Ensemble de volants pour moteur thermique, en particulier
pour véhicules automobiles.
L'invention concerne les moteurs alternatifs à
pistons, en particulier les moteurs thermiques utilisés pour l'entraînement des véhicules.
On sait qu'un moteur thermique à pistons comporte normalement, calé sur son arbre moteur, un volant d'inertie dont le rôle est de régulariser le couple moteur au cours
de chaque cycle et accessoirement de favoriser le démarrage du
du récepteur, en particulier du véhicule, dans le cas d'une transmission comportant un embrayage. Par suite, le moment d'inertie du volant est d'autant plus important pour une même cylindrée que le nombre de cylindres est faible, que le régime de ralenti
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l'énergie accumulée par le volant d'inertie étant proportionnelle au carré de la vitesse de rotation du moteur, il en résulte que l'inertie nécessaire au régime minimum du moteur ou au démarrage du véhicule se trouve surabondante au régime rapide, puisqu'elle est de 36 à 100 fois supérieure.
Ceci est sans inconvénient dans un grand nombre d'applications industrielles où les récepteurs ont des régimes de fonctionnement à peu près constants. Par contre, si les régimes d'utilisation sont très variables et les variations très fréquentes, comme c'est le cas par exemple des véhicules automobiles circulant sur des voies très encombrées, l'excès de moment d'inertie est nuisible. En effet, aux régimes élevés il nuit aussi bien aux accélérations qu'il retarde, en augmentant par conséquent la consommation de carburant, qu'aux décélérations au cours desquelles l'énergie cinétique excédentaire doit être absorbée dans des résistances passives telles que les freins.
Dans une automobile, l'énergie cinétique du volant est, en prise directe, pratiquement négligeable devant celle du véhicule, mais elle devient importanté en valeur relative pour les rapports de transmission inférieurs. Si par exemple la masse du volant est de l'ordre de 1% de celle du véhicule, si R est le rayon de giration du volant, c'est-à-dire le rayon théorique où toute sa masse serait concentrée, et si la vitesse linéaire de cette masse au niveau R est, en prise directe, 2,5 fois celle du véhicule, l'énergie cinétique du volant est de (2,5<2>)/100, soit 6,25% de l'énergie cinétique du véhicule. Si l'on suppose maintenant que les rapports de la boite de vitesses sont étages par rapport à la prise directe dans les rapports 3/4, 1/2, 1/4, l'énergie cinétique du volant sera respectivement pour ces rap-ports 11%, 25% et 100% de celle du véhicule.
On peut donc dire que, dans l'exemple choisi, du fait du volant d'inertie,* la masse apparente du véhicule à l'accélération en première vitesse est portée au double de sa masse réelle. Par suite, dans une ville encombrée où les variations d'allure du véhicule et de régime du moteur lors des changements de rapport sont très fréquentes, la somme des énergies ainsi gaspillée n'est plus du tout négligeable.
Il faut enfin remarquer qu'au régime rapide, l'énergie cinétique des pièces mécaniques indispensable, en particulier du vilebrequin, devient importante et qu'au delà d'un certain régime, qui dépend d'un grand nombre de facteurs tels que le type du moteur, le nombre de cylindres, l'inertie des pièces tournantes et les régimes maximum et minimum, le volant d'inertie pourrait être supprimé ou au moins considérablement réduit. Mais alors
le moteur ne serait plus susceptible de fonctionner au-dessous de ce régime limite.
Le but de l'invention est précisément de conserver au moteur les avantages du volant d'inertie habituel tout en supprimant les inconvénients signalés.
L'invention consiste à monter sur l'arbre moteur un volant d'inertie de type habituel mais tournant fou sur cet arbre, sur lequel est calé un autre volant d'inertie réduite tournant à proximité immédiate du premier, avec un dispositif d'accouplement mécanique permettant d'exercer un couple d'entraînement entre le volant d'inertie et le volant réduit et de découpler cet entraînement au-dessus d'un certain régime limite.
Dans son mode de réalisation le plus simple, le volant réduit peut être disposé concentriquement au volant d'inertie et à l'intérieur de celui-ci, et le dispositif d'accouplement être constitué par des garnitures de friction douées d'une certaine masse et entraînées par le volant d'inertie tout en étant pressées sur la périphérie du volant réduit par des ressorts de rappel tarés pour obtenir le découplage au régime limite.et par conséquent le recouplage au-dessous de ce régime.
A titre de perfectionnement, ce dispositif peut comporter entre le volant d'inertie et le volant réduit, une roue libre empêchant que ce dernier tourne moins vite que le premier.
En variante,cette roue libre peut être remplacée par un dispositif d'autoserrage unidirectionnel des pièces de friction agissant dans le sens de rotation voulu.
Dans un mode de réalisation plus perfectionné, le dispositif de couplage entre le volant d'inertie et le volant réduit est constitué par un coupleur électromagnétique commandé par un relais à seuil connecté à une machine électrique tournante liée au volant et fonctionnant en génératrice tachymétrique, l'ensemble pouvant alors avantageusement être complété par un autre relais à seuil qui coupe également l'alimentation du coupleur électromagnétique pour les bas régimes du moteur, lorsqu'on ne demande plus de puissance, le moteur pouvant alors de ce fait s'arrêter sans comporter de régime de ralenti,
alors que toute nouvelle demande de puissance provoque le redémarrage immédiat du moteur par simple actionnement du dispositif d'accouplement électromagnétique qui couple le moteur arrêté sur le volant d'inertie dont la vitesse est entretenue par la machine tournante fonctionnant en moteur électrique.
D'autres particularités de l'invention apparaîtront dans la description qui va suivre de divers modes de réalisation pris comme exemples et représentés sur le dessin annexé, sur lequel :
- la figure 1 est une coupe axiale partielle du mode de réalisation le plus simple;
- la figure 2 est une coupe transversale partielle selon II-II de la figure 1;
- la figure 3 est une vue correspondant à la figure 2 dans une variante de réalisation;
- la figure 4 est le schéma électrique de l'installation de la variante électromagnétique la plus complète.
On voit sur la figure 1 l'extrémité 1 du vilebrequin tournant dans le dernier palier 2 du bloc moteur 3. Cette extrémité de vilebrequin 1 comporte un bout cannelé 4 servant habituellement à l'accouplement du volant moteur. Conformément à l'invention, on cale sur ce bout 4, non pas le volant moteur habituel, mais un volant 5 d'inertie réduite à une valeur presque négligeable, et on dispose à proximité de ce volant réduit 5 le véritable volant d'inertie 6 dont la jante massive est réunie par un voile 7 à un moyeu 8 qui tourne f ou, par exemple au moyen de
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Dans les circonstances où le volant d'inertie 6 est nécessaire au fonctionnement du moteur, il est accouplé par un dispositif approprié avec le volant réduit 5, alors qu'au contraire dans les circonstances où l'inertie de ce volant est excessive
et de ce fait nuisible, le même dispositif découple le volant 6 du volant réduit 5.
Dans le mode de réalisation le plus simple que l'on puisse imaginer et qui est celui représenté sur la figure 1, ce dispositif d'accouplement entre le volant 6 et la partie 5 est constitué par des masselottes 11, disposées dans le volant 6 de manière à pouvoir coulisser radialement dans celui-ci, et comportant chacune une garniture de friction 12 venant agir sur la périphérie cylindrique du volant réduit 5 sous l'effet de ressorts 13 du tarage voulu pour obtenir le couple désiré.
A l'arrêt et pour les faibles régimes du moteur, le volant d'inertie 6 se trouve donc solidarisé avec le volant réduit 5 et par suite avec le vilebrequin 1, ce qui permet au moteur de fonctionner de la manière habituelle. Naturellement, à la suite du dispositif représenté sur la figure 1, se trouve un embrayage ou un dispositif équivalent permettant d'entraîner l'arbre d'entrée de la boîte de vitesses à partir de l'arbre moteur 1 ou du volant réduit 5, mais non du volant d'inertie 6.
La masse des masselottes 11 est déterminée en fonction du tarage des ressorts 13 prédédents pour que, sous l'effet de la force centrifuge, le couple d'entraînement du volant d'inertie 6 par le volant réduit s'annule au-dessus d'un régime limite défini comme plus haut par la condition que le moteur est capable de fonctionner sans volant d'inertie au-dessus de ce régime par la seule inertie de ses propres pièces en mouvement, en particulier du vilebrequin et du volant réduit 5.
Ce régime limite peut correspondre par exemple à un régime de 30 à 35% du régime maximum du moteur, ce qui, en f onction de la loi du carré indiqué plus haut, correspond à des énergies cinétiques du volant accouplé inférieures à 10% de l'énergie ci-nétique que prendrait ce même volant au régime maximum s'il n'était pas découplé.
Le découplage du volant 6 d'avec le volant 5 peut sans inconvénient avoir une certaine progressivité mais dans tous les cas il est clair que, quelle que soit la vitesse de rotation du volant réduit 5 au-dessus du régime limite, la vitesse du volant d'inertie 6 se stabilise à une valeur pour laquelle le couple d'entraînement des masselottes 11 prend la valeur très faible qui correspond au couple d'entraînement à vide à vitesse constante du volant 6.
En effet, le roulement 9 n'introduit qu'un couple très faible, et de toute façon dans le sens moteur, de sorte qu'il ne subsiste que les forces de frottement de l'air environnant pour freiner le volant d'inertie 6, ce qui correspond effectivement à un couple très faible, d'où il résulte que pratiquement le volant d'inertie 6 conserve une vitesse constante égale au régime limite, puisque tout ralentissement se traduit par un recouplage progressif jusqu'à un nouveau découplage.
Au contraire, si le moteur et le volant réduit 5 ralentissent et repassent ce régime limite par valeurs décroissantes, cela produit un recouplage du volant d'inertie au moment de ce franchissement. Toutefois, si la progressivité du couplage à friction par les masselottes 11 n'est pas parfaite et que de ce fait la régulation de la vitesse du volant d'inertie 6 présente un pompage, c'est-à-dire des oscillations au-dessus et au-dessous d'une vitesse moyenne, il peut se produire que le volant 6, lancé au cours d'une de ces oscillations, mette un certain retard réaliser le recouplage, ce retard permettant alors au moteur et au volant 5 de descendre à un régime très inférieur au régime limite, de sorte qu'il se produit à ce moment là un à-coup lors du recouplage.
Pour éviter cela, on peut disposer, comme dans l'exemple représenté sur la figure 2, un dispositif de roue libre ou équivalent constitué par exemple par des billes 14 agissant sur la périphérie du volant 5 en glissant chacune le long d'un chemin incliné 15 du volant 6 en étant rappelé par des ressorts de rappel 16, de telle manière que si la rotation de l'ensemble se produit dans le sens 17, le volant 5 ne puisse tourner moins vi-te que le volant 6, car il se produit à ce moment là un coincement des billes 14.
A titre de variante, on peut également, comme représenté sur la figure 3, combiner l'ensemble des masselottes 11 et des billes 14 en dotant les masselottes d'un pouvoir autoserreur dans un sens déterminé, par exemple en les articulant au moyen de biellettes obliques 18, le ressort 13 étant dans ce cas avantageusement remplacé par un ressort à lame 19. En effet, dans
ce cas encore, toute tendance du volant 5 à ralentir au-dessous de la vitesse du volant 6 a pour effet, grâce à un début de friction même faible existant entre les garnitures 12 et le volant 5, de produire automatiquement l'arc-boutement des biellettes 18 dont l'effet s'ajoute à la poussée du ressort 19.
On voit déjà que l'invention, même sous ses formes sim- ples, permet en découplant le volant d'inertie 6 au-dessus du régime limite, c'est-à-dire en fait dans la plage pratique d'utilisation comprise entre 1/3 et 2/3 du régime maximum, d'obtenir des accélérations et des décélérations plus franches. Inversement aux accélérations ou décélérations égales, la dépense de carburant et l'usure des freins sont respectivement plus faibles. On peut également profiter de l'invention pour utiliser un volant découplable 6 plus lourd, afin d'obtenir un meilleur ralenti et un démarrage plus facile. Enfin il est possible, à puissance et accélération égales, de réaliser avec le dispositif des moteurs ayant un nombre de cylindres plus faible donc plus économiques que les moteurs à volant fixe.
Bien entendu, le dispositif réalisant le couplage mécanique entre le volant d'inertie 6 et le volant réduit 5 peut utiliser n'importe quel type d'embrayage connu, par exemple hydraulique ou électromagnétique en utilisant dans chaque cas un détecteur de vitesse approprié pour assurer la commande.
Dans la description qui précède, on remarque que le volant d'inertie 6 n'est utile qu'entre la vitesse de ralenti du moteur, soit environ 15% du régime maximum, et la vitesse de découplage, soit environ 30% du régime maximum. Il ne sert à rien en dessous de cette vitesse minimum de ralenti. Or à ce régime, son énergie cinétique serait déjà largement suffisante pour as-surer le lancement du moteur. Il faudrait pour cela pouvoir assurer le découplage du volant d'inertie par un moyen autre que centrifuge et supprimer la roue libre, ce qui est assez complexe
à obtenir par voie mécanique, mais réalisable selon l'invention par voie électrique, comme dans l'exemple représenté sur la figure 4.
Dans cet 'exemple, on a encore le volant 6 tournant fou autour du volant réduit 5, mais le dispositif d'accouplement entre les deux est constitué par un coupleur électromagnétique d'un type connu, logé par exemple dans l'espace 20 compris entre les deux pièces (figure 1). Ce coupleur est représenté sur le schéma de la figure 4 par son enroulement 21. D'autre part, le volant d'inertie 6 est entraîné, par exemple au moyen d'une simple courroie 22, par un moteur électrique 23 à excitation compound, c'està-dire comportant une excitation série 24 et une excitation shunt
25. En plus de cette fonction d'entretien du mouvement du volant d'inertie 6, ce moteur électrique 23 joue également le rôle de génératrice tachymétrique et même de démarreur, comme on le verra par la suite. Ce moteur 23 est éventuellement protégé par un limiteur d'intensité 26.
Sur le shéma de la figure 4, on a représenté par + et les deux lignes d'alimentation électrique du circuit de bord du véhicule. On voit d'autre part le contact d'allumage 27 qui est fermé lorsque le véhicule fonctionne et un contact auxiliaire 28 qui, au repos, se trouve ouvert par l'action de la pédale d'accélérateur 28a lorsque celle-ci est elle-même en position de repos, et qui se trouve par conséquent fermé dès que cette pédale d'accélérateur quitte sa position de repos. On voit d'autre part en 29 un relais dont le bobinage principal 30 est commandé par le contact 28 et dont le bobinage de maintien 31 est alimenté directement par le contact d'allumage 27, ce relais comportant un contact de travail 32 et un contact de repos 33.
Ce contact de repos 33 alimente par l'intermédiaire du contact d'allumage 27 la bobine 34 d'un relais comportant un contact de travail 36 qui ferme le circuit comprenant l'inducteur série 24 en série avec l'induit de la machine 23 et son inducteur shunt 25, et enfin le limiteur d'intensité 26. Enfin, aux bornes de l'inducteur shunt 25 se trouvent raccordées en parallèle les bobines 37 et 38 de deux relais, respectivement 39 et 40, dont
le premier 39 comporte un contact de travail 41 refermant le circuit des bobines 31 et 30 précédentes du relais 29, et le second
40 comporte un contact de repos 42 qui alimente le bobinage 21 du coupleur électromagnétique par l'intermédiaire du contact de travail 32 du relais 29 précédent.
Les relais 39 et 40 sont des relais à seuil réglés pour que, lorsque la machine 23 fonctionne en génératrice tachymétrique, le relais 39 se trouve désexcité; c'est-à-dire ouvre le contact 41, dès que le régime se trouve au-dessous d'un régime minimum, fixé par exemple à 10% du régime maximum, et que le relais
40 se trouve excité, c'est-à-dire ouvre le contact 42, dès que le régime dépasse le régime limite, c'est-à-dire par exemple 30% du régime maximum.
De cette manière, lorsque le moteur foncionne, c'est-àdire lorsque le contact d'allumage 27 est fermé et la pédale
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tact 28, le contact 41 étant par ailleurs fermé par le relais 39, puisque le moteur tourne au-dessus du régime minimum, cela a pour effet d'alimenter les deux bobines 30 et 31 du relais 29, lequel, d'une part, ouvre le contact 33, permettant au relais 35 d'ouvrir le contact 36, ce qui permet précisément à la machine 23 de fonctionner en génératrice tachymétrique, et d'autre part ferme le contact 32, ce qui alimente le coupleur 21 par l'intermédiaire du contact 42. Le moteur fonctionne donc normalement jusqu'à ce que sa vitesse dépasse le régime limite, auquel cas le relais 40 ouvre le contact 42 et supprime l'action du coupleur.
Comme pré- ' cédemment, le volant d'inertie 6 se trouve donc entraîné à ce régime limite, et ceci d'une part par la réversibilité de l'action de couplage et découplage, et d'autre part par le fait que le coupleur électromagnétique peut présenter un couple résiduel qui suffit à équilibrer le couple résistant, ce.qui peut suffirez l'entretien du volant 6 ou constituer un appoint appréciable.
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ple précédent en se découplant au-dessus du régime limite. Cependant, grâce à l'agencement indiqué, il peut en outre être dé-couplé lorsque le régime du moteur tombe au-dessous du régime minimum indiqué. En effet, dans ce cas la tension fournie par la génératrice 23 n'est plus suffisante pour maintenir collé le relais 39, de sorte que celui-ci ouvre le contact 41, ce qui coupe l'alimentation du relais 29 et par suite ouvre le contact 32 qui coupe l'alimentation du coupleur 21. En même temps, le relais
29 ferme le contact 33, ce qui excite le relais 34 et par suite ferme le contact 36, ce qui a pour effet d'alimenter la machine électrique 23 qui fonctionne en moteur compound à vitesse stabilisée réglée pour entraîner le volant 6 à la vitesse de lancement, égale par exemple à 20% du régime maximum.
On a vu que le relais 29 comporte un enroulement principal 30 et un enroulement de maintien 31. Cela permet, lors du fonctionnement entre le régime minimum et le régime limite, de pouvoir relâcher l'accélérateur 28a sans que le relais 29 bascule, étant maintenu par son bobinage de maintien 31. Par contre, lorsqu'on est au-dessous du régime minimum et que le contact 36 est fermé, l'alimentation du moteur 23 a pour effet d'actionner
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étant à ce moment là lâché, donc le contact 28 ouvert, la seule alimentation par 41 du bobinage de maintien 31 ne suffit pas à faire basculer le relais 29 qui reste en position de repos.
On voit donc que lorsqu'on lâche l'accélérateur, le moteur ralentit et, contrairement à ce qui se passe avec les moteurs habituels, lorsqu'on franchit en régimes décroissants le régime minimum, le volant 6 est découplé et continue seul à être entraîné par la machine électrique 23, alors que le moteur luimême, abandonné à bas régime sans volant d'inertie, s'arrête complètement. Bien entendu, que le moteur soit à carburation ou à injection, les dispositifs habituels d'alimentation au ralenti sont supprimés, ce qui constitue une simplification.
On voit donc en particulier que chaque fois que le véhicule s'arrête, le moteur s'arrête aussi, ce qui supprime du même coup les principales causes de pollution dues au fonctionnement du moteur au ralenti, et naturellement une économie de carburant non négligeable dans les villes encombrées.
On voit d'autre part qu'il suffit dans ces conditions <EMI ID=6.1>
effet de fermer le contact 28 et par suite d'alimenter le bobinage principal 30 du relais 29, le contact 41 étant alors fermé comme exposé plus haut. ce qui alimente par 32 le coupleur 21 et ouvre par 33 et 35 le contact 36 d'alimentation du moteur 23. Le moteur encore chaud accouplé à son volant d'inertie 6 tournant au régime limite démarre donc instantanément, même si une vitesse est déjà engagée. Lorsque le moteur est froid, c'est-à-dire lors du premier démarrage ou après une longue immobilisation, le démarrage se produit de la même façon mais il faut prendre soin, après fermeture du contact d'allumage 27, d'attendre quelques secondes que le volant 6 ait pris son régime de lancement.
En appuyant ensuite la pédale d'accélérateur 28a, cela produit le démarrage du moteur par inertie, de sorte que le dispositif permet non seulement de supprimer le ralenti, mais également le démarreur.
Bien entendu, si dans ce cas le démarrage ne se produit pas, l'usager lâche la pédale d'accélérateur le temps nécessaire pour relancer à nouveau le volant d'inertie et recommence le processus autant de fois que nécessaire. Grâce au démarrage par inertie,
la machine électrique 23 peut être d'une puissance relativement faible et finalement le démarrage, bien qu'un peu plus long, consomme moins de courant qu'un démarreur habituel.
On voit ainsi que l'invention, sous cette dernière forme permet, avec un matériel très simple comportant un coupleur électromagnétique et une machine électrique de faible puissance ainsi que quelques relais, d'obtenir, en plus de tous les avantages exposés précédemment pour les premiers modes de réalisation, de supprimer le démarreur et l'alimentation de ralenti, avec de ce fait une réduction de consommation électrique et de consommation de carburant, tant lors de l'immobilisation à l'arrêt du véhicule que lors du fonctionnement en "rétro", le frein moteur étant par ailleurs amélioré et la pollution annulée grâce à la suppression complète de toute alimentation pendant ces périodes où l'on lâche l'accélérateur et qui sont de loin celles habituellement les plus polluantes.
REVENDICATIONS
1/ Procédé d'entraînement d'un véhicule automobile caractérisé en ce qu'à la suite d'un moteur à combustion interne on
monte un volant d'inertie qui est calé de façon concentrique sur
le vilebrequin et qui est embrayable et débrayable par rapport
audit vilebrequin, en ce que, lorsque l'on ne demande pas de puissance au moteur, i.e. dans des,conditions de fonctionnement où le moteur n'entraîne pas le véhicule, (par exemple au cours du ralentissement, du freinage, à l'arrêt ou en marche par inertie du véhicule), le moteur est arrêté, et pour pouvoir mettre le moteur
à nouveau en marche, le volant d'inertie est découplé du moteur,
avant que ce dernier ne s'arrête, et est maintenu à une vitesse
de rotation déterminée, en ce que pour provoquer le redémarrage
immédiat du moteur on couple à nouveau le volant d'inertie au moteur arrêté et on lance ainsi le moteur, et en ce que pour un premier démarrage du moteur, ou après une longue immobilisation du véhicule, on amène le volant d'inertie, à l'état découplé, à une vitesse de rotation déterminée, puis on couple ledit volant
d'inertie au moteur.