CA1145265A - Moteur thermique a combustion interne et a injection - Google Patents

Abstract

Abrégé. L'invention a pour objet un moteur thermique à combustion interne et à injection comportant dans chaque cylindre, un piston axial relié par une bielle à un vilebrequin et un piston creux (6) qui est disposé coaxialement autour du piston axial et qui est entraîné en translation par des biellettes (19) articulées sur des manetons (20) qui sont entraînés par un train d'engrenage cycloïdal comportant un satellite (21), une couronne dentée planétaire (22) et deux pignons (24 et 25), ce dernier étant calé sur le vilebrequin. La tête (8) du piston creux sépare une chambre de combustion (10) d'une chambre d'admission (Il) et comporte des ouvertures (8a) obturées par un clapet annulaire (9) s'ouvrant automatiquement vers l'intérieur de la chambre (10). Fig. 1.

Description

"" 1:1~52ti5 Moteur thermique a combustion interne et à injection.
La presente invention a pour objet des moteurs thermiques à combustion interne et à injection.
Les moteurs selon l'invention sont du type comportant au moins un cylindre dans lequel se deplace un piston qui est relie à
~m vilebrequin par une bielle.
On connaît les moteurs à quatre temps dans lesquels les pha-ses successives d'admission.de compression, de détente et d'échappe-ment ont lieu au cours de deux rotations successives du vilebrequin.
Dans les moteurs à quatre temps connus, le rendement energetique de-pend de divers facteurs et il n'est pas possible dloptimaliser le ren-dement par suite des interferences dues à l'agencement des organes du moteur.
Un objectif de l'inventon est de procurer des moteurs thermi-IS ques dlun nouveau type afin de permettre dlameliorer les conditions deremplissage des cylindres, dlaméliorer le rendement thermique, d'adap-ter le taux de compression à la puissance demandée, de déterminer avec précision le dosage du carburant en fonction du volume d'air admis réellement dans la chambre de combustion et d'adapter les variat.ions volumétriques de la chambre de détente afin deprolongerla détenteetd'u-tiliserune plus grande partie de llénergie dégagéepar lacDmbustion.
Un autre objectif de l'invention est de procurer des moteurs thermiques à quatre temps comportant une chambre d'admission d'air séparée de la chambre de combustion et de détente, de sorte qu'il est possible d'adapter séparement la structure de chaque chambre à sa fonction et qu'il devient possible de produire une combustion au cours de chaque tour du vilebrequin.
Les moteurs selon l'invention sont du type connu comportant dans chaque cylindre un piston axial qui est relie à un vilebrequin par une bielle.
Les objectifs de l'invention sont atteints au moyen de mo-teurs dans lesquels chaque cylindre comporte un deuxieme piston creux, qui est dispose coaxialement autour du piston axial, qui est deplace d1un mouvement alternatif synchronise et dephase par rapport au mouve-ment alternatif du piston axial et qui comporte une jupe cylindriquedans laquelle se deplace le piston axial, un disque evide place en travers d'une extrémité de ladite jupe et un clapet qui obture les ou-vertures dudit disque et qui s'ouvre automatiquement vers l'intérie ,~ ~

~145~65 dudit piston creux.
Les pistons creux sont entraînés ?2r deux biellettes dia-metralement opposees qui sont articulées ch2cune sur un maneton qui parcourt une trajectoire cycloidale. De preference, cette trajec-toire cycloidale est une cycloide trilobee a trois sommets.
Chacune des biellettes est entraînee par un train d'engre-nage cycloidal qui comporte :
- une couronne dentee planetaire fixe;
- un pignon satellite qui roule sur ladite couronne dentee et qui porte un maneton excentre autour duquel la tête de ladite biellette est articulee et un palier coaxial audit pignon satellite;
- un premier pignon d'entraînement en rotation dudit pi-gnon satellite qui est coaxial avec ladite couronne dentée et qui por-te un alesage excentre dans lequel ledit palier est engage et tourne librement;
- et un deuxieme pignon cale sur le vilebrequin qui entraî-ne le premier pignon a une vitesse synchronisee avec celle du vile-brequin.
Selon un mode de realisation preferentiel, la couronne den-tee planetaire est fixee sur un bras qui porte un alesage qui estengage coaxialement sur le vilèbrequin, de telle sorte qu'on peut deplacer angulairement ladite couronne dentee et ledit premier pi-gnon autour de l'axe du vilebrequin, ce qui fait toùrner ladite trajectoire cycloldale autour de son centre et fait varier le dephasage entre les mouvements alternatifs du premier piston et du piston creux.
Un moteur selon l'invention comporte,en outre, des moyens tels que des vis ou des verins hydrauliques pour ajuster la position angulaire du bras qui porte la couronne dentee planetaire.
Le pied de chacune des biellettes est articulee sur un coulisseau qui est constitue par une plaquette emboîtee dans un me-plat taille dans la face externe de la jupe dudit piston creux, la-quelle plaquette coulisse dans deux glissières parallèles à l'axe commun aux deux pistons.
Chaque cylindre comporte une chambre de combustion et de détente et une chambre d'admission,de volume variable,qui sont sepa-rees par la tête dudit piston creux.
L'extremite de chaque cylindre opposee au vilebrequin est 11~5;~6S

obturee par une culasse comportant des conduits d'admission d'air qui sont obtures par un clapet automatique qui s'ouvre vers l'inte-rieur de la chambre d'admission et la chanlbre d'admission comporte au moins une lumière laterale qui est obturee par un volet qui coulisse parallèletnent à l'axe du cylindre et qui comporte des moyens pour ajuster sa position.
L'invention a pour resultat de nouveaux moteurs thermiques à combustion interne et à injection. L'injection de carburant a lieu directement dans la chambre de combustion et/ou dans la chambre d'admission d'air.
Les moteurs selon l'invention presentent de nombreux avanta-ges lies à la presence dans chaque cylindre d'un deuxième piston creux qui enveloppe le piston axial et qui est entraîne d'un mouvement alternatif synchronise avec le mouvement alternatif du piston axial, mais dephasé par rapport à celui-ci.
Un premier avantage tient au fait que chaque cylindre est divise en deux chambres de volume variable, qui sont separees par le piston creux. Une de ces chambres sert de chambre d'admission d'air tandis que l'autre sert de chambre de combustion et de détente. Il en résulte que les phases d'admission et de dosage d'air peuvent avoir lieu simultanément avec les phases de compression, detente et ech.lppe-ment et qu'il devient possible d'obtenir un moteur à quatre temps comportant une phase de combustion et de detente et donc un temps moteur au cours de chaque tour de vilebrequin.
Un autre avantage réside dans le fait que l'on peut doser facilement le volume d'air admis au cours de chaque cycle en faisant varier la hauteur du bord inférieur d'un volet coulissant qui obture une lumière d'entrée d'air dans la chambre d'admission. Le vo-lume admis varie linéairement avec la position du volet. On peut asser-vir linéairement le débit de l'injecteur de carburant à la position du volet et obtenir ainsi un mélange d'air et de carburant dans des pro-portions qui restent sensiblement constantes quel que soit le régime du moteur. On obtient ainsi facilement un réglage du mélange combusti-ble bien plus précis que celui qui est réalisé par les systèmes à
dépression, du type carburateur, et également plus précis que celui obtenu dans les moteurs à injection de type connu,d'où une économie de carburant.
~- Un autre avantage réside dans le fait que la chambre de .. ' ' :

, '' . , ': '' ~ ' :
.

11~5265 combustion qui est delimitee par deux pistons permet d'obtenir un rapport de compression independant du rapport de detente, alors que sur les moteurs à piston, ces deux rapports sont forcement egaux.
Il en resulte que l'on peut construire des moteurs à essen-ce ayant des rapports de détente supérieursà 10, car on n'est pluslimité par les risques de détonation du carburant et les moteurs à
essence selon l'invention ont donc un meilleur rendement.
Un autre avantage important réside dans le fait que la compression maxima et l'allumage ont lieu non plus au point mort haut du piston axial ou même avant passage par le point mort haut en cas d'avance à l'allumage, mais apres que le piston axial a deja fran-chi le point mort haut et a un moment ou le piston axial a deja pris une certaine vitesse et ou les deux pistons se deplacent dans le même sens. La vitesse de detente est donc plus elevée au début de la détente et une plus grande partie de l'énergie est utilisée pour pro-duire du travail mécanique au debut de la détente ce qui a pour effet de réduire la température du moteur et donc de faciliter le refroi-dissement et aussi de réduire les pertes de calories dissipées dans les circuits de refroidissement et donc d'ameliorer le rendement On a calcule que la temperature moyenne pendant la detente serait de l'ordre de 2.000K pour un moteur selon l'invention contre

2.300K pour un moteur a quatre temps de mêmes dimensions.
Un autre avantage des moteurs selon l'invention reside dans le fait que l'on peut faire varier le volume minima de la chambre de 2S detente et donc le rapport de compression et le rapport de detente en faisant pivoter autour de l'axe du vilebrequin le bras qui porte les trains d'engrenage cycloldaux, ce qui permet d'adapter ces rapports au remplissage du moteur et d'ameliorer le rendement.
Un autre avantage des moteurs selon l'invention réside dans le fait que le volume de la chambre de détente continue à croître après que le piston axial a franchi le point mort bas du fait que le piston creux remonte avec une vitesse supérieure a celle du piston axial. Il en resulte un rapport de détente plus élevé. Le couple re-sistant qui s'exerce sur le piston axial pendant le debut de la remon-tee est compensé par un couple moteur qui est exerce a ce moment ducycle par le piston creux.
Le couple moteur moyen d'un moteur selon l'invention ayant même course et même alésage qu'un moteur à quatre temps est multiplié

.

s par un facteur egal à environ 1,5.
Un moteur selon l'invent;on est un moteur sans soupapes commandees. L'admission d'air dans la chambre d'admission et dans la chambre de combustion ont lieu automatiquement à travers des clapets automatiques et l'echappement a lieu egalement automatiquement par des lumières latérales de la jupe du piston creux.
Les sections de passage des clapets tares d'un moteur selon l'invention peuvent être nettement superieures à celles des soupapes qui equipent les moteurs à quatre temps car il n'y a pas sur une même culasse une soupape d'echappement juxtaposee à une soupape d'admission.
D'autre part, la duree de remplissage de la chambre d'admission s'e-tend sur une fraction de cycle qui est de l'ordre de 280 contre 180 environ pour un moteur à quatre temps. Il en resulte que le remplissa-ge du cylindre en air de combustion reste bon même à des regimes de fonctionnement eleve de l'ordre de 8.000 tours minute.
La description suivante se refere aux dessins annexes qui representent, sans aucun caractere limitatif, un exemple de realisa-tion d'un moteur selon l'invention.
Les figures 1 et 2 sont des coupes axiales du moteur per-pendiculaires l'une à l'autre. La figure 1 est parallèle à l'axe duvilebrequin et la figure 2 est perpendiculaire à cet axe.
La figure 3 est une figure géométrique qui représente la trajectoire hypocycloldale du maneton entraînant le piston creux.
La figure 4 est un diagramme qui représente les courses des pistons en fonction du temps.
La figure 5 est une vue en perspective du train d'engrena-ge cycloldal entraînant le piston creux.
La figure 6 est une coupe selGn VI-VI perpendiculaire à
l'axe des pistons.
Les figures 7 à 14 sont des vues montrant les positions suc--cessives des pistons au cours d'un cycle.
Les figures 1 et 2 représentent à titre d'exemple un moteur à combustion interne à un seul cylindre mais bien entendu, un moteur selon l'invention peut comporter plusieurs cylindres.
Le moteur comporte un bloc moteur 1 qui,dans l'exemple représenté, est le bloc d'un moteur à refroidissement par eau compor-tant des évidements la dans lesquels circule un liquide de refroi-dissement. Bien entendu, un moteur selon l'invention pourrait être :
' 5~6S

refroidi par air.
Le bloc moteur I delimite une cavite cylindrique d'axe x xl dans laquelle un piston 2 se deplace d'un mouvement alterna-tif parallèle à l'axe x xl. Le piston axial 2 est relie par une bielle 3 à un maneton 4a d'un vilebrequin d'axe v v'. Le vilebre-quin porte un volant d'inertie 5 et un pignon Sa d'entralnement des auxiliaires, pompe à huile, à eau, dynamo etc.... Toute cette partie d'un moteur à pistons est bien connue et il est inutile de la decrire en details. Un moteur selon l'invention est un moteur à injection di-recte du carburant par des injecteurs dans le cylindre. Ce peut êtreun moteur à injection d'essence ou un moteur diesel.
Un moteur selon l'invention comporte, dans chaque cylindre, un deuxième piston creux 6,comportantune jupe cylindrique 7 qui entoure le piston axial 2, lequel se deplace donc à l'interieur de la jupe 7 comme à l'interieur d'un cylindre. Le piston 2 compor-te des joints et des segments 2a qui assurent l'etanché;te du contact glissant entre le piston 2 et la jupe 7.
La jupe 7 comporte egalement des joints et des segments 7a qui assurent l'etanchelte entre le piston creux 6 et le cylindre 1. La tête du piston creux, qui est situee à l'extremite opposee au vilebrequin,est constituee par un disque evide 8. Le disque 8 comporte des ouvertures d'admission d'air 8a. Le piston creux 6 comporte, en outre, un clapet automatique 9 qui obture ou demasque les ouvertures 8a.
Selon un mode de realisation preferentiel, le clapet automa-tique 9 a la forme d'un anneau plat auquel sont fixeesdes tiges de guidage 9b, qui sont engagees dans des evidements du disque 8. Cha-cun de ces evidements contient un ressort tare 9a qui s'appuie sur le disque 8 et sur l'extremite d'une tige 9b et qui maintient le clapet appuye contre son siège. Lorsque la pression qui s'exerce sur la face supérieure de l'anneau plat devient superieure à la pression sur la face inferieure d'une quantite superieure à un seuil determine par le tarage des ressorts, le clapet 9 s'ouvre automatiquement vers l'interieur du piston creux.
Le piston axial 2 et le piston creux 6 delimitent entre eux une chambre cylindrique 10 de volume variable, qui est la cham-bre de combustion et de detente du melange combustible.
; Le piston creux 6 delimite avec les parois du cylindre et . . ~

ll~5Z~5 avec la culasse 13 une chambre de volume variable 1I qui est une chambre d'admission d'air.
L'extremite du cylindre est obturee par une culasse 13 comportant des conduits d'admission 13a qui communiquent avec l'exterieur.
Les evidements 13a sont obtures par un clapet automatique 12 qui est un anneau plat, du même type que le clapet 9, qui est maintenu applique sur son siège par des ressorts tares 12a et qui s'ouvre automatiquement vers l'interieur de la chambre 11 lorsque la depression dans celle-ci atteint un seuil qui est determine par les ressorts tares 12a.
La chambre d'admission 1I comporte, en outre, une ou plu-sieurs lumières laterales 14 qui la font communiquer avec un con-duit 15 qui communique avec l'atmosphère. Les lumieres 14 sont disposees de telle sorte qu'elles soient entièrement demasquees quand le piston creux 6 est au point mort bas. Un volet 16 qui coulisse parallèlement à l'axe x xl obture plus ou moins les lumières 14 selon sa position.
La position du bord inferieur 16a du volet 16 definit le volume d'air qui est emprisonne dans la chambre 11 lorsque le piston creux remonte et qui est ensuite transfere entierement dans la chambre de combustion lorsque le piston creux balaye entierement la chambre d'admission. Le volume d'air admis au cours de chaque cycle varie lineairement en fonction de la position du volet 16.
Le moteur comporte des moyens de reglage de la position du volet 16. Sur les moteurs fixes, a regime permanent, ces moyens sont constitues par exemple, comme le represente la figure 1, par une tige filetee 17 qui est vissee dans un alesage filete traversant le volet 16 parallèlement a l'axe x xl. Un bouton mollete 17a per-met de faire tourner la tige filetee qui est prolongee par une tige de guidage 17b. La tige filetee 17 peut être remplacee par tout autre moyen equivalent permettant de deplacer le volet 16 parallèlement à l'axe x xl du cylindre.
Sur les moteurs de vehicules, le volet 16 est relie par une tringlerie ou par un câble à un organe de commande du type pedale, tirette, manette ou levier, qui permet de faire varier l'admission d'air en fonction de la puissance requise du moteur. Le volet coulis-sant 16 remplit une fonction analogue a celle du volet pivotant 11~5Z6~i d'un carburateur.
Le piston creux 6 se déplace à l'intérieur du cylindre d'un mouvement alte~natif qui est synchronisé avec celui du piSt axial 2 et qui est déphase par rapport a celui-ci.
La figure 5 est une vue en perspective éclatée d'un des deux trains d'engrenages cycloldaux qui entraînent le piston creux 6 et qui sont symétriques par rapport a x x].
On décrira ci-apres un seul de ces deux trains d'engrenages.
Dans la jupe 7 du piston creux, sont taillés deux méplats diametralement opposés. Un coulisseau, constitué par une plaquette 30 est emboîté dans chacun de ces méplats. Les bords verticaux du cou-lisseau 30, qui ont une forme de pointe triangulaire, coulissent dans deux glissières 31 parallèles à l'axe x x]. On a représenté une seule glissière sur la figure 5 pour la clarté du dessin. Chaque coulisseau co~porte un alésage 33 dans lequel est articulé le pied 34 d'une biellette 19. Le coulisseau 30 a pour effet de supporter la composante tangentielle de la poussée de la biellette qu'il transfere aux glissières aEin d'éviter des risques de déforma-tion de la jupe du piston creux La biellette 19 est articulée sur un maneton 20 qui est entraîné par un train d'engrenage cycloldal. Chaque maneton 20 est porté par un pignon 21 qui engrène avec la denture d'une couronne dentée fixe 22 d'axe u ul.
L'axe y yl du maneton 20 est excentré d'une longueur e par rapport à l'axe z zl du pignon 2I qui le porte, de sorte que lorsque le pignon roule autour de la couronne dentée, le centre du maneton parcourt une trajectoire cycloldaleou trocholdale.
Dans l'exemple préférentiel représenté, la denture de la couronne dentée 22 est intérieure et le pignon satellite 2] roule à l'intérieur de la couronne planétaire. Le rapport entre ie rayon R
de la couronne dentée et le rayon r du pignon satellite est égal à 3 de sorte que le centre du maneton décrit une hypocyclolde tri~
lobée, d'allure triangulaire curviligne, ayant trois sommets.
En variante, la denture de la couronne dentée 22 pourrait être externe et le pignon satellite pourrait alors rouler à l'exté-rieur de la couronne dentée et parcourir alors une trajectoire épicy-cloldale à trois sommets également d'allure triangulaire curviligne.
Chaque pignon satellite porte un palier 23 coaxial avec ll~SZ~;S

g le pignon.
Chaque pignon satellite est entraîné en rotation autour de l'axe u u1 de la couronne dentée en synchronisme avec le vile-brequin et cet entralnement en rotation provoque le roulement du pignon satellite sur la denture de la couronne dentée, de telle sorte que le centre du maneton 20 parcourt entièrement la trajec-toire cycloidale chaque fois que le vilebrequin fait un tour.
L'entraînement en rotation du pignon satellite autour de l'axe u u1 est obtenu au moyen d'un premier pignon d'entraînement 24, coaxial avec la couronne dentée 22, qui est lui-même entraîné
en rotation, directement ou par un ou plusieurs pignons intermédiai-res, par un deuxième pignon 25 calé sur le vilebrequin 4. Le rap-port d'entraînement est tel que le pignon 24 tourne à la même vitesse que le vilebrequin. Chaque pignon 24 porte un alésage excentré 35 dans lequel est engage le palier 23 coaxial avec le pignon satellite, lequel palier peut pivoter librement dans cet alésage.
L'excentration de l'alésage 35 correspond à la distance R-r entre l'axe z z1 du pignon satellite de rayon r et l'axe u u1 de la couronne dentée de rayon R.
Le pignon 24 pourrait être remplace par un bras d'en-traînement de longueur R-r qui serait entraîné en rotation autour de l'axe u u1 en synchronisme avec le vilebrequin.
Chaque mécanisme d'entraînement du piston creux comporte un bras ou balancier 36 sur lequel la couronne dentee 22 est fixee.
Ce bras 36 comporte un alesage 37 qui est engage sur l'extremité
du vilebrequin, de telle sorte que l'on peut déplacer angulairement le bras 36 autour de l'axe v v1 du vilebrequin. Le déplacement angulaire du bras 36 entraîne un deplacement angulaire autour de l'axe v v1 de la couronne dentée 22 et du pignon 24. Le pignon 24 roule sur le pignon 25 et pivote autour de l'axe u u1, ce qui entraîne le satellite 21 en rotation autour de son axe. Il en résul-te que la trajectoire cycloldale du maneton 20 pivote autour de son centre et en même temps, une variation du déphasage entre les mouve-ments alternatifs des deux pistons, ce qui modifie les positions rela-tives des deux pistons et a pour effet de permettre d'ajuster le volume minimum de la chambre de combustion.
Le bras 36 porte un deuxième alesage 38, dans lequel ' ~

; ~ .

1~5~65 se loge un palier 39 supportant le pignon 24 et des roulements servant de butees axiales.
Le dispositif comporte des moyens pour ajuster la position angulaire du bras 36. Dans le cas d'un moteur fixe qui travaille à
un regi~e uniforme, ces moyens peuvent être constitues par des vis 41. Dans le cas d'un moteur de vehicule qui doit fournir des puissan-ces variables, les vis 41 sont remplacees par des vérins hydrauli-ques montés en opposition, de telle sorte que l'un pousse le bras, tandis que l'autre freine le deplacement du bras. ~ien entendu, dans ce cas, les verins qui commandent les deux bras mobiles 36 symetri-ques par rapport à l'axe x x] sont couples de telle sorte que les deplacements angulaires des deux bras soient egaux.
La figure 3 est une figure geometrique qui represente la trajectoire T hypocycloldale à trois sommets parcourue par le centre des manetons 20. L'axe vertical x xl represente la projec-tiOII de l'axe d'un cylindre. On a represente sur cette figure deux positions 19 et 19' des biellettes, 34, 34' du pied de biellette qui se deplace sur l'axe x xl et 20, 20' de la tête de biellette. On a egalement represente le cercle primitif de la denture d'une couronne dentee 22 de rayon R et de centre O
et le cercle primitif de la denture d'un pignon satellite 2I de centre 0' et de rayon r = 3. On a egalement represente sur cette f;gure l'excentricite e entre le centre du maneton 20 et le cen-tre 0' du satellite et le cercle C parcouru par le centre O' lorsque le satellite roule sur la couronne dentee. La distance 0 0' correspond à l'excentration de l'alésage 35 par rapport à l'axe . u ul du pignon d'entraînement 24a et represente la demi course du piston creux.
L'hypocyclolde T a un sommet sur l'axe x xl qui correspond au point mort haut du piston creux. Dans l'exemple repre-senté, la courbe T est symétrique par rapport à l'axe x xl et on voit que pendant tout le temps où la tête de bielle parcourt le côte de l'hypocyclolde perpendiculaire à l'axe x xl, le piston creux reste sensiblement au point mort bas.
En faisant pivoter le bras 36 autour de l'axe du vile-brequin, on peut faire pivoter legèrement la courbe T autour de son centre O qui se deplace lui-même légèrement.
La jupe 7 du piston creux 6 comporte des lumières 26 . . . .

1~45Z65 visibles sur la figure 2 et le bloc moteur 1 est traversé par des conduits d'échappement 27 qui se situent dans l'alignement vertical des lumières, de telle sorte que lorsque les lumières 26 sont pla-cées en regard des conduits d'échappement 27 par suite du mouvement du piston creux, la chambre de combustion 10 est mise a l'echappe-ment.
La jupe 7 du piston creux 6 comporte une lumiere 28 visible sur la figure 2 qui est situee a proximite de la tête 8 du piston et le corps 1 porte un injecteur de combustible 29 qui peut être relie a une pompe a injection ou bien être un injecteur electromagnetique. L'injecteur 28 injecte du carburant : essence ou gaz-oil. Il est situe sur la trajectoire de la lumiere 28 paral-lele a l'axe x x1 et au moment où la lumière 28 se trouve placée en regard de l'injecteur, une dose de carburant est injectée directe-ment dans la chambre de combustion 10. En variante, l'injecteur 29~eut injecter dans la chambre de mélange 11 avant l'introduction du mélange dans la chambre de combustion.
Le moteur peut également comporter deux injecteurs : un in-jecteur de ralenti qui injecte direcement dans la chambre de com-bustion 10 et un injecteur de régime normal, qui injecte dans lachambre de mélange 11.
Un moteur à essence selon l'invention comporte, dans chaque cylindre, une bougie 42 portée par le disque 8. Cette bougie est logée dans un fourreau isolant 42a et prolongée par une tige conduc-trice 42b qui sont logés dans un puits 43 qui traverse la culasse13, de sorte que la tige 42b et le fourreau 42a coulissent dans le puits 43 lorsque le piston creux se déplace.
Le fourreau 42a est par exemple en polytétrafluoréthylene.
La tige 42b coulisse dans un fourreau conducteur 43a qui est isolé de la culasse par un fourreau isolant 43b et qui est connecté
sur un fil 43c qui le relie au distributeur d'allumage qui commande l'allumage au moment où la compression du mélange combustible est maxima.
La figure 4 est un diagramme qui représente en abscisses t et l'angle ~ = ~.t du vilebrequin exprimé en degrés, ~ étant la vitesse angulaire du vilebrequin. L'angle zéro correspond au point mort haut du piston 2. Le diagramme représente en ordonnées les courses des pistons. La sinusolde S1 représente les déplacements ' ' , . ' .:

1~5Z65 de la face supérieure du piston axial 2. La courbe S2 represente les deplacements de la face inferieure du clapet 9 qui equipe le piston creux et la courbe S3 represente les deplacements de la face superieure du disque 8 qui constitue la face superieure du piston creux.
La durée d'un cycle est la même pour les deux pistons dont les mouvements sont synchronisés.
On a également représente sur ce diagramme la position variable de la lumière 26, la position fixe du conduit d'echappement 27, la position fixe du conduit 15 et le niveau du bord inferieur 16a du volet mobile 16.
La ligne horizontale superieure 12 représente le niveau de la face inférieure du clapet 12. On voit sur ce diagramme que les trajectoires S2 et S3, qui sont évidemment parallèles entre elles, présentent au point bas, un palier sensiblement horizontal qui corres-pond au parcours par le maneton 20 de la portion d'hypocyclolde qui est sensiblement perpendicualire a l'axe vertical x x1.
On voit également que les passages au point mort haut du piston 2 et du piston creux 6 sont déphases d'un angle ~ qui est égal a 75 dans le cas de la figure, le piston creux 6 etant en avance sur le piston axial 2. Le déphasage ~ peut varier entre 50 et 100. On voit également qu'apres le passage par le point mort haut du piston 2, les deux pistons se deplacent tous deux dans le même sens vers le bas a des vitesses differentes. Lorsque le piston 2 vient de franchir le point mort haut sa vitesse est faible et le pis-ton creux va plus vite jusqu'a un moment où les deux vitesses sont égales. A ce moment la, la distance a entre les deux pistons est mini-ma, le volume de la chambre de compression est également minimum et la position relative des deux pistons à cet instant ainsi que la po-sition du bord inférieur 16a du volet coulissant 16 determinentle taux de compression et permettent de faire varier le rapport de detente.
On voit sur la figure 4 que dans l'exemple represente, la course du piston creux est egale à environ deux tiers de la course du piston axial 2. Bien entendu ce rapport pourra varier selon le type de moteur desire.-La figure 6 est une coupe décrochée de la figure 1 se-lon VI-VI. On voit sur cette figure une vue de dessus du disque 8 . . . .

6~

comportant tro;s ouvertures oblongues,en arc de cercle, 8a de pas-sage d'air qui sont obturees par un clapet annulaire 9 visible à
travers les evidements 8a. On voit egalement trois tiges de guidage 9b du clapet 9. La section des ouvertures 8a est importante, de l'ordre du tiers à la moitie de la section de la chambre 10. On voit egalement l'injecteur de carburant 29. On voit aussi une section du volet coulissant 16 et de la tige de guidage 17b de celui-ci.
On voit aussi les plaquettes 30 qui sont emboîtees en partie dans la jupe du piston creux et dont les deux bords verticaux sont decoupes en forme de pointes triangulaires qui sont engagees dans des glissières triangulaires 31 taillees dans le corps 1. On voit egalement les biellettes 19 qui s'articulent sur les plaquettes 30. Une pièce d'usure 44 est placee entre chaque biellette et le corps du moteur.
Les pièces d'usure 44 sont egalement visibles sur la figure 1.
Les figures 7 à 14 sont des figures schematiques qui re-presentent différentes positions occupees successivement pendant un tour du vilebrequin par les deux pistons 2 et 6. Le fonctionne-ment d'un moteur selon l'invention va être explique en se referant à
ces figures. On verra que les quatre temps d'un moteur à explosion ont lieu au cours d'un seul tour du vilebrequin, du fait que deux temps peuvent avoir lieu simultanément dans deux chambres séparées :
la chambre d'admission 11 et la chambre de combustion 10. De ce fait, un moteur selon l'invention est un moteur dit a temps simulta-nés. On a représenté sur les figures 7 a 14 en traits pleins forts, le piston axial 2, la bielle 3 et le trajet circulaire 4 de la tête de la bielle 3 et on a représenté en pointillés une biellette 19, la trajectoire hypocycloldale trilobée T de la tête de la biellette ]9 et le piston creux 6. Les petits ronds blancs repré-sentent l'air de combustion et les ronds pointillés représentent les gaz brûles.
On part de la figure 7 qui correspond au point mort haut du piston axial 2 qui présente un déphasage en retard d'un angle qui est égal à 75 dans le cas de la figure.
La figure 7 correspond au point le plus à gauche du dia-gramme de la figure 5.0n arepère sur la ligne inferieure de lafigure 5, les positions correspondant aux figures 7 à 14.
Nous examinerons d'abord ce qui se passe dans la chambre d'admission 1I située entre le piston 2 et le piston creux 6. La 1~l45265 phase d'admission d'air frais dans la cllambre d'admission 11 com-mence après que le piston creux 6 a franchi le point mort haut où
le volume de la chambre 11 est nul. La phase d'admission se poursuit pendant tout le temps où le piston creux se deplace entre le point mort haut et le point mort bas, c'est-à-dire occupe les positions suc-cessives representees sur les figures 7 à 12.
Sous l'effet de la depression qui est creee dans la chambre Il par le mouvement du piston creux, le clapet 12 s'ouvre automati-quement dès que la depression atteint un seuil determine par les res-sorts de tarage et laisse penetrer de l'air frais dans la chambre 11(figure 10).
La figure 1I represente le moment où le sommet du piston creux 6 arrive au niveau du bord inferieur 16a du volet mobile 16.
A ce moment, de l'air penètre dans la chambre d'admission 1I par le conduit 15, la pression dans la chambre 1I devient egale à la pres-sion atmospherique et le cl~pet 12 se ferme automatiquement. Cette combinaison d'un clapet 12 et d'un volet coulissant 16 permet de limiter la valeur de la depression dans la chambre 1I pendant la phase d'admission tout en dosant la quantite d'air admis.
Les figures 12 à 15 representent les phases de dosage le l'air de combustion. La figure 12 correspond au passage du piston creux au niveau 16a pendant le mouvement de remontee du piston. A
ce moment là, la communication de la chambre 11 avec le conduit 15 est fermee et le niveau 16a determine donc le volume d'air qui est emprisonne dans la chambre d'admission et qui sera envoye entière-ment dans la chambre de combustion. On voit donc qu'en faisant cou-lisser le volet 16, on modifie le niveau 16a et on determine le volume d'air de combustion admis pendant chaque cycle qui varie lineai-rement avec la positon du volet 16.
Entre les positions representees sur les figures 13 et 14 l'air emprisonne dans la chambre 11 est comprime jusqu'à la position representee sur la figure 14 où la pression dans la chambre 11 depasse la pression dans la chambre de combustion 10 et où le cla-pet 9 s'ouvre automatiquement. La figure 14 correspond egalement à la position du piston creux 6 pour laquelle les lumières d'echap-pement 26 commencent à se trouver en regard du conduit d'echappement 27. L'air frais qui penètre dans la chambre de combustion 10 balaye les gaz brûles qui s'echappent à travers les lumières 26 et ce ; ~ ~

,5 balayage se poursuit jusqu'à ce que le piston 2 vi~nne obturer les lumières 26 (figure 8).
On a decrit les phases d'admission et dosage de l'air de combustion qui ont lieu au cours d'un cycle dans la chambre d'admis-sion 11.
On va decrire ci-apres les phases qui ont lieu simultanement dans la chambre de combustion 10 en se reportaat a la figure 7 qui correspond a la fin du balayage des gaz brûl~s.
La figure 8 represente une postion dlns laquelle le piston 2 masque les lumieres 26. Le volume de la chambre 10 de-croît rapidement car le piston 2 monte et le piston creux 6 descend. L'air contenu dans la chambre 10 est iomprime rapidement.
La figure 9 represente l'instant où la lumière 28 se trouve en face de l'injecteur 29 et où l'on injecte le carburant dans la chambre 10.
Les figures 10 et 1I representent la suite de la phase de compression.
La figure 10 correspond au passage ~u piston 2 par le point haut qui ne correspond pas au taux de compression maximum.
La figure 1I correspond au moment où les vitesses des deux pistons sont dirigees dans le même sens et sont egales. Le volume de la chambre 10 est alors minimum et ce volum2 détermine le taux de compression. A cet instant, la combustion cor.~ence soit par auto-allumage dans le cas d'un moteur diesel, soit sous l'effet d'une é-tincelle qui éclate à ce moment entre les electrodes de la bougie 42.
La phase comprise entre les figures 11 et 14 correspond a la detente du mélange combustible. Pendant cette phase, les deux pistons 2 et 6 transmettent au vilebrequin un couple moteur ou résistant et le couple final resulte de l'addition de ces deux couples.
Pendant la phase comprise entre les figures 11 et 12, la poussee des gaz exerce un couple moteur sur le piston 2 et un couple resistant sur le piston 6. La figure 12 correspond au pas-sage du piston creux 6 par le point mort bas.
Pendant la phase eomprise entre les fioures 12 et 13, la poussée des gaz exerce un couple moteur à la fois sur le piston 2 `
qui descend et sur le piston creux 6 qui remonte. L'engrenage epi-cycloldal entraînant le piston creux transmet au vilebrequin le couple .. . . ~
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`` 11~5265 moteur exerce par le piston creux.
La figure 13 correspOnd au pass~ge _u piston 2 par le point mort bas.
Pendant la phase comprise entre les _-gures 13 et 14, les S deux pistons remontent et le volume de la cham re 10 continue à
augmenter jusqu'a ce que les vitesses des deux pistons soient egales (figure 14). La detente des gaz se poursuit donc meme apres le pas-sage du piston 2 par le point mort bas en exercant un couple moteur sur le piston creux qui compense le couple resistant s'exerc,ant sur le piston 2. La lumière 26 est disposee sur le piston creux 6 de telle sorte qu'elle commence à être en regard du conduit d'échap-pement 27 lorsque le volume de la chambre 10 est maximum (figure 14). L'echappement commence à ce moment là, en même temps que le cla-pet 9 s'ouvre et que l'air frais commence à b~layer les gaz brûles et le balayage se poursuit pendant les phases comprises entre les figures 14, 7 et 8.
La figure 7 correspond à une phase où la tête du piston creux 6 arrive sensiblement au niveau de la culasse avec un espace mort très faible, de sorte que tout l'air emprisonne dans la chambre 'I I passe dans la chambre de détente 10.
La figure 8 représente une position dans laquelle commen-ce la compression de l'air frais pour un nouveau cycle.
Des calculs théoriques montrent qu'un moteur selon l'inven-tion ayant un diamètre de piston axial de 73 mm, un diamètre de pis-ton creux de 84 mm, un rayon de vilebrequin de 38,5 mm, une longueur de bielle de 129 mm, un rayon du bras d'entraînement du satellite de 23,1 mm, une longueur de biellettes de 68,3 mm, une excentricite de maneton de 3,8 mm, un volume maximum admissible par la chambre d'admission de 224 cm3, un taux de compression de 9,5, un dephasage ~ = 75 entre les mouvements des deux pistons et un rapport volumé--trique de détente de 15,17 développe au cours d'un cycle un couple moteur moyen de 6,63 m.Kg, que la température moyenne au cours de la détente est de 2.015K et que le rendement thermique, compte tenu des rapports volumétriques de détente mis en jeu, est égal à 0,59.
A titre de comparaison, pour un moteur à quatre temps ayant même diamètre, même course de piston et même taux de compression, on obtient un couple moteur moyen sur deux tours de 4,12 m.Kg, une tem-pérature moyenne pendant la détente de 2.338K et un rendement .

S'~65i thermique de 0,52.
Les moteurs selon l'invention présentent l'avantage de permettre de doser avec precision la quantite d'air admis qui varie lineairement avec la hauteur du bord inferieur du volet coulis-sant que l'on déplace pour adapter la puissance du moteur à la puis-sance requise. Il en résulte que l'asservissement du dosage de carbu-rant injecté au dosage de l'air est facile a réaliser puisqu'il suf-fig de faire varier la quantité de carburant délivrée par l'injecteur proportionnellement a la position du volet. Ainsi, quelle que soit la puissance requise, les moteurs selon l'invention peuvent être adaptés a fournir cette puissance dans les meilleures conditions de rendement.
Un autre avantage des moteurs selon l'invention réside dans le fait que l'on peut ajuster le taux de compression en faisant pi-voter la trajectoire cycloldale T autour de son centre et en faisant varier le dephasage ~ entre les mouvements alternatifs des deux pistons. Cet ajustement s'obtient en faisant pivoter le bras 36 autour de l'axe du vilebrequin et on peut asservir la position du bras a la position du volet d'admission 16 de façon a toujours obtenir un même taux de compression.

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Claims (10)

Les réalisations de l'invention au sujet des-quelles un droit exclusif de propriété ou de privilège est revendiqué, sont définies comme il suit:

1. Moteur thermique à combustion interne et à injection directe à quatre temps du type comportant au moins un cylindre et un piston axial, qui est relié
à un vilebrequin par une bielle et dans lequel chaque cylindre comporte un deuxième piston creux qui est dis-posé coaxialement autour dudit piston axial et qui com-porte une jupe cylindrique dans laquelle se déplace ledit piston axial, un disque évidé placé en travers d'une extrémité de ladite jupe et un clapet qui obture les ouvertures dudit disque et qui s'ouvre automatique-ment vers l'intérieur dudit piston creux, caractérisé
en ce que ledit piston creux se déplace à l'intérieur dudit cylindre d'un mouvement alternatif cycloïdal, qui est synchronisé avec le mouvement alternatif dudit piston axial et qui est déphasé par rapport à celui-ci, lequel mouvement cycloïdal est provoqué par au moins une biellette qui est articulée à une extrémité dudit piston creux et, à l'autre extrémité sur un maneton qui est porté par un satellite et qui est excentré par rapport audit satellite, de sorte qu'il décrit une tra-jectoire cycloïdale.

2. Moteur selon la revendication 1, caracté-risé en ce que lesdits pistons creux sont entraînés en translation par deux biellettes, qui sont articulées à une extrémité sur deux génératrices diamétralement opposées dudit piston creux et à l'autre extrémité
chacune sur un maneton excentré qui parcourt une tra-jectoire cycloïdale.

3. Moteur selon la revendication 2, caracté-risé en ce que ladite trajectoire cycloïdale est une cycloïde trilobée à trois sommets.

4. Moteur selon la revendication 2, caracté-risé en ce que chacune desdites biellettes est entraî-née par un train d'engrenage cycloïdal qui comporte:
- une couronne dentée planétaire fixe;
- un pignon satellite qui roule sur ladite couronne dentée et qui porte un maneton excentré autour duquel la tête de ladite biellette est articulée et un palier coa-xial audit pignon satellite;
- un premier pignon d'entraînement en rota-tion dudit pignon satellite qui est coaxial avec ladite couronne dentée et qui porte un alésage excentré dans lequel ledit palier est engagé et tourne librement;
- et un deuxième pignon calé sur le vilebre-quin qui entraîne le premier pignon à une vitesse synchronisée avec celle du vilebre-quin.

5. Moteur selon la revendication 4, caracté-risé en ce que ladite couronne dentée planétaire est fixée sur un bras qui porte un alésage qui est engagé
coaxialement sur le vilebrequin, de telle sorte qu'on peut déplacer angulairement ladite couronne dentée et ledit premier pignon autour de l'axe du vilebrequin, ce qui fait tourner ladite trajectoire cycloïdale autour de son centre et fait varier le déphasage entre les mouvements alternatifs du premier piston et du piston creux.

6. Moteur selon la revendication 5, caracté-risé en ce qu'il comporte des moyens tels que des vis ou des vérins hydrauliques pour ajuster la position an-gulaire dudit bras.

7. Moteur selon la revendication 2, caracté-risé en ce que le pied de chacune desdites biellettes est articulée sur un coulisseau qui est constitué par une plaquette emboîtée dans un méplat taillé dans la face externe de la jupe dudit piston creux, laquelle plaquette coulisse dans deux glissières parallèles à
l'axe commun aux deux pistons.

8. Moteur selon la revendication 1, caracté-risé en ce que chaque cylindre comporte une chambre de combustion et de détente et une chambre d'admission de volume variable qui sont séparées par la tête dudit piston creux.

9. Moteur selon la revendication 8, caracté-risé en ce que l'extrémité de chaque cylindre qui est opposée au vilebrequin est obturée par une culasse com-portant des conduits d'admission d'air, qui sont obturés par un clapet automatique qui s'ouvre vers l'intérieur de la chambre d'admission et la chambre d'admission comporte au moins une lumière latérale qui est obturée par un volet qui coulisse parallèlement à l'axe du cy-lindre et qui comporte des moyens pour ajuster sa po-sition.

10. Moteur selon la revendication 1, caracté-risé en ce que la jupe dudit piston creux comporte une lumière latérale située à proximité de la tête du piston et le corps du moteur porte un injecteur qui est situé dans l'alignement de ladite lumière parallèle à
l'axe du cylindre.