EP0773352A1

EP0773352A1 - Dispositif mécanique d'actionnement linéaire alternatif

Info

Publication number: EP0773352A1
Application number: EP96500134A
Authority: EP
Inventors: Pedro Jose Campo Garraza
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1995-11-10
Filing date: 1996-10-09
Publication date: 1997-05-14
Also published as: ES2120346A1; ES2120346B1; JPH09195735A

Abstract

L'invention concerne un dispositif mécanique destiné à l'actionnement d'un piston récepteur (6), suivant une loi cinématique qui est déterminée par la trajectoire imposée à l'axe (3), équipant la bielle maîtresse (2). Le dispositif comprend un organe de commande (1), excentrique ou vilebrequin, communicant le mouvement à l'axe (3), avec l'aide de la bielle maîtresse (2). L'axe (3) glisse, par ses extrémités, dans les rainures (4) usinées dans deux guides fixes, qui déterminent sa trajectoire. Une bielle secondaire (5), montée sur l'axe (3), transmet le mouvement au piston (6). Dans une version préférentielle de l'invention, les rainures (4) sont aventageusement remplacées par deux bielles, montées en parallèle sur les extrémités de l'axe (3), et oscillant sur un axe fixe, commun à toutes les deux. L'invention est particulierement destinée à l'actionnement d'une distribution par pistons, pour moteur de combustion interne. <IMAGE>

Description

Dès le début du développement industriel des moteurs à combustion interne, on essaie de remplacer les soupapes de distribution, et leur mécanisme d'actionnement par arbres à cames, par d'autres moyens qui évitent le martelement auquel sont soumis ces organes de distribution et qui, en outre, aient le pouvoir d'ouvrir et de fermer des orifices plus efficaces, en termes de perméabilité aérodynamique, que ceux que les dites soupapes permettent d'installer dans un moteur de ce type.
En ce sens, et parmi d'autres idées, on a proposé des solutions fondées sur l'utilisation d'obturateurs rotatifs.
On a aussi proposé l'usage de pistons se déplaçant à l'intérieur de cylindres auxiliaires, communiquant avec la chambre de combustion de chaque cylindre moteur et qui possèdent des lumiéres de transvasement sur leur surface latérale, que les pistons de distribution, actionnés directement par des petits vilebrequins indépendants, se chargent d'ouvrir et de fermer, en synchronisme avec les phases du cycle moteur, assurant ainsi le calage de l'admission et de l'echappement avec le mouvement alternatif de chaque piston moteur.
L'application des obturateurs rotatifs entraîne des grandes difficultés, en raison des graves problèmes d'étancheité et des dilatations que ces dispositifs présentent.
En ce qui concerne l'utilisation de vilebrequins pour l'actionnement direct des pistons, comme indiqué précédamment, cette application présente un écueil fonctionnel inévitable, en raison de la relation, quasi-sinusoïdale, entre l'angle parcouru par le vilebrequin de commande, et le déplacement linéaire alternatif obtenu au niveau du piston de distribution dont le repos, au point mort le plus proche de la chambre de combustion, a une durée pratiquement nulle; c'est la raison pour laquelle le volume de la dite chambre varie considérablement pendant la combustion, avec une détérioration substantielle du rendement thermodynamique du moteur.
La présente invention concerne un dispositif mécanique qui permet de remédier le grave inconvénient entraîné par l'actionnement direct, par vilebrequins, des pistons de distribution, car il remplace la loi cinématique, quasi-sinusoïdale, entre le vilebrequin de commande et le piston de distribution, par une loi cinématique particuliere, plus appropriée au fonctionnement du moteur.
En partant du mouvement circulaire uniforme dont sont animés les organes de commande d'une distribution, tels que les arbres à excentrique ou les vilebrequins, le dispositif mécanique proposé dans la présente invention produit un mouvement linéaire alternatif particulier, au niveau de l'organe récepteur qui, en l'occurrence, est l'un des pistons de distribution, assimilable au mouvement qui produisent les cames sur les soupapes d'une distribution classique, et qui se caractérise en ce qu'il observe une importante période de repos, ou pseudo-repos, à l'une de ses fins de course.
La Figure 1 montre une forme d'exécution, conforme à l'invention, composée d'un organe de commande (1), excentrique ou vilebrequin, qui peut être indépendent pour chacune des fonctions de distribution, admission ou échappement, de chacun des cylindres (15) d'un moteur, ou commun pour les deux fonctions, équipé d'une bielle maîtresse (2), sur l'une des extremités de laquelle se trouve l'axe (3).
La trajectoire de l'axe (3) lui est imposée par la forme de la génératrice d'une paire de rainures de guidage (4), usinées dans des éléments fixes, où l'axe (3) glisse, guidé par ses extrémités. Dans cette figure, il n'est possible d'apercevoir que l'une des deux rainures (4) d'une même paire, car elles se trouvent situées toutes les deux dans des plans parallèles, devant et derrière le plan de la figure.
Le mouvement de l'axe (3) est transmis au piston récepteur (6) à l'aide d'une bielle secondaire (5), articulée par ses deux extrémites sur dits éléments (3) et (6).
Le piston récepteur (6) se déplace à l'interieur d'un cylindre (11), pourvu de lumières de transvasement (12) et imposant au piston (6) une trajectoire rectiligne confondue avec son axe longitudinal.
Tous les cylindres de distribution (11), relatifs à l'une ou l'autre des fonctions d'admission ou d'échappement, se trouvent situés dans la culasse (13) du moteur, et leur section débouche dans la chambre de combustion (14) du cylindre moteur (15) correspondant, de manière que la tête des pistons (6) l'obturent à guise de parois mobiles dont le mouvement, en rapport avec le cycle thermodynamique, doit être contrôlé pendant le fonctionnement du moteur.
Suivant la loi de mouvement que l'on souhaite imposer aux pistons de distribution (6), la génératrice des rainures de guidage (4) peut être rectiligne ou curviligne et, dans ce dernier cas, avec la concavité principale tournée en sens contraire à la position du piston de distribution (6).
La Figure 1 contient la représentation de l'exécution principale des rainures de guidage (4), dont la génératrice posséde une forme spécifique en S, composée de deux arcs curvilignes tangents, de concavité opposée, et disposés de telle manière que le premier d'entre eux, qui est un arc de cercle, soit orienté vers le piston de distribution (6), avec un rayon dont la valeur est égale à l'entre-axe de la bielle (5), et que son centre de rotation soit situé sur l'axe longitudinal du cylindre de distribution (11).
Pendant le parcours de l'axe (3) sur cette partie de la rainure de guidage (4), la bielle secondaire (5) est uniquement affectée d'un mouvement d'oscillation, raison pour laquelle le déplacement du piston de distribution (6) est nul.
Lorsque l'axe (3) entre dans la partie de la rainure de guidage (4) formée par le deuxième arc curviligne, et dû à l'orientation de sa courbature dans le sens contraire à la position du piston de distribution (6), celui-ci démarre son mouvement de ouverture, qu'il va continuer jusqu'à découvrir complètement les lumières de transvasement (12).
Lorsque l'axe (3), entraîné par l'organe de commande (1) et par la bielle maîtresse (2), commence sa course de retour en direction de la partie initiale de la rainure (4), le piston de distribution (6) ferme les lumières (12) et se dirige vers la chambre de combustion (14) pour la maintenir réduite à son volume minimum, pendant une nouvelle période de repos.
Pour une meilleure comprehension du fonctionnement de cette exécution, conforme à l'invention, on a représente sur la Figure 2 un schéma géométrique fonctionnel de celle-ci, sur lequel les différents organes mécaniques sont réduits à leur dimension la plus significative, et représentés par des élements géométriques simples:
L'organe de commande se trouve représenté par son rayon de manivelle (1'), ou excentration, et par le cercle (1") qui est la trajectoire de son maneton.
Le segment (2') représente la bielle maîtresse, le segment (5') représente la bielle secondaire, les arcs curvilignes (4') et (4") représentent ensemble la génératrice en S des rainures de guidage, le point (3') représente l'axe commun de connexion, et la droite (11') représente l'axe qui supporte la trajectoire du piston de distribution.
Le point (6'), sur l'extrémité du segment (5'), est la représentation de la position extreme du piston de distribution, sur sa trajectoire rectiligne (11').
L'ensemble de barres articulées entre elles, représenté par les segments (1'), (2') et (5'), constitue un système déformable pendant le fonctionnement, et que dorénavant nous appelerons "funiculaire", qui passe succésivement par quatre positions particulieres, qui se trouvent représentées sur la Figure 2 par quatre lignes brisées, peintes en différents traits et épaisseurs.
Si l' on choissit le point (0), sur le cercle (1"), comme étant l'origine des angles, la position du funiculaire représenté en trait continu épais, sur lequel le segment (1') se trouve presque superposé avec le segment (2'), corespond à une situation dans laquelle le point (3') se trouve à son abscisse minimale, sur la portion (4') de sa trajectoire curviligne complèxe, qui est un arc de cercle de rayon égal à (5') et dont le centre se trouve sur l'axe (11').
Lorsque le rayon de manivelle (1') tourne, par exemple dans le sens trigonométrique, jusqu'à atteindre le point (21), sur le cercle (1"), le funiculaire adopte la configuration représentée par la ligne brisée, en trait épais interompu long; le point (3') vient sur (3"), à la jonction des arcs (4') et (4"), raison pour laquelle, pendant cette excursion, le point (6') ne s'est pas deplacé sur sa trajectoire rectiligne (11').
Lorsque le rayon de manivelle (1') continue de tourner dans le même sens, jusqu'au point (22) du cercle (1"), le funiculaire se trouve dans la position représentée par la ligne brisée entrait épais interompu court, et le point (3") atteint son abscisse maximale (3"'), sur sa trajectoire, représentée par l'arc curviligne (4").
Le point (6') réalise sa course maximale (C), sur sa trajectoire rectiligne (11') et vient se situer en (6"').
Une nouvelle période de repos débute lorsque le rayon de manivelle (1'), poursuivant sa rotation, atteint le point (23), sur le cercle (1"), et le point (3"') retourne à (3"), pénétrant de nouveau dans la zone en arc de cercle (4'), de sa trajectoire curviligne compléxe.
C'est la position du funiculaire représentée sur la Figure 2 par la ligne brisée, en trait épais interompu mixte.
Pendant l'angle de rotation (24) de la manivelle (1'), le point (6') se trouve dans une période de repos absolu.
Pendant l'angle de rotation (25) de la manivelle (1'), a lieu le mouvement complet d'aller-retour du point (6') sur sa trajectoire (11').
Le diagramme cinématique de ce mouvement se trouve représenté sur la Figure 5, où l'on peut apprécier la dissymétrie existante entre les périodes de repos et de mouvement.
Dans une variante préférentielle de l'invention, représentée sur la Figure 3, les rainures de guidage (4) sont aventageusement remplacées par une paire de bielles auxiliaires (7), montées en parallèle sur les extrémités de l'axe (3), et oscillant toutes les deux autour d'un axe fixe (8), pourvu d'un système de réglage de position par excentrique (9), avec son dispositif de blocage (10).
Comme dans le cas des rainures de guidage (4), montrées sur la Figure 1, et pour des raisons identiques,une seule des deux bielles auxiliaires (7) d'une même paire peut être vue dans la Figure 3.
Dans cette variante préférentielle de l'invention, la trajectoire de l'axe (3) est un arc de cercle, dont la concavité est orientée en sens inverse de la position du piston de distribution (6); son rayon de courbure a pour valeur la distance d'entraxe des bielles auxiliaires (7), et son cen-de giration se trouve sur l'axe fixe (8).
D'un côté, on remplace la période de repos pur du piston de distribution (6) par une période pendant laquelle le piston se meut légèrement, et a laquelle on a donné le nom de "pseudo-repos", très favorable à la dynamique du système car elle limite considérablement l'amplitude des accélérations maximales locales des pistons de distribution (6).
D'un autre côté, la qualité de l'exécution mécanique de l'invention se trouve améliorée, dans cette version préférentielle par, bielles, si on la compare avec l'ejecution de la version de base de l'invention, par rainures, car l'on substitue le glissement de l'axe (3) dans la ranure (4) par des oscillations entre l'axe (3) et les bielles auxiliaires (7).
Les proportions entre les dimensions des divers organes mécaniques qui composent cette variante, ainsi que la position relative des axes de rotation de l'organe de commande (1) et des bielles auxiliaires (7), aussi bien que celle de la trajectoire rectiligne du piston de distribution (6), dominent la cinématique obtenue au niveau de ce dernier et, en conséquence, déterminent tant la course maximale des pistons de distribution (6) que la relation entre les valeurs relatives des périodes de pseudo-repos et de mouvement.
Le réglage par excentrique (9), de la position de l'axe fixe (8), permet d'ajuster le diagramme de distribution du moteur et de contrôler la pénétration relative des pistons de distribution (6) dans la chambre de combustion (14) de chaque cylindre moteur (15).
A l'aide de l'excentrique (9) on peut modifier en marche la la position de l'axe fixe (8), et ainsi optimiser la reponse du moteur en fonction de divers paramétres du fonctionnement , par l'intermédiaire d'un automatisme adéquat, capable de traduire en termes de position, au niveau du piston de distribution (6), les fonctions de reglaje souhaitées.
Pour une meilleure compréhension du fonctionnement de cette variante préférentielle de l'invention, telle que'elle est représentée sur la Figure 3, on a représenté sur la Figure 4 son schéma géométrique fonctionnel.
Avec les mêmes proportions géométriques entre les organes mécaniques de base, déjà utilisées dans les figures antérieures, et en donnant à chacun d'eux des appellations qui rappelent les éléments mécaniques qui accomplissent les mêmes fonctions, on a remplacé la trajectoire en S de l'axe (3), sur la Figure 1, par une trajectoire unique en arc de cercle (4*), dont le rayon (7') représente les bielles auxiliaires, oscillant autour de l'axe fixe, représenté par le point (8').
Dans ce cas, le funiculaire, ou système de barres déformable, se compose des ségments (1'), (2'), (5') et (7'), et passe, dans son parcours, par six positions caractéristiques qui définissent la cinématique de cette variante.
En prenant cette fois le point (0'), sur le cercle (1"), comme l'origine des angles parcourus par le rayon de manivelle (1'), de l'organe de commande, le funiculaire se trouve dans la position représentée en trait épais continu et qui correspond à l'abscisse curviligne minimale du point (3'), sur sa trajectoire circulaire (4*).
Dans cette position, l'abscisse rectiligne du piston de distribution, représentée par le point (6'), ne se trouve pas tout à fait à sa valeur minimale, mais très près d'elle.
Lorsque l'organe de commande tourne, dans le sens trigonométrique de la figure, jusqu'à ce que le rayon de manivelle (1') atteigne la position du point (31), sur le cercle (1"), le funiculaire adopte la position représentée par le trait épais interompu long et les points (8'), (3") (qui est la nouvelle position de (3') sur (4*)) et (6") (qui est la nouvelle position du point (6')) se trouvent alignés.
En ce moment, le piston de distribution se trouve dans son abscisse (6") la plus proche de la chambre de combustion du moteur.
Suivant que le point (8') se trouve sur l'axe (11') de la trajectoire du piston de distribution, ou d'un côté ou de l'autre de celle-ci, la cinématique du système peut être considérablement modifiée.
Lorsque l'extrémité du rayon de manivelle (1') atteint le point (32), sur le cercle (1"), le funiculaire se trouve dans la position représentée par le trait épais interompu court, dans laquelle le point (3") s'est déplacé jusqu'à la position (3"'), sur (4*), et le piston de distribution, comme le montre l'abscisse du point (6"'), se trouve à la même distance de la chambre de combustion du moteur que celle représentée par le point (6'), à l'origine des angles.
En continuant la rotation du rayon de manivelle (1') jusqu' au point (33), sur le cercle (1"), le funiculaire adopte la position extrème, représentée par la ligne brisée, en trait épais interompu mixte, pour laquelle, le point (3"') atteint son abscisse curviligne maximale (3""), sur sa trajectoire circulaire (4*), ce qui correspond à l'abscisse rectiligne maximale du piston de distribution, représentée par le point (6"").
Pendant le retour du point (3""), sur sa trajectoire circulaire (4*), vers des abscisses moins élevées, et pendant que le rayon de manivelle (1') continue sa rotation, on atteint le point (34), sur le cercle (1"), pour lequel le funiculaire adopte la position représentée par la ligne brisée, en trait fin interompu long, initiant de nouveau la période angulaire de pseudo-repos, lorsque le point (3"") devient de nouveau (3"') et que (6"") se trouve de nouveau en (6"').
Dans son parcours, le funiculaire passe par une position, représentée en trait fin interompu court, dans laquelle le point (6"') se trouve de nouveau à son abscisse rectiligne minimale (6"), correspondant au passage du rayon de manivelle (1') par le point (35), du cercle (1") de l'organe de commande, avant de retourner à la position initiale (0') et avoir dècrit ainsi un cycle entier.
Dans cette Figure 4, l'indication (C) représente la course totale du récepteur (6') sur la trajectoire rectiligne (11') Pendant la période de pseudo-repos, les variations de l'abscisse rectiligne du point (6') sont limitées à la valeur de la cote (X) inscrite sur la Figure 4, laquelle peut être minimisée en jouant sur les proportions géométriques des divers organes mécaniques qui composent cette variante de l'invention.
La Figure 5 représente un graphique comparatif entre les mouvements de l'un des pistons de distribution (6), d'un moteur équipé d'une distribution suivant l'invention proposée, relatifs au cas d'une exécution mécanique conforme à l'invention de base, courbe (B), telle qu'elle est représentée dans la Figure 1, et au cas d'une exécution mécanique conforme à la variante préférentielle de l'invention, courbe (V), telle qu'elle a été représentée sur la Figure 3.
La courbe (A) représente la cinématique pseudo-sinusoïdale que l'on obtiendrait avec la commande directe des pistons de distribution (6) par des petits vilebrequins (1), tel que cela a été mentionné dans l'introduction de ce texte, ce qui met en évidence l'amélioration obtenue avec l'invention proposée.
Sur cette Figure 5, l'axe orienté (Ox) représente les angles de rotation de l'organe de commande (1), gradués jusqu' à 360 degrés, et les angles de rotation du moteur à quatre temps correspondant, gradués jusqu'à 720 degrés.
En se servant d'une échelle adimensionnelle arbitraire, l'axe orienté (Oy) représente le déplacement des pistons de distribution (6).
Les lignes verticales, en trait fin, qui coupent les courbes (B) et (V) aux points qui ont été mis en évidence, rappelent les différents angles particuliers parcourus par l'organe de commande (1), dans le cas de l'une ou l'autre des deux versions de l'invention proposée, et qui ont été détaillées précédamment dans la description du fonctionnement de chacune d'entre elles.
Pour mettre en relief les possibilités de chacune des deux versions proposées, les courbes (B) et (V) ont été décalées sur l'axe (Ox), de maniére que les angles corespondant à l'ouverture et à la fermeture d'une lumiére (12), qui aurait une hauteur égale à la moitié de la course du piston de distribution (6), se trouvent centrés de part et d'autre de l'indication angulaire 180º, comme c'est le cas pour la pseudo-sinusoïde (A).

Claims

Dispositif mécanique d'actionnement linéaire alternatif d'un récepteur particulier (6), possédant un organe de commande (1), qui peut être indistinctement une excentrique ou un vilebrequin, associés l'un ou l'autre à une bielle maîtresse (2), caractérisé en ce que le mouvement de l'organe récepteur (6) dépend de la trajectoire particuliere choisie pour le mouvement d'un axe de connexion (3), monté sur la bielle maîtresse (2).
Dispositif mécanique, suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la transmission du mouvement entre l'axe (3) et le récepteur (6) a lieu avec l'aide d'une bielle secondaire (5), montée sur le même axe de connexion (3).
Dispositif mécanique, suivant les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la trajectoire élue pour l'axe de connexion (3) est définie par la forme de la génératrice des rainures de guidage (4), dans lesquelles glisse l'axe (3).
Dispositif mécanique, suivant les revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la génératrice des rainures de guidage (4) a une forme géométrique, rectiligne ou curviligne, qui est fonction de la loi cinématique que l'on désire imposer au récepteur (6).
Dispositif mécanique, suivant les revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la génératrice curviligne des rainures de guidage (4) a une forme spécifique en S, formée par deux arcs curvilignes tangents, dont les courbures se trouvent disposées dans le sens contraire l'une de l'autre.
Dispositif mécanique, suivant les revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'un des arcs curvilignes, de la génératrice en S des rainures de guidage (4), est un arc de cercle dont le rayon a pour valeur la distance d'entre-axe de la bielle secondaire (5) et dont le centre de giration est situé sur l'axe de la trajectoire rectiligne du récepteur (6), à l'intérieur du cylindre de distribution (11).
Dispositif mécanique, suivant les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la trajectoire de l'axe de liaison (3) lui est imposée par deux bielles auxiliaires (7), montées en parallèle sur les extrèmités de l'axe (3), et oscillant toutes les deux, ensemble, sur un axe fixe (8) commun.
Dispositif mécanique, suivant les revendications 1, 2 et 7, caractérisé en ce que l'axe fixe (8), commun aux deux bielles auxiliaires (7), est pourvu d'un réglage de position (9), et du systeme d'immobilisation (10) correspondant.
Dispositif mécanique, suivant les revendications 1, 2, 7 et 8, caractérisé en ce que le réglage de position (9), de l'axe fixe (8), peut être manoeuvré, pendant le fonctionnement du moteur, par un automatisme sensible à une ou plusieurs variables du fonctionnement du moteur comme, par exemple le régime de rotation, le taux d'admission, l'avance à l'allumage ou le couple moteur, etc..
Dispositif mécanique, suivant les revendications 1 à 6, ou les revendications 1, 2, et 7 à 9, caractèrisé en ce que le récepteur (6) du mouvement est l'un des pistons de une distribution pour moteur de combustion interne.
Dispositif mécanique, suivant les revendications 1 à 10, caractérisé en ce que l'axe qui porte les organes de commande (1), de tous les pistons de distribution qui réalisent une même fonction, admission ou échappement, peut être indépendent pour cette fonction ou commun pour tous les pistons qui exécutent l'ensemble des deux fonctions.