EP0689642B1 - Perfectionnements apportes aux moteurs a combustion interne a quatre temps, a rapport volumetrique variable autorisant de hauts taux de pressions de suralimentation et fonctionnant par allumage par compression ou par allumage commande - Google Patents

Perfectionnements apportes aux moteurs a combustion interne a quatre temps, a rapport volumetrique variable autorisant de hauts taux de pressions de suralimentation et fonctionnant par allumage par compression ou par allumage commande Download PDF

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EP0689642B1
EP0689642B1 EP94911313A EP94911313A EP0689642B1 EP 0689642 B1 EP0689642 B1 EP 0689642B1 EP 94911313 A EP94911313 A EP 94911313A EP 94911313 A EP94911313 A EP 94911313A EP 0689642 B1 EP0689642 B1 EP 0689642B1
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EP
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crankshaft
crank
cylinders
piston
stroke
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EP94911313A
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Gilbert Lucien Charles Henri Louis Van Avermaete
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D15/00—Varying compression ratio
    • F02D15/04—Varying compression ratio by alteration of volume of compression space without changing piston stroke
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B41/00—Engines characterised by special means for improving conversion of heat or pressure energy into mechanical power
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B1/00—Engines characterised by fuel-air mixture compression
    • F02B1/02—Engines characterised by fuel-air mixture compression with positive ignition
    • F02B1/04—Engines characterised by fuel-air mixture compression with positive ignition with fuel-air mixture admission into cylinder
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B75/00—Other engines
    • F02B75/02—Engines characterised by their cycles, e.g. six-stroke
    • F02B2075/022—Engines characterised by their cycles, e.g. six-stroke having less than six strokes per cycle
    • F02B2075/027—Engines characterised by their cycles, e.g. six-stroke having less than six strokes per cycle four
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B3/00—Engines characterised by air compression and subsequent fuel addition
    • F02B3/06—Engines characterised by air compression and subsequent fuel addition with compression ignition

Definitions

  • the object of the present invention is the concept of an engine with variable volumetric ratio which consists in varying the volume of the combustion chamber as a function of the density and temperature of the intake air, of the speed of rotation. and the engine temperature, which allows the engine to be supercharged, by pressing a single or double supercharging pressure with intercooling.
  • WO 89/03476 discloses the compression ignition engine with variable volumetric ratio which represents, by way of example, a preferred embodiment of the invention, relating to a two-stroke cycle engine, with ignition by compression which comprises an axial grouping of two cylinders joined side by side, with a centralization of two crankshafts in the cylinder block, provided with a kinematic chain where the two crankshafts are at the same speed of rotation, the engine is sweeped by equicurrent (l (fresh gas and exhaust are admitted at opposite ends of the larger of the two cylinders).
  • the engine is also provided with a coupler making it possible to synchronize cyclically the positions of the piston of the combustion prechamber in the end of compression phase so as to be able to vary the volumetric ratio according to the different engine speeds.
  • these aforementioned means do not allow the two-stroke engine to operate in good conditions, because in the smaller of the two cylinders, in each exhaust cycle, the flue gases are only partially removed from the cylinder, resulting in a loss of efficiency due to the fact that the intake of the fresh air can only be done by equicurrent.
  • the four-stroke engine can also be provided with a kinematic chain where the small crankshaft is at half speed of the large crankshaft, which has the effect of invalidate the operation of the four-stroke engine, following a desynchronization of the piston of the small cylinder with respect to the phases of the engine, for example, the discharge of the burnt gases from the small cylinder to the large cylinder during the intake phase, and of the burnt gases sucked in by the small cylinder from the large cylinder, in the exhaust phase.
  • the present invention describes a new combination of a four-stroke variable volume combustion chamber engine.
  • the engine comprises a kinematic chain where the shafts of the two crankshafts are coupled at the same speed by means of the variable-pitch transmission.
  • the angular offset travel between the two crankshafts carried out between the start and the end of travel of the variable-pitch transmission is arranged by an appropriate ratio between the two displacements of the two grouped cylinders and between the volume of the latter and the dead space , which allows to modulate the volumetric ratio of the engine without desynchronization of the piston of the small cylinder compared to the phases of the engine.
  • the axial resistance force generated by the displacement of the piston at the change in angular position of the device is proportional by the resistive torque of the camshaft (resistance due to friction of the cams on the valve stems), which has the effect of composing axial forces on the camshaft, the latter being immobilized axially by means of a bearing fitted with a bearing stops.
  • the camshaft generates only weak resistance couples of the order of 1 to 3% compared to the crankshaft torque, this results in weak axial forces on the camshaft, which allows from the point of view mechanical, to use a thrust bearing with low carrying capacity and therefore to be able to have a thrust bearing sufficiently small to make use of it on the camshaft.
  • the present invention also describes a novel combination of a variable-pitch transmission suitable for regulating the four-stroke variable volume combustion chamber engine.
  • This new combination of the variable-pitch transmission in coupling connection with the two shafts of the two crankshafts of the engine has the advantage of varying the angular position between these two shafts without any axial force on them, whatever or the torque force on the variable-pitch transmission.
  • the variable-pitch transmission can be removed from the engine block and uncoupled from the two crankshafts as an interchangeable mechanical assembly that can be reassembled on the engine block.
  • Means are also provided on this variable-pitch transmission to have precise angular adjustment between the coupling connection of the two crankshafts and the variable-timing transmission.
  • Engineers therefore comply with certain design rules by determining, on the one hand, a limit on the amplitude of the pressure variations at the intake, and on the other hand, by achieving an average compression ratio between the pressure d aspiration atmospheric and boost pressure.
  • the determination of the average compression ratio is a compromise reconciling at best the different engine speeds, the atmospheric suction regime is located at too low pressures and temperatures, and the boost pressure regime is located at too high pressures and temperatures.
  • this new engine comprises two lines of crankshafts, one with a long stroke crank, the other with a short stroke crank.
  • the two crankshafts are coupled at the same rotational speed by means of a gear train and a variable-pitch transmission, the coupling pinion of which forms part of the gear train moves angularly relative to the crankshaft. at short stroke, which allows an infinite number of stalls between the two crankshafts without requiring the interruption of the transmission between them.
  • variable pitch transmission is designed in such a way that it can be separated from the engine block independently of the crankshaft at short stroke, which has the advantage of being able to quickly and easily replace the defective parts or to a standard exchange of the latter.
  • the cylinders differentiated by their displacement, are each arranged above one of the two lines of crankshafts.
  • the crankshaft of the short stroke crankshaft operating with the connecting rod of the piston of the smallest cylinder
  • the crank of the crankshaft of long stroke operating with the connecting rod of the piston of the largest cylinder.
  • the two cylinders are connected one by one, from one row to the other, by a recess in the cylinder head, so as to form a group of two cylinders communicating with each other in order to allow the gases to pass from one to the 'other, regardless of the position of the piston of each of the cylinders.
  • the engine comprises at least one fuel injector in the dead space, the fuel injection is carried out at half speed with the crankshaft at large stroke.
  • the engine comprises at least one spark plug in the dead space
  • the ignition is carried out by known means in half-speed synchronism with the long-stroke crankshaft.
  • the distribution is ensured at least by a camshaft engaged at half speed with the long-stroke crankshaft, putting the group of two cylinders in periodic communication with the intake and exhaust pipes at through the intake and exhaust valves at specific times in the four-stroke cycle.
  • the expansion phase is carried out simultaneously on each piston of the two grouped cylinders making the two crankshafts cooperate with the engine force.
  • the long-stroke crankshaft is connected directly to the external transmission components of the engine, so that the variable-pitch transmission transmits only the engine torque of the short-stroke crankshaft to the long-stroke crankshaft, the engine force on the variable-pitch transmission is therefore dependent on the smaller displacement of the two grouped cylinders.
  • variable-pitch transmission between the two crankshafts have the effect of modifying, in the end of compression phase (top dead center of the piston of the largest displacement), an additional space generated in the smallest displacement.
  • This additional space being defined with the dead space, so as to modify the volumetric ratio of the engine in the maximum direction at the start of travel of the variable-timing transmission, and in the minimum direction at the end of travel of the variable-timing transmission .
  • a hydraulic force amplifier whose slave cylinder acts on the variable-pitch transmission, modifies the additional volume of the small displacement in proportion to the boost pressure, so as to maintain the engine in optimal operating conditions with the minimum of pollution.
  • a preset program on a pre-production engine eliminates the excessive stresses of pressures and temperatures.
  • Each engine speed is stored in a point progression scale, so as to encompass all of the engine's capabilities.
  • Each storage point is a combination formed by the measurements of four sensors: the pressure of the intake air. intake air temperature, engine speed, and engine temperature.
  • Each combination is recorded simultaneously with the position of the variable timing transmission control cylinder.
  • This program allows the automatic piloting of the series engine identical to that of the engine produced on the test bench. Fuel specifications must also be identical to reproduce exactly the same operating conditions on the series engine, thanks to high-frequency monitoring of the measurements of the four sensors.
  • the cylinder block (1) comprises two crankshafts (4 and 5) arranged in parallel, one with a long stroke crank (4), the other with a short stroke crank (5 ), the two cylinders (2 and 3) provided with pistons respectively (6 and 8) and connecting rods respectively (7 and 9) are arranged each above of the two lines of crankshafts (4 and 5).
  • the crankshaft of the short stroke (5) operating with the connecting rod (9) of the piston (8) of the smallest cylinder (3)
  • the crank of the long stroke crankshaft (4) operating with the connecting rod (7) of the piston ( 6) of the largest cylinder (2).
  • the two cylinders (2 and 3) are connected one by one, from one row to another, by a recess in the cylinder head (10), so as to form a group of two cylinders (2 and 3) communicating with each other .
  • the engine includes at least one fuel injector (not shown) in the dead space.
  • the fuel is injected by known means (not shown) in half-speed engagement with the crankshaft with long stroke crank (4).
  • the engine comprises at least one spark plug (not shown) in the dead space.
  • the ignition is carried out by known means (not shown) in half-speed synchronism with the long-stroke crankshaft (4).
  • Distribution is ensured at least by a camshaft (not shown) engaged at half-speed with the long-stroke crankshaft (4).
  • the part of the cylinder head (10) overhanging the largest cylinder (2) comprises the intake and exhaust valves respectively (13 and 14), putting the group of the two cylinders (2 and 3) in periodic communication with the pipes. intake and exhaust respectively (11 and 12) at specific times in the four-stroke cycle.
  • a second camshaft (not shown) engaged at half speed with the long stroke crankshaft (4) can be provided in the part of the cylinder head (10) overhanging the smallest cylinder ( 3), so as to ensure second periodic opening and closing of the intake and exhaust at the same time as the opening and closing of the four-stroke cycle carried out in the largest cylinder (2).
  • the ratio between the displacements of the two grouped cylinders (2 and 3) is at least between 2.5 and 5 allowing the engine to be adapted to boost pressure rates from 1 to 7.
  • the variable setting transmission is formed by three superposed concentric elements: the first element consists of the transmission shaft (17) located in the internal part, the second element consists of the sleeve (28) of the gear (20 ) located in the external part and the third element is constituted by the sliding tube (32) located in the intermediate part between the two other aforementioned elements.
  • Said sleeve (28) is held in an applied bearing (15) by means of a two-row angular contact bearing (16) suitable between the applied bearing (15) and the sleeve (28).
  • Said applied bearing (15) is fixed to the engine block (1) so that the variable-pitch transmission can constitute a separate assembly from the shaft (18) of the short-stroke crankshaft (5).
  • variable setting transmission and the short stroke crankshaft (5) are each made with their respective shaft (17 and 18).
  • the contiguous ends between the shaft (17) of the variable-pitch transmission and the shaft (18) of the short-stroke crankshaft (5) are shaped with corresponding straight male and female splines allowing their coupling in the engine block (1 ) by axial sliding when the applied bearing (15) is applied in an orifice provided in the engine block (1).
  • the applied bearing (15) is centered on the shaft (18) of the short-stroke crankshaft (5), so as to allow the self-centering of the shaft (17) on said shaft (18), the latter also serving as free bearing on the shaft (17) when applying the applied bearing (15) on the engine block (1); this means allowing the disassembly of the variable setting transmission outside the engine block (1) without having to disassemble the crankshaft at short stroke (5).
  • the transmission shaft (17) and the sleeve (28) are advantageously held concentrically and axially with respect to each other by means of a bearing (22) integral with the shaft (17).
  • the bearing (22) is provided with a bearing (23) with axial and radial abutment allowing the free rotation of the shaft (17) independently of the sleeve (28).
  • the bearing (22) is an integral part of the shaft (17) at the point where the straight grooves of the mating coupling ends between the shaft (17) and the shaft (18) of the short stroke crankshaft are limited. (5).
  • the bearing (22) and the sleeve (28) are located inside the engine block (1).
  • the bearing (22) is made in the form of a disc also acting as a flywheel, the periphery of this flywheel is regularly pierced with holes (24) allowing the bolting of a ring (25) located on the side face opposite the side where the straight grooves are limited.
  • the application of the ring (25) on the flywheel of the bearing (22) is used to form a housing allowing the fixing of the outer ring (26) of the bearing (23) with axial and radial forces, while the ring inner (27) of the bearing (23) is fixed on the sleeve (28) against a spacer (29) in the form of a ring surrounding the sleeve (28), the spacer (29) is intended to make up for the separation space between the inner ring (27) of the bearing (23) and the inner ring of the angular contact bearing (16), the latter being held axially against a shoulder provided on the sleeve (28) by fixing all the aforementioned parts by means of a single nut (30) on the sleeve (28).
  • the gear (20) of the sleeve (28) is located outside the engine block (1) coupled at the same speed with the long-stroke crankshaft (4) by means of a gear (19) integral with this last and an intermediate gear (21) between the two aforementioned gears (19 and 20).
  • the transmission shaft (17) comprises, on the side of the bearing (22) facing the applied bearing (15), helical grooves (31) on which the sliding tube (32) is fitted.
  • This sliding tube (32) has on its internal periphery grooves (33) matched to the helical grooves (31), so that the sliding tube (32) can slide helically on the drive shaft (17) and allow angular offset between the said first and third elements.
  • the sliding tube (32) also has on its outer periphery helical grooves (34) whose helix is in the opposite direction to that of the grooves (33) produced inside the sliding tube (32).
  • the sleeve (28) has on its internal periphery helical grooves (35) matched to the external helical grooves (34) of the sliding tube (32), so that the latter can slide helically in the sleeve (28) and allow angular offset between the said second and third elements at the same time as the helical sliding between the first and third abovementioned elements, the sleeve (28) again becomes integral in rotation with the shaft (17) when the sliding tube (32) is not in axial translation.
  • the length of the sliding tube (32) is established inside the sleeve (28) when the end of said sliding tube (32) is at the stop limit defined by the obstruction of the bearing (22), l 'other end of the sliding tube (32) is released outside the sleeve (28) through the gear (20) out of the engine block (1) to allow, by appropriate means, the fixing of the inner ring of the two-row angular contact bearing (36).
  • Said inner ring of the bearing (36) is made integral with the rotation movement of the sliding tube (32), while the outer ring of the bearing (36), without rotational movement, is secured to the attachment piece (37 ).
  • a memory of the compression ratio program decision acting by a hydraulic control system allows the movement of the attachment piece (37) and the sliding tube (32) to modify the timing between the two crankshafts (4 and 5).
  • the start of travel of the variable-pitch transmission is arranged so that the sliding tube (32) is in the exit stop position (not shown) of the sleeve (28) (low torque) which corresponds to the minimum advance angle of the crankshaft with short stroke (5) relative to the crankshaft with long stroke (4).
  • the limit switch of the variable-pitch transmission is arranged such that the sliding tube (32) is in the re-entry stop position (not shown) of the sleeve (28) (high torque) corresponding to the maximum angular advance of the short stroke crankshaft (5) relative to the long stroke crankshaft (4).
  • the teeth of the gear (20) are in even number, when the paired grooves (34 and 35) respectively of the sliding tube (32) and of the sleeve (28), the paired grooves (31 and 33) of the shaft (17) and of the sliding tube (32) respectively, as well as the splines joining between the two shafts (17 and 18 ) are each in odd number and vice versa.
  • the shaft (17) of the variable-pitch transmission comprises, on the side of the bearing (22) facing the applied bearing (15), straight grooves (38) in substitution for the helical grooves ( 31) on which the sliding tube (32) is fitted, which comprises on its internal periphery straight grooves (39) in substitution for helical grooves (33), the straight grooves (39) being matched with the straight grooves (38 ) of the tree (17).
  • the minimum and maximum volumetric ratios selected for the type of engine to be designed are produced as a function of the dimensions of the different elements of the engine, namely on the one hand, the ratio between the displacement of the two grouped cylinders (2 and 3 ) and on the other hand, the ratio formed by the total volume of the two displacements of these cylinders (2,3) with the volume formed by the dead space (40), the latter ratios are arranged in such a way that the maximum angular advance of the crankshaft of the short stroke (5) relative to the crank of the long stroke (4), defined by the end position of the transmission to variable setting, match, at the end of compression phase (top dead center of the piston 6), the positioning of the piston (8) in relation to the additional space necessary for the dead space (40) to define said minimum volumetric ratio of the engine with an angle of at least 90 ° between the connecting rod (9) and the crankshaft of the short stroke crankshaft (5).
  • the maximum volumetric ratio selected is produced on the same database as the dimensional values defined for the minimum volumetric ratio, in such a way that the minimum angular advance of the crankshaft at short stroke (5) relative to the crank of the long-stroke crankshaft (4), defined by the start-of-travel position of the variable-pitch transmission, at the end of the compression phase (top dead center of the piston 6), the positioning on the piston (8) with the additional space necessary for the dead space (40) to define the maximum volumetric ratio of the engine with the connecting rod (9) of the crankshaft of the short stroke (5) spaced from its top dead center, so that the said connecting rod ( 9) forms an angle with the crankshaft of the short stroke (5).
  • This operation has the advantage of speeding up the process of modifying the volumetric ratio of the engine at low load.
  • V1 displacement of the larger of the two grouped cylinders.
  • V2 displacement of the smaller of the two grouped cylinders.
  • V1 V2 volumetric ratio between the two displacements of the two grouped cylinders.
  • ⁇ angular advance of the crankshaft at short stroke.
  • ve volume of the dead space of the two grouped cylinders necessary for the transfer of gases without excessive rolling.
  • ( ⁇ min imum) angular advance of the crankshaft at short stroke. at the start of the variable-pitch transmission.
  • ⁇ max imum angular advance of the crankshaft at short stroke. at the end of the variable-pitch transmission.
  • V a ( ⁇ min imum) additional volume added to the volume of the dead space.
  • V a ( ⁇ max imum) additional volume added to the volume of the dead space. at the end of the variable-pitch transmission. defined by the maximum angle of the angular advance of the crankshaft at short stroke when the crankshaft at long stroke is in top dead center, at the end of compression phase.
  • Vr ( ⁇ min imum) air delivery volume at the start of the variable-pitch transmission. defined by the minimum angle of the angular advance of the crankshaft at short stroke when the crankshaft at long stroke is in bottom dead center. at the end of admission phase.
  • Vr ( ⁇ max imum) air delivery volume at the end of travel of the variable pitch transmission. defined by the maximum angle of the angular advance of the crankshaft with short stroke when the crankshaft with long stroke is in bottom dead center. at the end of admission phase.
  • V1 + V2 x number. of grp. of 2 cyl. engine displacement.
  • V1 + [ V2 - Vr ( ⁇ ) ] x number. of grp. of 2 cyl. engine displacement defined by the timing of the variable timing transmission.
  • V1 + [ V2-Vr ( ⁇ ) ] + ve ve + Va ( ⁇ ) Theoretical P. theoretical volumetric characteristic of the engine with definition of the volumetric ratios arranged by the timing of the variable-timing transmission.
  • V1 + [ V2-Vr ( ⁇ min imum) ] + ve ve + Va ( ⁇ min imum) P max imum definition of the maximum volumetric ratio at the start of travel of the variable-pitch transmission.
  • Vr ( ⁇ min imum) should not be deduced from V2 because it is too negligible.
  • V1 + [ V2-Vr ( ⁇ max imum) ] + ve ve + Va ( ⁇ max imum) P min imum
  • Vr ( ⁇ max imum) must not be deduced from V2 because the mass admitted in V1 and V2 is dependent on the calibration memorized at the maximum boost pressure.
  • the minimum volumetric ratio selected can be achieved between two limit switches of the variable-pitch transmission.
  • the first limit is achieved with a maximum angular advance of the crankshaft of the short stroke (5) relative to the crank of the long stroke crankshaft (4) so as to determine at the end of compression (top dead center of the piston 6) positioning the piston (8) in relation to the additional space necessary for the dead space (10) to define said minimum volumetric ratio with an angle of at least 90 ° between the connecting rod and the crankshaft of the short-stroke crankshaft (5)
  • the second limit is achieved with a lower angular advance of the crankshaft of short stroke (5) compared to the crank of long stroke crankshaft (4) and this in proportion to the decrease in the ratio between the two displacements of the two cylinders (2 and 3) up to the tolerance limit generated by the working space of the two crankshafts (4 and 5) defined by the parallel and close positions of the two grouped cylinders (2 and 3 ) according to the formula of the minimum volumetric ratio below.
  • Vr ( ⁇ max imum ) should not be deduced from V2, because the mass admitted in V1 and V2 is dependent on the calibration memorized between the volumetric boost and the boost pressure.
  • the maximum volumetric ratio selected is achieved on the basis of the data of the dimensional values defined for the minimum volumetric ratio, in such a way that at the start of the travel of the variable-pitch transmission, the minimum angular advance of the crankshaft at small stroke (5) relative to the crankshaft of the long-stroke crankshaft (4) determines, at the end of compression (top dead center of the piston 6), the positioning of the piston (8) in relation to the additional space necessary for the dead space (1O) to define a maximum volumetric ratio with the connecting rod (9) of the crankshaft of the short-stroke crankshaft (5) separated from its top dead center, so that said connecting rod (9) forms an angle with the crank of the short stroke crankshaft (5).
  • We can therefore define the maximum volumetric ratio according to the formula: V1 + [V2-Vr ( ⁇ min imum) ] + ve ve + Va ( ⁇ min imum) P max imum
  • V r ( ⁇ min imum) must not be deduced from V2, because the mass of air admitted in V1 and V2 is dependent on the calibration memorized between the volumetric ratio and the atmospheric depression in the intake pipe.
  • the above formula recorded in a computer spreadsheet allows you to manage and select the dimensional values between the different elements of the engine, that is to say, the volumetric ratios between the two displacements of the two grouped cylinders (2 , 3) and the ratio formed by the total volume of the two displacements of these cylinders (2,3) with the volume formed by the dead space (40), the calculation is established so that the specifications which have been provided for the maximum and minimum volumetric ratios of the engine may coincide with the corresponding degrees of the minimum and maximum angular advances of the crankshaft at short stroke relative to the crankshaft at long stroke respectively of the start and end of travel of the stalled transmission variable.
  • the graphs in FIGS. 10 and 11 show examples of curves of variations in the volumetric ratio and in the volumetric efficiency of the two grouped cylinders (2,3) over 360 ° degrees of angular rotation of the crankshaft of the long stroke crankshaft (4).
  • the two crankshafts (4 and 5) are each mechanically connected to a generator, the electrical circuits of the two generators are connected in parallel.
  • the capacity of each of the two generators is defined as a function of the power of their respective crankshaft in cruising speed of the engine, therefore, the variable-pitch transmission and the corresponding couplings between the two crankshafts (4 and 5) are limited to efforts to compensate couples.
  • the engine brake can be maintained by considering an increase in the power of the engine with the support of a speed limiter on the vehicle.

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Abstract

Moteur comprenant au moins deux cylindres groupés (2 et 3) différenciés par leur cylindrée et deux lignes d'arbres vilebrequins (4 et 5), accouplés à même vitesse de rotation par un train d'engrenages (19, 20, 21) et d'une transmission à calage variable à trois axes concentriques (17, 28, 32) séparable du bloc moteur (18) et qui a pour fonction de diminuer le rapport volumétrique à l'augmentation de la pression d'admission. Les rapports volumétriques maximal et minimal sont normalisés dans les limites de décalages angulaires entre les deux vilebrequins (4 et 5) au moyen des rapports volumétriques entre les deux cylindres groupés (2 et 3) et entre ces deux cylindres (2 et 3) et l'espace mort, de telle manière que d'une part, le début de course de la transmission à calage variable réalise, en phase fin de compression, une augmentation de la translation du piston (8) par degré unitaire de décalage angulaire entre les deux vilebrequins (4 et 5) et que d'autre part, la fin de course de la transmission à calage variable associe la détente des gaz de combustion sur le piston (8) au moins à partir du couple maximum instantané sur la manivelle du vilebrequin à petite course (5).

Description

  • La présente invention a pour but le concept d'un moteur à rapport volumétrique variable qui consiste à faire varier le volume de la chambre de combustion en fonction de la densité et de la température de l'air d'admission, de la vitesse de rotation et de la température du moteur, ce qui permet l'hypersuralimentation du moteur, à l'appui d'une simple ou double pression de suralimentation avec interrefroidissement .
  • Par le brevet WO 89/03476 on connaît le moteur à allumage par compression à rapport volumétrique variable qui représente à titre d'exemple, un mode de réalisation préféré de l'invention, relatif à un moteur à cycle à deux temps, à allumage par compression qui comporte un groupement axial de deux cylindres réunis côte à côte, avec une centralisation de deux vilebrequins dans le carter cylindre, prévu avec une chaîne cinématique où les deux vilebrequins sont à même vitesse de rotation, le moteur est à balayage en équicourant (l'admission des gaz frais et de l'échappement se fait aux extrémités opposées du plus grand des deux cylindres). Le moteur est également pourvu d'un coupleur permettant de synchroniser cycliquement les positionnements du piston de la préchambre de combustion en phase fin de compression afin de pouvoir varier le rapport volumétrique en fonction des différents régimes du moteur. Cependant, ces moyens précités ne permettent pas pour le moteur à deux temps de fonctionner dans de bonnes conditions, car dans le plus petit des deux cylindres, à chaque cycle d'échappement, les gaz brulés ne sont que partiellement évacués hors du cylindre, d'où une perte de rendement du fait que l'admission de l'air frais ne peut se faire en équicourant. Suivant une autre forme de l'invention, il est également précisé dans ce brevet que le moteur à quatre temps peut aussi être prévu avec une chaîne cinématique où le petit vilebrequin est à demi-vitesse du grand vilebrequin, ce qui a pour effet d'invalider le fonctionnement du moteur à quatre temps, suite à une désynchronisation du piston du petit cylindre par rapport aux phases du moteur, par exemple, le refoulement des gaz brulés du petit cylindre vers le grand cylindre en phase d'admission, et des gaz brulés aspirés par le petit cylindre en provenance du grand cylindre, en phase d'échappement.
  • La présente invention décrit une combinaison nouvelle d'un moteur à chambre de combustion à volume variable à quatre temps. Le moteur comprend une chaîne cinématique où les arbres des deux vilebrequins sont accouplés à même vitesse de rotation au moyen de la transmission à calage variable. La course de décalage angulaire entre les deux vilebrequins réalisée entre le début et la fin de course de la transmission à calage variable est agencée par un rapport approprié entre les deux cylindrées des deux cylindres groupés et entre le volume de ces derniers et l'espace mort, ce qui permet de moduler le rapport volumétrique du moteur sans désynchronisation du piston du petit cylindre par rapport aux phases du moteur.
  • Egalement par le brevet DE-A-3 616 234 on connaît un dispositif de variation de la position angulaire relative de deux arbres en liaison d'entraînement, en particulier d'un vilebrequin et d'un arbre à cames logés dans le carter d'une machine, la pièce maîtresse de ce dispositif est constituée par l'arbre à cames sur lequel est monté toutes les pièces mécaniques en mouvement de rotation, ainsi que l'une de ces pièces avec l'alternative de mouvements associés de translation et de rotation déterminant les décalages de liaisons d'entraînement entre l'arbre à cames et le vilebrequin. Les mouvements associés de la dite pièce de translation et de rotation sont effectués par un ensemble piston et cylindre hydraulique à double action séparé de l'arbre à cames. Il faut préciser que la force de résistance axiale engendrée par le déplacement du piston au changement de position angulaire du disposif est proportionnée par le couple résistant de l'arbre à cames (résistance due aux frottements des cames sur les tiges des soupapes), ce qui a pour effet de composer des efforts axiaux sur l'arbre à cames, ce dernier étant immobilisé axialement par le moyen d'un palier équipé d'un coussinet à butées. L'arbre à cames ne génère que des couples de résistances faibles de l'ordre de 1 à 3 % par rapport au couple du vilebrequin, il en découle des efforts axiaux faibles sur l'arbre à cames, ce qui permet du point de vue mécanique, d'utiliser un palier à butées de faible capacité de portage et par conséquent, à pouvoir disposer d'un palier à butées suffisamment réduit pour en faire usage sur l'arbre à cames. En ce qui concerne le démontage du dispositif de variation de la position angulaire hors du bloc moteur, celui-ci entraîne successivement le démontage d'une multitude de pièces mécaniques faisant partie de ce dispositif et supportées par l'arbre à cames, ce dernier comptant également comme pièce de ce dispositif.
  • La présente invention décrit également une combinaison nouvelle d'une transmission à calage variable appropriée à la régulation du moteur à chambre de combustion à volume variable à quatre temps. Cette combinaison nouvelle de la transmission à calage variable en liaison d'accouplement avec les deux arbres des deux vilebrequins du moteur a l'avantage de faire varier la position angulaire entre ces deux arbres sans le moindre effort axial sur ces derniers et ce, quel que soit l'effort de couple sur la transmission à calage variable. Suivant cette nouvelle disposition, la transmission à calage variable peut être enlevée du bloc moteur et désaccouplée des deux vilebrequins comme un ensemble mécanique interchangeable et remontable sur le bloc moteur. Des moyens sont également prévus sur cette transmission à calage variable pour disposer d'un réglage angulaire précis entre la liaison d'accouplement des deux vilebrequins et la transmission à calage variable.
  • Par définition, le principe de la suralimentation des moteurs à pistons est d'augmenter les masses d'air sans augmenter la cylindrée. Il en résulte pour les moteurs à taux de compression fixe une augmentation de la pression de combustion et une plus grande puissance volumétrique ( puissance par litre de cylindrée ). Cependant, quand la pression de suralimentation est augmentée, les contraintes d'efforts mécaniques et thermiques s'accroissent sur les organes du moteur. Cet inconvénient majeur provient du fait que le rapport volumétrique, engendré par la chambre de combustion et la course du piston, est non modifiable, ne pouvant s'adapter aux variations de pressions et températures de l'air d'admission et des vitesses et températures du moteur.
  • Dès lors, les motoristes respectent certaines règles de conception en déterminant, d'une part, une limite à l'amplitude des variations de pressions à l'admission, et d'autre part, en réalisant un rapport de compression moyen entre la pression d'aspiration atmosphérique et la pression de suralimentation. Comme la détermination du rapport de compression moyen est un compromis conciliant au mieux les différents régimes du moteur, le régime d'aspiration atmosphérique est situé à de trop basses pressions et températures, et le régime de pressions de suralimentation est situé à de trop hautes pressions et températures.
  • Selon l'invention, ce nouveau moteur comporte deux lignes d'arbres vilebrequins, l'une à manivelle à grande course, l'autre à manivelle à petite course. Les deux vilebrequins sont accouplés à même vitesse de rotation au moyen d'un train d'engrenages et d'une transmission à calage variable dont le pignon d'accouplement faisant partie du train d'engrenages se déplace angulairement par rapport à l'arbre vilebrequin à petite course, ce qui autorise un nombre infini de calages entre les deux vilebrequins sans nécessiter l'interruption de la transmission entre ces derniers.
  • Selon l'invention, la transmission à calage variable est conçue de telle manière qu'elle puisse être séparée du bloc moteur indépendamment de l'arbre du vilebrequin à petite course, ce qui a pour avantage de pouvoir procéder rapidement et avec facilité au remplacement des pièces défectueuses ou à un échange standard de cette dernière. Les cylindres, différenciés par leur cylindrée, sont disposés chacun au-dessus de l'une des deux lignes d'arbres vilebrequins. La manivelle du vilebrequin à petite course opérant avec la bielle du piston du plus petit cylindre, la manivelle du vilebrequin à grande course opérant avec la bielle du piston du plus grand cylindre. Les deux cylindres sont reliés un à un, d'une rangée à l'autre, par un évidement dans la culasse, de façon à former un groupe de deux cylindres communiquant entre eux afin de permettre aux gaz de passer de l'un à l'autre, indépendamment de la position du piston de chacun des cylindres.
  • Selon l'invention, en version à allumage par compression, le moteur comprend au moins un injecteur de carburant dans l'espace mort, l'injection du carburant est effectuée en prise à demi-vitesse avec le vilebrequin à grande course.
  • Selon l'invention, en version à allumage commandé, le moteur comprend au moins une bougie d'allumage dans l'espace mort, l'allumage est effectué par des moyens connus en synchronisme à demi-vitesse avec le vilebrequin à grande course.
  • Conformément à la présente invention, la distribution est assurée au moins par un arbre à cames en prise à demi-vitesse avec le vilebrequin à grande course, mettant en communication périodique le groupe des deux cylindres avec les conduites d'admission et d'échappement au moyen des soupapes d'admission et d'échappement à des moments précis du cycle à quatre temps. La phase de détente est effectuée simultanément sur chaque piston des deux cylindres groupés faisant coopérer les deux vilebrequins à l'effort moteur. Le vilebrequin à grande course est mis en liaison directe avec les organes de transmission externes du moteur, de telle sorte que la transmission à calage variable ne transmette que le couple moteur du vilebrequin à petite course sur le vilebrequin à grande course, l'effort moteur sur la transmission à calage variable est donc tributaire de la plus petite cylindrée des deux cylindres groupés.
  • Les différents décalages angulaires de la transmission à calage variable entre les deux vilebrequins ont pour effet de modifier, en phase fin de compression ( point mort haut du piston de la plus grande cylindrée), un espace additionnel engendré dans la plus petite cylindrée. Cet espace additionnel étant défini avec l'espace mort, de façon à modifier le rapport volumétrique du moteur dans le sens maximal en début de course de la transmission à calage variable, et dans le sens minimal en fin de course de la transmission à calage variable.
  • Suivant la présente invention, un amplificateur de force hydraulique dont le vérin asservi agit sur la transmission à calage variable, modifie le volume additionnel de la petite cylindrée proportionnellement à la pression de suralimentation, de manière à maintenir le moteur dans des conditions de fonctionnement optimales avec le minimum de pollution.
  • Egalement suivant l'invention, un programme préétabli sur un moteur de présérie permet d'éliminer les contraintes excessives des pressions et des températures. Chaque régime du moteur est mémorisé dans une échelle de progression par points, de façon à englober toutes les capacités du moteur. Chaque point de mémorisation est une combinaison formée par les mesures de quatre capteurs : la pression de l'air d'admission. la température de l'air d'admission, la vitesse du moteur et la température du moteur. Chaque combinaison est enregistrée simultanément avec la position du vérin de commande de la transmission à calage variable. Ce programme permet le pilotage automatique du moteur de série identique à celui du moteur réalisé au banc d'essai. Les spécifications du carburant doivent également être identiques pour reproduire exactement les mêmes conditions de fonctionnement sur le moteur de série, grâce à une surveillance à haute fréquence des mesures des quatre capteurs.
  • L'invention sera décrite plus en détail à l'aide de la description qui suit et au regard de dessins annexés à titre d'exemple nullement limitatif et sur lesquels :
    • la figure 1 est une vue en coupe longitudinale partielle d'un moteur à quatre temps, à chambre de combustion à volume variable avec un rapport de 5 entre les deux cylindres groupés, représenté en position de début de course de la transmission à calage variable en phase fin de compression. On peut voir les cannelures hélicoïdales appariées entre les premier et troisième éléments concentriques qui sont à hélices circulaires contraires de celles des cannelures hélicoïdales appariées entre les deuxième et troisième éléments concentriques ;
    • la figure 2 représente une vue en éclaté du moteur de la figure 1 montrant la transmission à calage variable démontée des deux vilebrequins ;
    • la figure 3 représente le moteur de la figure 1, suivant une variante de l'invention, montrant en détail les cannelures droites appariées entre les premier et troisième éléments concentriques et les cannelures hélicoïdales appariées entre les deuxième et troisième éléments concentriques :
    • la figure 4 est une vue schématique en coupe transversale d'un moteur à quatre temps suivant l'invention. à chambre de combustion à volume variable avec un rapport de 5 entre les cylindres groupés, représenté en position de fin de compression en début de course de la transmission à calage variable avec 36° d'avance angulaire de la manivelle du vilebrequin à petite course par rapport à la manivelle du vilebrequin à grande course ;
    • la figure 5 est une vue schématique en coupe transversale du même moteur que celui de la figure 4, représenté en position de fin de compression en fin de course de la transmission à calage variable avec 69° d'avance angulaire de la manivelle du vilebrequin à petite course par rapport à la manivelle du vilebrequin à grande course :
    • la figure 6 est une vue en plan du fond de culasse des deux cylindres groupés du même moteur que celui représenté aux figures 4 et 5:
    • la figure 7 est une vue schématique en coupe transversale d'un moteur à quatre temps suivant l'invention , à chambre de combustion à volume variable avec un rapport de 2.5 entre les deux cylindres groupés, représenté en position de fin de compression en début de course de la transmission à calage variable avec 30° d'avance angulaire de la manivelle du vilebrequin à petite course par rapport à la manivelle du vilebrequin à grande course ;
    • la figure 8 est une vue schématique en coupe transversale du même moteur que celui de la figure 7, représenté en position de fin de compression en fin de course de la transmission à calage variable avec 70° d'avance angulaire de la manivelle du vilebrequin à petite course par rapport à la manivelle du vilebrequin à grande course ;
    • la figure 9 est une vue en plan du fond de culasse des deux cylindres groupés du même moteur que celui représenté aux figures 7 et 8 ;
    • la figure 10 représente les diagrammes superposés d'un moteur à rapport volumétrique de 5 entre les deux cylindrées des deux cylindres groupés, montrant les rapports volumétriques par degré de rotation angulaire du vilebrequin à grande course (5) dans les phases de compression et de détente sans allumage. en début ou en fin de course de la transmission à calage variable avec le rendement volumétrique correspondant.
    • la figure 11 représente les diagrammes superposés d'un moteur à rapport volumétrique de 2,5 entre les deux cylindrées des deux cylindres groupés. montrant les rapports volumétriques par degré de rotation angulaire du vilebrequin à grande course (5) dans les phases de compression et de détente sans allumage, en début ou en fin de course de la transmission à calage variable avec le rendement volumétrique correspondant.
  • En se référant aux figures de 1 à 9, le bloc carter cylindre (1) comprend deux vilebrequins (4 et 5) disposés parallèlement, l'un à manivelle à grande course (4), l'autre à manivelle à petite course (5), les deux cylindres (2 et 3) munis de pistons respectivement (6 et 8) et de bielles respectivement (7 et 9) sont disposés chacun au-dessus des deux lignes d'arbres vilebrequins (4 et 5). La manivelle du vilebrequin à petite course (5) opérant avec la bielle (9) du piston (8) du plus petit cylindre (3), la manivelle du vilebrequin à grande course (4) opérant avec la bielle (7) du piston (6) du plus grand cylindre (2). Les deux cylindres (2 et 3) sont reliés un à un, d'une rangée à l'autre, par un évidement dans la culasse (10), de façon à former un groupe de deux cylindres (2 et 3) communiquant entre eux.
  • En version à allumage par compression, le moteur comprend au moins un injecteur de carburant (non représenté) dans l'espace mort. L'injection du carburant est effectuée par des moyens connus (non représentés) en prise à demi-vitesse avec le vilebrequin à manivelle à grande course (4).
  • En version à allumage commandé, le moteur comprend au moins une bougie d'allumage (non représenté) dans l'espace mort. L'allumage est effectué par des moyens connus (non représentés) en synchronisme à demi-vitesse avec le vilebrequin à grande course (4).
  • La distribution est assurée au moins par un arbre à cames (non représenté) en prise à demi-vitesse avec le vilebrequin à grande course (4). La partie de la culasse (10) surplombant le plus grand cylindre (2) comprend les soupapes d'admission et d'échappement respectivement (13 et 14), mettant en communication périodique le groupe des deux cylindres (2 et 3) avec les conduites d'admission et d'échappement respectivement (11 et 12) à des moments précis du cycle à quatre temps.
  • Pour les moteurs à très grande cylindrée, un deuxième arbre à cames (non représenté) en prise à demi-vitesse avec le vilebrequin à grande course (4) peut être prévu dans la partie de la culasse (10) surplombant le plus petit cylindre (3), de façon à assurer de secondes ouverture et fermeture périodiques de l'admission et de l'échappement au même moment que l'ouverture et la fermeture du cycle à quatre temps réalisées dans le plus grand cylindre (2). Le rapport entre les cylindrées des deux cylindres groupés ( 2 et 3) se situe au moins entre 2,5 et 5 permettant d'adapter le moteur à des taux de pressions de suralimentation de 1 à 7.
  • La transmission à calage variable est formée de trois éléments concentriques superposés: le premier élément est constitué par l'arbre de transmission (17) situé dans la partie interne, le deuxième élément est constitué par le manchon (28) de l'engrenage (20) situé dans la partie externe et le troisième élément est constitué par le tube coulissant (32) situé dans la partie intermédiaire entre les deux autres éléments précités. Le dit manchon (28) est maintenu dans un palier applique (15) au moyen d'un roulement à contact oblique (16) à deux rangées approprié entre le palier applique (15) et le manchon (28). Le dit palier applique (15) est fixé au bloc moteur (1) de manière que la transmission à calage variable puisse constituer un ensemble séparé de l'arbre (18) du vilebrequin à petite course (5). A cet effet, la transmission à calage variable et le vilebrequin à petite course (5) sont réalisés chacun avec leur arbre respectif (17 et 18). Les extrémités jointives entre l'arbre (17) de la transmission à calage variable et l'arbre (18) du vilebrequin à petite course (5) sont façonnées avec des cannelures droites mâles et femelles correspondantes permettant leur accouplement dans le bloc moteur (1) par glissement axial au moment de l'application du palier applique (15) dans un orifice prévu dans le bloc moteur (1). Le palier applique (15) est axé sur l'arbre (18) du vilebrequin à petite course (5), de manière à permettre l'autocentrage de l'arbre (17) sur ledit arbre (18), ce dernier servant également de palier libre à l'arbre (17) lors de l'application du palier applique (15) sur le bloc moteur (1) ; ce moyen permettant le démontage de la transmission à calage variable hors du bloc moteur (1) sans devoir procéder au démontage du vilebrequin à petite course (5).
  • L'arbre de transmission (17) et le manchon (28) sont avantageusement maintenus concentriquement et axialement l'un par rapport à l'autre au moyen d'un palier (22) solidaire de l'arbre (17). Le palier (22) est doté d'un roulement (23) à butée axiale et radiale permettant la rotation libre de l'arbre (17) indépendamment du manchon (28). Le palier (22) fait partie intégrante de l'arbre (17) à l'endroit où se limitent les cannelures droites des extrémités jointives d'accouplement entre l'arbre (17) et l'arbre (18) du vilebrequin à petite course (5). Le palier (22) et le manchon (28) sont situés à l'intérieur du bloc moteur (1). Le palier (22) est réalisé sous la forme d'un disque faisant également office de volant, la périphérie de ce volant est régulièrement transpercée d'orifices (24) permettant le boulonnage d'une bague (25) située sur la face du côté opposé au côté où se limitent les cannelures droites. L'application de la bague (25) sur le volant du palier (22) est mise à profit pour former un logement permettant la fixation de la bague extérieure (26) du roulement (23) à efforts axial et radial, tandis que la bague intérieure (27) du roulement (23) est fixée sur le manchon (28) contre une entretoise (29) en forme de bague entourant le manchon (28), l'entretoise (29) est destinée à rattraper l'espace de séparation entre la bague intérieure (27) du roulement (23) et la bague intérieure du roulement à contact oblique (16), cette dernière étant maintenue axialement contre un épaulement prévu sur le manchon (28) par la fixation de toutes les pièces précitées au moyen d'un seul écrou (30) sur le manchon (28).
  • L'engrenage (20) du manchon (28) est situé à l'extérieur du bloc moteur (1) accouplé à même vitesse de rotation avec le vilebrequin à grande course (4) au moyen d'un engrenage (19) solidaire à ce dernier et d'un engrenage intermédiaire (21) entre les deux engrenages précités (19 et 20).
  • L'arbre de transmission (17) comprend du côté du palier (22) faisant face au palier applique (15), des cannelures hélicoïdales (31) sur lesquelles vient s'emmancher le tube coulissant (32). Ce tube coulissant (32) comporte sur sa périphérie interne des cannelures (33) appariées aux cannelures hélicoïdales (31), de manière que le tube coulissant (32) puisse coulisser hélicoïdalement sur l'arbre de transmission (17) et permettre le décalage angulaire entre les dits premier et troisième éléments.
  • Le tube coulissant (32) comporte également sur sa périphérie externe des cannelures hélicoïdales (34) dont l'hélice est à sens contraire de celle des cannelures (33) réalisées à l'intérieur du tube coulissant (32). Le manchon (28) comporte sur sa périphérie interne des cannelures hélicoïdales (35) appariées aux cannelures hélicoïdales externes (34) du tube coulissant (32), de manière que ce dernier puisse coulisser hélicoïdalement dans le manchon (28) et permettre le décalage angulaire entre les dits deuxième et troisième élements en même temps que le coulissement hélicoïdal entre les permier et troisième éléments précités, le manchon (28) redevient solidaire en rotation avec l'arbre (17) lorsque le tube coulissant (32) n'est pas en translation axiale.
  • La longueur du tube coulissant (32) est établie à l'intérieur du manchon (28) lorsque l'extrémité du dit tube coulissant (32) se situe à la limite d'arrêt définie par l'obstruction du palier (22), l'autre extrémité du tube coulissant (32) est dégagée à l'extérieur du manchon (28) au travers de l'engrenage (20) hors du bloc moteur (1) pour permettre, par des moyens appropriés, la fixation de la bague intérieure du roulement (36) à deux rangées à contact oblique. La dite bague intérieure du roulement (36) est rendue solidaire avec le mouvement de rotation du tube coulissant (32), tandis que la bague extérieure du roulement (36), sans mouvement de rotation, est solidarisée avec la pièce d'attache (37).
  • Une mémoire de décision du programme des taux de compression agissant par un système de commande hydraulique permet le déplacement de la pièce d'attache (37) et du tube coulissant (32) pour modifier le calage entre les deux vilebrequins (4 et 5).
  • Le début de course de la transmission à calage variable est agencé de telle sorte que le tube coulissant (32) soit à la position de butée de sortie (non représentée) du manchon (28) (faible couple) qui correspond au minimum d'avance angulaire de la manivelle du vilebrequin à petite course (5) par rapport à la manivelle du vilebrequin à grande course (4).
  • La fin de course de la transmission à calage variable est agencée de telle sorte que le tube coulissant (32) soit à la position de butée de rentrée (non représentée) du manchon (28) (fort couple) correspondant au maximum d'avance angulaire de la manivelle du vilebrequin à petite course (5) par rapport à la manivelle du vilebrequin à grande course (4).
  • Suivant l'invention, pour préciser et faciliter le calage des deux vilebrequins (4 et 5) entre la transmission à calage variable, les dents de l'engrenage (20) sont en nombre pair, lorsque les cannelures appariées (34 et 35) respectivement du tube coulissant (32) et du manchon (28), les cannelures appariées (31 et 33) respectivement de l'arbre (17) et du tube coulissant (32), ainsi que les cannelures jointives entre les deux arbres (17 et 18) sont chacune en nombre impair et vice versa.
  • Suivant une variante de l'invention, l'arbre (17) de la transmission à calage variable comprend, du côté du palier (22) faisant face au palier applique (15), des cannelures droites (38) en substitution des cannelures helicoïdales (31) sur lesquelles vient s'emmancher le tube coulissant (32), lequel comporte sur sa périphérie interne des cannelures droites (39) en substitution des cannelures hélicoïdales (33), les cannelures droites (39) étant appariées avec les cannelures droites (38) de l'arbre (17) .
  • Selon l'invention, les rapports volumétriques minimal et maximal sélectionnés pour le type de moteur à concevoir sont réalisés en fonction des dimensions des différents éléments du moteur, à savoir d'une part, le rapport entre la cylindrée des deux cylindres groupés (2et 3) et d'autre part, le rapport formé par le volume total des deux cylindrées de ces cylindres (2,3) avec le volume formé par l'espace mort (40), ces derniers rapports sont agencés de telle manière, que l'avance angulaire maximale de la manivelle du vilebrequin à petite course (5) par rapport à la manivelle du vilebrequin à grande course (4), définie par la position de fin de course de la transmission à calage variable, fasse correspondre, en phase fin de compression ( point mort haut du piston 6 ), le positionnement du piston (8) en rapport avec l'espace additionnel nécessaire à l'espace mort (40) pour définir le dit rapport volumétrique minimal du moteur avec un angle d'au moins 90° entre la bielle (9) et la manivelle du vilebrequin à petite course (5).
  • Les dispositions du réglage angulaire précitées entre les deux vilebrequins dans la position de fin de course de la transmission à calage variable, en relation avec les dimensions appropriées entre les différents éléments du moteur, permettent à ce dernier de fonctionner:
    • en phase de détente, avec les gaz de combustion sur le piston (8) associés au moins à partir du couple maximun instantané sur la manivelle du vilebrequin à petite course (5) ;
    • en phase de détente, en limitant la remontée du piston (8) antérieurement à l'ouverture de la soupape d'échappement (14) source de contre-pressions des gaz de combustion sur le dit piston (8);
    • en phase fin d'admission, en limitant la remontée du piston (8) source de diminution du volume de remplissage dans le cylindre (3).
  • Ces fonctionnements ont pour avantage d'assurer le maintien du rendement optimal du moteur au régime de la pleine charge.
  • Le rapport volumétrique maximal sélectionné est réalisé sur la même base de données que les valeurs dimensionnelles définies pour le rapport volumétrique minimal, de telle manière, que l'avance angulaire minimale de la manivelle du vilebrequin à petite course (5) par rapport à la manivelle du vilebrequin à grande course (4), définie par la position de début de course de la transmission à calage variable, fasse correspondre en phase fin de compression (point mort haut du piston 6), le positionnement au piston (8) avec l'espace additionnel nécessaire à l'espace mort (40) pour définir le rapport volumétrique maximal du moteur avec la bielle (9) de la manivelle du vilebrequin à petite course (5) écartée de son point mort haut, de manière que la dite bielle (9) forme un angle avec la manivelle du vilebrequin à petite course (5).
  • Les dispositions du réglage angulaire précitées entre les deux vilebrequins dans la position de début de course de la transmission à calage variable en relation avec les dimensions appropriées entre les différents éléments du moteur permettent à ce dernier de fonctionner :
    • en phase fin de compression, en assurant un mouvement de translation plus important sur le piston (8) par degré unitaire de décalage angulaire entre les manivelles des deux vilebrequins (4 et 5).
  • Ce fonctionnement a pour avantage d'accélérer le processus de modifications du rapport volumétrique du moteur à faible charge.
  • Nature des symboles adoptés
    P =  rapport volumétrique.
    V1 =  cylindrée du plus grand des deux cylindres groupés.
    V2 =  cylindrée du plus petit des deux cylindres groupés.
    V1 V2
    Figure imgb0001
     =  rapport volumétrique entre les deux cylindrées des deux cylindres groupés.
    α =  avance angulaire de la manivelle du vilebrebrequin à petite course.
    ve =  volume de l'espace mort des deux cylindres groupés nécessaire pour le transfert des gaz sans laminage excessif.
    (α minimum) =  avance angulaire de la manivelle du vilebrequin à petite course. en début de course de la transmission à calage variable.
    (α maximum) =  avance angulaire de la manivelle du vilebrequin à petite course. en fin de course de la transmission à calage variable.
    V a (α minimum) =  volume additionnel s'ajoutant au volume de l'espace mort. en début de course de la transmission à calage variable, défini par l'angle minimum de l'avance angulaire de la manivelle du vilebrequin à petite course lorsque la manivelle du vilebrequin à grande course se situe au point mort haut, en phase fin compression.
    V a (α maximum) =  volume additionnel s'ajoutant au volume de l'espace mort. en fin de course de la transmission à calage variable. défini par l'angle maximum de l'avance angulaire de la manivelle du vilebrequin à petite course lorsque la manivelle du vilebrequin à grande course se situe au point mort haut, en phase fin de compression.
    Vr (α minimum) =  volume de refoulement d'air en début de course de la transmission à calage variable. défini par l'angle minimum de l'avance angulaire de la manivelle du vilebrequin à petite course lorsque la manivelle du vilebrequin à grande course se situe au point mort bas. en phase fin d'admission.
    Vr (α maximum) =  volume de refoulement d'air en fin de course de la transmission à calage variable. défini par l'angle maximum de l'avance angulaire de la manivelle du vilebrequin à petite course lorsque la manivelle du vilebrequin à grande course se situe au point mort bas. en phase fin d'admission.
  • Caractéristiques et formules des rapports volumétriques du moteur à chambre de combustion à volume variable. (V1 + V2) x nomb. de grp. de 2 cyl. = cylindrée du moteur.
    Figure imgb0002
     V1 + [ V2 - Vr (α) ] x nomb. de grp. de 2 cyl. = cylindrée du moteur définie par le calage de la transmission à calage variable.
    Figure imgb0003
     V1+ [ V2-Vr(α) ] +ve ve+Va(α) = P. théorique
    Figure imgb0004
     caractéristique volumétrique théorique du moteur avec définition des rapports volumétriques agencés par le calage de la transmission à calage variable. V1+ [ V2-Vr(α min imum) ] +ve ve+Va(α min imum) = P max imum
    Figure imgb0005
     définition du rapport volumétrique maximum en début de course de la transmission à calage variable. En pratique, on peut considérer que Vr (α minimum) ne doit pas se déduire de V2 car trop négligeable. V1+ [ V2-Vr(α max imum) ] +ve ve+Va (α max imum) = P min imum
    Figure imgb0006
  • Définition du rapport volumétrique minimun en fin de course de la transmission à calage variable. En pratique, on peut considérer que Vr (α maximum) ne doit pas se déduire de V2 car la masse admise en V1 et V2 est tributaire de l'étalonnage mémorisé à la pression de suralimentation maximale.
  • On peut admettre une formule simplifiée du rapport volumétrique suivant que Va(α)se situe à n'importe quelle position angulaire entre le début et la fin de course de la transmission à calage variable soit: V1+V2+ve ve+Va(α) = P
    Figure imgb0007
  • Conformément à l'invention, le rapport volumétrique minimal sélectionné peut être réalisé entre deux limites de fin de course de la transmission à calage variable. La première limite est réalisée avec une avance angulaire maximale de la manivelle du vilebrequin à petite course (5) par rapport à la manivelle du vilebrequin à grande course (4) de façon à déterminer en fin de compression ( point mort haut du piston 6) le positionnement du piston (8) en rapport avec l'espace additionnel nécessaire à l'espace mort (10) pour définir le dit rapport volumétrique minimal avec un angle d'au moins 90° entre la bielle et la manivelle du vilebrequin à petite course (5) , la deuxième limite est réalisée avec une moindre avance angulaire de la manivelle du vilebrequin à petite course (5) par rapport à la manivelle du vilebrequin à grande course (4) et ce proportionnellement à la diminution du rapport entre les deux cylindrées des deux cylindres (2 et 3) jusqu'à la limite de tolérance engendrée par l'espace de travail des deux vilebrequins (4 et 5) défini par les positions parallèles et rapprochées des deux cylindres groupés (2 et 3) suivant la formule du rapport volumétrique minimal ci-après. V1+ [ V2-Vr(α max imum) ] +ve ve+Va(α max imum) = P min imum
    Figure imgb0008
  • On peut calculer un plus grand rapport volumétrique entre les deux cylindrées des deux cylindres groupés afin de diminuer les contraintes d'efforts sur la transmission à calage variable sur les moteurs à plus petite cylindrée, à l'inverse on peut calculer un plus petit rapport volumétrique entre les deux cylindrées des deux cylindres groupés (2 et 3) afin d'augmenter la vitesse des moteurs à plus grande cylindrée.
  • En pratique. on peut considérer que Vr (α maximum) ne doit pas se déduire de V2, car la masse admise en V1 et V2 est tributaire de l'étalonnage mémorisé entre le rappon volumétrique et la pression de suralimentation.
  • Le rapport volumétrique maximal sélectionné est réalisé sur la base des données des valeurs dimensionnelles définies pour le rapport volumétrique minimal, de telle manière qu'en début de course de la transmission à calage variable, l'avance angulaire minimale de la manivelle du vilebrequin à petite course (5) par rapport à la manivelle du vilebrequin à grande course (4) détermine, en fin de compression (point mort haut du piston 6), le positionnement du piston (8) en rapport avec l'espace additionnel nécessaire à l'espace mort (1O) pour définir un rapport volumétrique maximal avec la bielle (9) de la manivelle du vilebrequin à petite course (5) écartée de son point mort haut, afin que la dite bielle (9) forme un angle avec la manivelle du vilebrequin à petite course (5). On peut donc définir le rapport volumétrique maximal suivant la formule : V1+[V2-Vr (α min imum) ] +ve ve+Va (α min imum) = P max imum
    Figure imgb0009
  • En pratique, on peut considérer que V r (α minimum) ne doit pas se déduire de V2, car la masse d'air admise en V1 et V2 est tributaire de l'étalonnage mémorisé entre le rapport volumétrique et la dépression atmosphérique dans la pipe d'admission.
  • Les diagrammes des figures 10 et 11 sont établis à partir de la formule ci-après:
    • a =
    point mort haut du petit cylindre
    b =
    sommet du petit piston
    s =
    surface du petit piston
    l =
    longueur de la petite bielle
    r =
    longueur du petit vilebrequin
    A =
    point mort haut du grand cylindre
    B =
    sommet du grand piston
    S =
    surface du grand piston
    L =
    longueur de la grande bielle
    R =
    longueur du grand vilebrequin
    Vm =
    volume mort
    α =
    rotation angulaire (0° au point mort haut) (sens anti-trigonométrique)
    ϕ =
    avance angulaire du petit vilebrequin par rapport au grand vilebrequin
    Figure imgb0010
  • Exemple pour rendre le moteur fonctionnel et performant suivant l'une des nombreuses applications.
  • La formule ci-dessus enregistrée dans une feuille de calcul de l'ordinateur permet de gérer et de sélectionner les valeurs dimensionnelles entre les différents éléments du moteur, c'est à dire, les rapports volumétriques entre les deux cylindrées des deux cylindres groupés (2,3) et le rapport formé par le volume total des deux cylindrées de ces cylindres (2,3) avec le volume formé par l'espace mort (40), le calcul est établi de manière que les spécifications qui ont été prévues pour les rapports volumétriques maxima et minima du moteur puissent coïncider avec les degrés correspondants des avances angulaires minima et maxima de la manivelle du vilebrequin à petite course par rapport à la manivelle du vilebrequin à grande course respectivement du début et de fin de course de la transmission à calage variable. Les graphiques des figures 10 et 11 montrent des exemples de courbes de variations du rapport volumétrique et du rendement volumétrique des deux cylindres groupés (2,3) sur 360° degrés de rotation angulaire de la manivelle du vilebrequin à grande course (4).
  • Suivant un mode particulier de réalisation de l'invention, en version de groupe électrogène à haute capacité mais non exclusivement, les deux vilebrequins (4 et 5) sont reliés chacun mécaniquement à une génératrice, les circuits électriques des deux génératrices sont reliés en parallèles. La capacité de chacune des deux génératrices se définie en fonction de la puissance de leur vilebrequin respectif en régime de croisière du moteur, de ce fait, la transmission à calage variable et les accouplements correspondants entre les deux vilebrequins (4 et 5 ) sont limités à des efforts de compensation de couples.
  • Avantages pour le moteur à quatre temps à allumage par compression.
    • augmentation du rendement volumétrique;
    • augmentation de la puissance massique ;
    • diminution des pertes par frottements mécaniques;
    • adaptation du moteur à l'indice de cétane;
    • définition avec précision d'une température de fin de compression idéale pour l'autoinflammation du carburant dans toutes les circonstances envisageables ( du démarrage à froid jusqu'aux hautes pressions de suralimentation);
    • meilleures performances du moteur en altitude;
    • minimisation des rejets d'oxyde d'azote et d'hydrocarbures imbrûlés.
  • Avantages pour le moteur à quatre temps à allumage commandé.
    • augmentation du rendement volumétriques ;
    • augmentation de la puissance massique ;
    • diminution des pertes par frottements mécaniques et par pompages ;
    • augmentation du rendement du moteur en charges partielles, du fait de l'augmentation du
    • taux de compression proportionnellement à la dépression dans la pipe d'admission. ( fermeture du papillon du gaz )
    • adaptation du moteur à l'indice d'octane ;
    • meilleures performances du moteur en altitude ;
    • meilleure homogénéité du mélange ;
    • minimisation des rejets de monoxyde de carbone, d'oxydes d'azote et d'hydrocarbures imbrûlés.
    Avantages et conditions d'utilisation du moteur à quatre temps à allumage par compression à haut taux de pression de suralimentation sur les véhicules tracteurs routiers.
  • La réduction de la cylindrée de chaque cylindre du moteur suivant le critère de la vitesse moyenne des pistons, permet une augmentation du régime moteur et une diminution cohérente des basses fréquences. Il sera prévu une plus grande démultiplication sur l'ensemble boîte de vitesses - arbre de transmission jusqu'à la deuxième réduction du pont moteur. Comme le frottement mécanique est proportionnel à la cylindrée et peu sensible à la charge, le rendement s'en trouve amélioré. Le frein moteur pourra être maintenu en envisageant une augmentation de la puissance du moteur à l'appui d'un limiteur de vitesse sur le véhicule.

Claims (6)

  1. Moteur à combustion interne à quatre temps comprenant une phase d'aspiration, une phase de compression, une phase de détente et une phase d'échappement, ce moteur comprenant :
    - des pistons (6,8) animés d'un mouvement alternatif, fonctionnant par auto-inflammation ou par allumage commandé ;
    - deux lignes d'arbres vilebrequins, une première (4) présentant une manivelle à grande course, tandis que la seconde (5) présente une manivelle avec une course inférieure à la course de la manivelle de la première ligne d'arbre vilebrequin, lesdits arbres vilebrequins (4,5) étant accouplés à même vitesse de rotation au moyen d'un train d'engrenages (19,20,21) et d'une transmission à calage variable ;
    - un ensemble de cylindres (2,3) disposés chacun au dessus d'une des lignes d'arbres vilebrequins (4,5), cet ensemble comprenant des petits cylindres (3) présentant une cylindrée inférieure à celle de grands cylindres (2), chaque grand cylindre communiquant avec un petit cylindre (3) via un espace mort (40) de manière à former un groupe de deux cylindres (3,4) communiquant entre eux de manière à permettre aux gaz de passer d'un cylindre à l'autre indépendamment de la position des pistons (6,8) se déplaçant dans lesdits cylindres (2,3), chaque piston étant associé à une bielle (9) opérant avec une manivelle d'un vilebrequin, la manivelle de la seconde ligne d'arbre vilebrequin (5) opérant la bielle (9) du piston (8) se déplaçant dans le petit cylindre (3), tandis que la manivelle de la première ligne d'arbre vilebrequin (4) opère la bielle (7) du piston (6) se déplaçant dans le grand cylindre (2) ;
    - un arbre à cames en prise à demi-vitesse avec la première ligne d'arbre vilebrequin (4) pour assurer la communication périodique des groupes de deux cylindres (2,3) avec des conduites d'admission (11) et d'échappement (12) au moyen de soupapes d'admission (13) et d'échappement (14) à des moments prédéterminés du cycle à quatre temps,
    la transmission à calage variable comportant un mécanisme de commande pour faire varier angulairement le calage de la manivelle de la seconde ligne d'arbre vilebrequin (5) par rapport à la manivelle de la première ligne d'arbre vilebrequin (4), au moyen d'un amplificateur de force hydraulique comportant un vérin asservi agissant sur la transmission, ladite transmission permettant de modifier en phase fin de compression du piston (6) du grand cylindre (2) le rapport volumétrique du moteur entre un rapport volumétrique minimal et un rapport volumétrique maximal, lesdits rapports volumétriques minimal et maximal étant fonction
    a) du rapport entre la cylindrée du grand cylindre (2) et la cylindrée du petit cylindre (3), et
    b) du rapport entre, d'une part, le volume total du petit cylindre et du grand cylindre et, d'autre part, le volume de l'espace mort (40) et d'un volume additionnel créé dans le petit cylindre (3) en phase fin de compression du piston (6) du grand cylindre (2), la transmission à calage variable règlant l'avance angulaire de la manivelle de la seconde ligne d'arbre vilebrequin (5) par rapport à la manivelle de la première ligne d'arbre vilebrequin (4) pour obtenir lesdits rapports volumétriques, ladite avance angulaire variant entre une avance angulaire maximale telle qu'au moins un angle de 90° soit formé entre la bielle (9) du piston (8) du petit cylindre (3) et la manivelle de la seconde ligne d'arbre vilebrequin (5) en phase fin de compression du piston (6) du grand cylindre (2) pour définir le rapport volumétrique minimal, et une avance angulaire minimale telle que l'angle de l'avance angulaire correspond en phase fin de compression du piston (6) du grand cylindre (2) au positionnement du piston (8) dans le petit cylindre pour créer le volume additionnel requis pour obtenir le rapport volumétrique maximal, la manivelle de la seconde ligne d'arbre vilebrequin (5) formant un angle avec la bielle (9) du piston (8) du petit cylindre (3).
  2. Moteur suivant la revendication 1, pour lequel la manivelle de la première ligne d'arbre vilebrequin (4) passe par un point mort haut et par un point mort bas lors de sa rotation, caractérisé en ce que
       l'ensemble de cylindres groupés (2,3) présentant des positions parallèles et rapprochées et les deux lignes d'arbre à vilebrequin (4,5) sont agencés pour définir un espace de travail minimum des deux lignes d'arbre à vilebrequin de telle sorte que soit obtenu un rapport des cylindrées de deux cylindres groupés (2,3) minimal,
    et en ce que
       la transmission à calage variable présente une course de déplacement s'étendant entre un début de course et une fin de course, le rapport volumétrique minimal de deux cylindres groupés (2,3) étant obtenu en fin de course de la transmission à calage variable, ce rapport volumétrique étant calculé par la formule suivante : V1+ [ V2-Vr(α max imum) ] +ve ve+Va (α max imum) = P min imum
    Figure imgb0011
        dans laquelle
    V1 :   cylindrée du grand cylindre (2) de deux cylindres groupés (2,3)
    V2 :   cylindrée du petit cylindre (3) des deux cylindres groupés (2,3)
    ve :   volume de l'espace mort (40) des deux cylindres groupés (2,3) permettant le transfert de gaz entre les cylindres (2,3) sans laminage excessif
    α maximum :   avance angulaire de la manivelle de la seconde ligne d'arbre vilebrequin (5), en fin de course de la transmission à calage variable
    Vr(α maximum) :   volume de refoulement d'air en fin de course de la transmission à calage variable, défini par l'avance angulaire de la manivelle de la seconde ligne d'arbre vilebrequin (5) lorsque la manivelle de la ligne d'arbre vilebrequin (4) se situe au point mort bas, en phase fin d'admission
    Va (α maximum) :   volume additionnel s'ajoutant au volume de l'espace mort (40) en fin de course de la transmission à calage variable, défini par l'avance angulaire de la manivelle de la seconde ligne d'arbre vilebrequin (5) lorsque la manivelle de la première ligne d'arbre vilebrequin (4) se situe au point mort haut, en phase fin de compression.
  3. Moteur suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la transmission à calage variable comprend trois éléments concentriques superposés, à savoir un élément interne constitué par un arbre de transmission (17), un élément externe constitué par un manchon (28) portant un engrenage (20) pour l'accouplement des deux lignes d'arbres vilebrequins (4,5), et un élément intermédiaire situé entre lesdits éléments interne et externe et constitué d'un tube coulissant (32) par rapport auxdits éléments interne et externe, le manchon (28) étant maintenu dans un palier applique (15) au moyen d'un roulement à contact oblique (16) à deux rangées,
    en ce que la seconde ligne d'arbre vilebrequin (5) présente un arbre (18) dont une extrémité est jointive à une extrémité de l'arbre de transmission (17), lesdites extrémités présentant des cannelures droites mâles et femelles correspondantes pour permettre leur accouplement et l'autocentrage des trois éléments par rapport à l'arbre (18) de la seconde ligne d'arbre vilebrequin (5) lors de la fixation du palier applique (15) sur un orifice du bloc moteur et pour permettre le démontage de la transmission sans démontage de la seconde ligne d'arbre vilebrequin (5),
    en ce qu'un palier (22) porte une bague de fixation (25) formant le logement de la bague extérieure (26) d'un roulement (23) dont la bague intérieure (27) est fixée sur le manchon (28) de manière à maintenir l'arbre de transmission (17),
    en ce qu'une entretoise (29) s'étend entre la bague intérieure (27) du roulement (23) et la bague intérieure du roulement à contact oblique (16), cette entretoise compensant l'espace séparant entre lesdites bagues et maintenant axialement la bague de roulement à contact oblique (16) contre un épaulement que présente le manchon (28),
    en ce qu'un seul écrou (30) assure la fixation des bagues intérieures du roulement (23) et du roulement à contact oblique (16) et de l'entretoise (29) sur le manchon (28),
    en ce que l'arbre de transmission (17) présente du côté de la bague de fixation (25) des cannelures hélicoïdales ou droites (31) sur lesquelles vient s'emmancher le tube coulissant (32) présentant sur sa face interne des cannelures hélicoïdales ou droites (33) de manière à coulisser hélicoïdalement ou linéairement sur l'arbre de transmission (17),
    en ce que la manchon (28) comporte sur sa face interne des cannelures hélicoïdales (35) dont l'hélice est contraire à celle des cannelures de l'arbre de transmission lorsque ces dernières sont hélicoïdales,
    en ce que le tube coulissant (32) présente une extrémité dégagée en permanence hors du manchon (28), ladite extrémité étant solidaire d'une bague intérieure d'un roulement (36) à deux rangées à contacts obliques, la bague extérieure du roulement (36) étant solidaire d'une pièce d'attache (37) du vérin, et
    en ce que les cannelures hélicoïdales sont agencées de sorte que le tube coulissant (32) en se déplaçant hors du manchon diminue l'avance angulaire de la manivelle de la seconde ligne d'arbre à vilebrequin (5) par rapport à la manivelle de la première ligne d'arbre à vilebrequin (4).
  4. Moteur à combustion interne à quatre temps suivant l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'allumage est commandé et comprend au moins une bougie d'allumage dans l'espace mort (40), l'allumage étant effectué en synchronisme à demi-vitesse avec la première ligne d'arbre à vilebrequin (4).
  5. Moteur à combustion interne à quatre temps suivant l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le rapport entre les cylindrées des deux cylindres groupés (2 et 3) se situe entre 2,5 et 5.
  6. Moteur à combustion interne à quatre temps suivant la revendication 3, caractérisé en ce que l'engrenage (20) porté par le manchon (28) comporte un nombre de dents respectivement pair ou impair, lorsque le nombre de dents des cannelures entre l'arbre de transmission (17) et le tube coulissant (32) et le nombre de dents des cannelures des extrémités jointives de l'arbre de transmission (17) et de l'arbre (18) de la seconde ligne d'arbre vilebrequin (5) sont respectivement impairs ou pairs.
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