhicule (1) automobile comprenant un moteur (3) selon l'une des revendications 8 ou 9. 15