FR2803874A1 - Moteur alternatif a combustion interne a chemise deplacable munie d'un orifice de distribution - Google Patents

Abstract

Moteur alternatif à combustion interne comportant au moins une chambre à volume variable, dont le volume varie cycliquement, le volume variant au cours d'un cycle, dans une première partie du cycle depuis une valeur minimale jusqu'à un premier maximum pour retomber à sa valeur minimale et, dans la seconde partie de ce cycle, depuis sa valeur minimale jusqu'à un second maximum pour retomber à sa valeur minimale, le second maximum étant supérieur au premier maximum, le volume étant limité par deux parois mobiles constituées chacune par la face de travail d'un piston (P1, P2) se déplaçant dans une chemise (C), les deux pistons (P1, P2) étant de même diamètre : la chemise C est munie d'un orifice de distribution (40) et est montée déplaçable par rapport aux pistons (P1, P2) en sorte que ledit orifice (40) met en communication ladite chambre avec alternativement un sas d'expulsion (E) et un sas d'admission (A) placés à l'extérieur de la chemise (C).

Description

"Moteur alternatif à combustion interne à chemise déplaçable munie d'un orifice de distribution" Le moteur à combustion actuel utilisant le cycle à quatre temps est bien connu. Comme on le sait, il utilise dans son cycle un volume de détente pour les gaz brûlés égal à leur volume avant leur admission et combustion. II rejette donc dans l'atmosphère des gaz brûlés possédant encore une certaine pression qui pourrait être transformée en énergie mécanique si le volume de détente était supérieur au volume d'admission, de façon qu'au moment de l'ouverture de l'échappement la pression des gaz soit réduite à un niveau proche de la pression atmosphérique.

Ceci provoque un gaspillage de carburant car le rendement possible n'est pas atteint et des nuisances sérieuses pour l'environnement (bruit et température à l'échappement, voire même une combustion inachevée à l'intérieur du moteur) ; il serait souhaitable que dans un moteur à quatre temps la chambre de travail où s'effectuent les quatre phases acquiert un volume en fin de la phase détente supérieur à son volume en fin de la phase admission.

Cette imperfection a été perçue par certains concepteurs de moteurs qui ont proposé des moteurs à chambre variable à un ou deux pistons par cylindre. Ces moteurs n'ont pas connu de notables développements en raison des difficultés rencontrées pour la réalisation du système de commande du piston unique, ou la réalisation du système de distribution (Expulsion des gaz brûlés, admission des gaz frais) coordonné avec les variations de volume de la chambre pour exécuter le cycle à quatre temps.

Dans le document FR-A-2 765 622, on a proposé un moteur à combustion interne dont la chambre comprise dans une chemise entre les toits de deux pistons opposés est soumise à des variations de volume compatibles avec un cycle quatre temps, le volume en fin de détente étant supérieur à son volume en fin d'admission.

La présente invention propose un système de distribution simple pour le moteur de ce type. Selon l'invention, la distribution est assurée par une seule chemise dont l'orifice de distribution est utilisé alternativement pour l'expulsion des gaz brûlés et l'admission des gaz frais, ceci évitant la formation de points chauds et réduisant les exigences du refroidissement. Pendant les périodes où la pression dans la chambre est élevée l'orifice de distribution est isolé de la chambre par un des deux pistons ; la chemise, munie de l'orifice de distribution, est montée déplaçable par rapport aux pistons en sorte que ledit orifice met en communication ladite chambre avec alternativement un sas d'expulsion et un sas d'admission placés à l'extérieur de la chemise.

Avantageusement, un premier piston est associé à une bielle attelée à une manivelle d'un premier vilebrequin, un deuxième piston est associé à une bielle attelée à une manivelle d'un deuxième vilebrequin, les deux vilebrequins ayant leurs mouvements de rotation coordonnés par une liaison mécanique maintenant leurs vitesses de rotation dans le rapport deux.

De préférence, les vilebrequins tournent dans le même sens. En variante, les vilebrequins tournent en sens contraire.

De préférence, la liaison mécanique qui coordonne les mouvements de rotation des vilebrequins est telle que dans une certaine position relative des pistons ceux-ci sont tous deux en position basse.

Avantageusement, pendant les phases où la pression dans la chambre est très forte, l'orifice de distribution est isolé de la chambre par l'un des deux pistons pour interdire tout passage entre la chambre et les deux sas grâce à un coulissement relatif entre la chemise et ce piston intervenant dans la distribution.

De préférence, les deux sas d'expulsion et d'admission sont séparés axialement par une zone neutre dont la hauteur correspond à celle qui, dans la chemise, définit un volume égal à Vo.

Si les toits des pistons sont plats, la hauteur de l'orifice de distribution est égale à la distance axiale entre lesdits toits au volume minimal Vo.

En variante, les toits des pistons sont chanfreinés ou bombés et la hauteur de l'orifice de distribution h est égale à la distance axiale minimale entre les périphéries desdits toits au volume minimal Vo.

De préférence, l'orifice de distribution est une rangée de trous répartis circonférentiellement. Le déplacement de la chemise de distribution peut être commandé par l'inclinaison de la bielle d'un piston ; le pied ou la tête de la bielle du piston porte un axe déporté solidarisé à la chemise de distribution par une biellette.

En variante, la chemise de distribution est attelée au piston par l'intermédiaire d'un basculeur.

Selon une autre variante, le déplacement de la chemise de distribution est commandé par l'un des vilebrequins.

La chemise comporte un autre orifice dit d'ignition.

La distribution est agencée pour que les quatre phases d'un cycle réparties sur un tour de vilebrequin lent, prennent place, chacune, dans une période où la variation de volume de la chambre correspond au besoin de sa fonction. Dans l'ordre, sur un tour, E = Expulsion, A = Admission, C = Compression, D = Détente.

Pour mieux faire comprendre l'objet de l'invention, on va en décrire maintenant, à titre d'exemple, purement illustratif et non limitatif, des modes de réalisation représentés sur les dessins annexés.

Sur ces dessins - les figures 1 à 4 montrent schématiquement en coupe partielle, sans la distribution, les phases caractéristiques du cycle de fonctionnement ; - les figures 5 et 6 sont des courbes montrant la variation du volume de la chambre définie entre les deux pistons ; - la figure 7 est une épure montrant la position relative des manetons ; - les figures 8 à 12 sont des schémas montrant les étapes successives de réalisation d'un projet de moteur; - la figure 13 représente la course des pistons lors d'un cycle à quatre temps ; - la figure 14 montre schématiquement en coupe partielle un moteur selon l'invention ; - la figure 15 montre partiellement déroulée la succession des trous constituant l'orifice de distribution du moteur de la figure 14 ; - les figures 16 et 17 sont analogues aux figures 14 et 15 et correspondent à une variante ; - les figures 18 à 21 représentent la position des pistons du moteur de la figure 16 aux instants caractéristiques du cycle ; - les figures 22 à 24 montrent chacune une variante d'entraînement de la chemise ; - les figures 25 à 30 sont des coupes partielles d'un exemple de réalisation du dispositif d'entraînement de la figure 24 : la figure 25 est une coupe verticale axiale du cylindre par un plan perpendiculaire à l'axe de 01 à l'instant zéro ; la figure 26 est une coupe horizontale au niveau des axes du piston et des chapes ; la figure 27 est une coupe verticale par l'axe du coulisseau ; la figure 28 est, côté gauche, une vue extérieure d'une moitié de basculeur et, côté droit, une vue intérieure de l'autre moitié ; les figures 29 et 30 sont des coupes de la biellette ; - la figure 31 est une vue schématique en coupe montrant un autre système d'entraînement de la chemise, ici par le vilebrequin ; - la figure 32 est analogue à la figure 31, le vilebrequin ayant tourné d'un angle ; - la figure 33 est une vue partielle en coupe transversale par rapport à la figure 32, le plan de coupe passant entre les deux pistons ; - la figure 34 correspond à la partie supérieure de la figure 31, à plus grande échelle ; - les figures 35 et 37 sont des épures analogues à celle de la figure 34 et correspondent respectivement aux moteurs des figures 14 et 16 ; les figures 36 et 38 correspondent respectivement aux figures 35 et 37 et montrent l'évolution du passage des gaz à travers l'orifice de distribution ; - la figure 39 montre l'évolution du déplacement d'éléments constitutifs du moteur.

Les figures 1 à 4, sont des coupes du cylindre sans système de distribution, à quatre instants caractéristiques d'un cycle, pour étudier les évolutions de la chambre en position et en volume.

La chambre est enclose à l'intérieur d'une chemise cylindrique C, et entre les toits de deux pistons P1 et P2 animés de mouvements rectilignes alternatifs. Le piston du haut P1 est commandé par une bielle actionnée par une manivelle de rayon R1 tournant à la vitesse aA. Le piston du bas P2 est commandé par une bielle actionnée par une manivelle de rayon R2 tournant à la vitesse 2c)1 dans le même sens ou en sens contraire.

Les deux axes 01 et 02 sont liés en rotation par une liaison mécanique pour maintenir les vitesses dans le rapport 2 et un certain décalage angulaire des deux manivelles. Le calage initial à l'instant donné zéro est montré figure 1 où les deux manivelles sont verticales orientées vers le bas.

La référence de temps est l'angle de rotation de 01 depuis l'instant zéro. Les figures 2, 3, 4, représentent le cylindre à d'autres instants caractéristiques du cycle, la figure 2 à l'instant (+ao), la figure 3 à l'instant ( 180 ), la figure 4 à l'instant (-ao).

Aux instants (+ao) et (-(xo) la chambre est réduite à son volume minimum (VO) .

Dans ces figures, le cylindre est représenté dans une position verticale. En pratique, il pourra être disposé en position horizontale ou penchée ou vertical en sens inverse. Mais pour éviter des confusions les termes employés dans cet exposé tels que (Haut), (Bas), (Montée), (Descente) seront relatifs à cette position verticale.

Les figures 5 et 6 permettent de visualiser les variations de volume de la chambre sur une période englobant deux cycles à quatre temps. Les phases sont repérées sur la figure 6 par les lettres E, C, D, E, à savoir E pour la phase d'Expulsion des gaz brûlés, A pour la phase d'Aspiration des gaz frais, C pour la phase de Compression et D pour la phase de Détente motrice.

Sur la figure 5, la courbe P1 représente le mouvement du piston P1 et la courbe P2 représente le mouvement du piston P2.

L'amplitude verticale de la courbe P1 est 2 C1, représentant la Cylindrée relative au piston P1. L'amplitude verticale de la courbe P2 est 2 C2, représentant la cylindrée relative au piston P2. Ces cylindrées sont fonctions bien entendu du diamètre intérieur de la chemise ou diamètre extérieur commun aux deux pistons. Les angles ou instants notés en haut de la figure 5, valables pour la figure 6 placée à l'aplomb, correspondent aux positions de même référence des figures 1 à 4. La courbe (V) de la figure 6 représente la variation du volume de la chambre comprise entre les deux pistons. Ses ordonnées sont égales à la différence des ordonnées des courbes P1 et P2 de la figure 5.

On voit qu'au cours d'un cycle à quatre temps le volume de la chambre passe deux fois par un même minimum Vo aux instants (+ao) et (-a.) des figures 2 et 4 quand les deux pistons sont au plus proche. Ce volume minimum sera le volume en fin de la phase (E) à (-(xo) et en fin de la phase (C) à (+a().

Au cours du même cycle la chambre passe par deux maxi différents (V1 + Vo) à l'instant zéro en fin d'Aspiration (figure 1), et (V2 + Vo) à l'instant (180 ) en fin de détente (figure 3) ; (V1) est le volume de gaz frais absorbé. Le volume en fin de détente (V2 + Vo) est supérieur au volume en fin d'Aspiration (V1 + Vo) (V2 + Vo) = (V1 + Vo) + 2 C1.

On peut mettre en place sur la figure 6 les 4 phases de chacun des deux cycles représentés, sachant que durant les phases (E) et (C) le volume de la chambre doit diminuer, que pendant les phases (A) et (D) le volume de la chambre doit augmenter, et qu'en fin de phase (D) le volume de la chambre doit être supérieur au volume en fin de phase (A).

Cette figure 6 établit la chronologie du système de distribution et des systèmes d'allumage ou d'injection où la valeur de l'angle (ao) joue un grand rôle.

On doit déterminer (a.) pour établir les valeurs de (Vo) (V1) (V2) nécessaires pour l'étude thermodynamique du cycle et son rendement.

Les courbes P1 et P2 de la figure 5 sont dans la réalité des sinusoïdes légèrement déformées par l'inclinaison des bielles. Si les bielles étaient de longueur infinie, ou si les pistons étaient commandés par un mécanisme sinusoïdal, par exemple un maneton agissant dans une glissière perpendiculaire à l'axe de la course du piston ou un système utilisant le principe du cercle de Moore où le maneton est un pignon agissant dans une couronne à denture intérieure de diamètre double, les mouvements des pistons seraient parfaitement sinusoïdaux. Dans ce cas, on peut déterminer par calculs simples les éléments de base d'un cycle. II faut d'abord déterminer (ao). A (+ao) et (-ao) les deux courbes P1 et P2 de la figure 5 seraient tangentes si on les rapprochait verticalement pour annuler (Vo), et les deux pistons ont la même vitesse verticale.

On appellera K le rapport R1/R2 qui est un élément déterminant des caractéristiques du moteur.

La figure 7 est une épure à un instant (-ao) où les deux cercles sont les trajectoires des manetons de 01 et 02. On a fait abstraction des bielles et sur l'épure les deux manetons sont à cet instant au même niveau (m1, m2).

Les vitesses circonférentielles des deux manetons sont S1 pour 01, S2 pour 02, S1 =col R1, et S2 =2 w1 R2 Depuis l'instant zéro 01 a tourné d'un angle (#o) et 02 de (t(xo) (les sens de rotation n'ont pas d'importance sur les résultats). Les vitesses verticales de P1 et P2 sont les projections de S1 et S2 sur l'axe vertical. L'égalité des vitesses verticales de P1 et P2 conduit à COS(ao) _

La distance (e= 01-02) peut être calculée et les hauteurs des volumes (V1) et (V2) ; les relations entre les volumes de la chambre et les déplacements volumétriques des pistons seront régis dès lors par les formules

Si p1 est le taux volumétrique de compression, imposé par le type de moteur et le carburant, et p2 le taux volumétrique de détente, on a

Dans la pratique p1 étant imposé par le type de moteur et le type de carburant, on choisira le rapport K pour que le taux de détente p2 fasse descendre la pression maxi de la chambre au moment de l'explosion à une pression proche de la pression extérieure ambiante au moment de l'ouverture de l'orifice par lequel les gaz brûlés sont expulsés pour en récupérer le maximum d'énergie mécanique.

A chaque ouverture de l'orifice d'expulsion, on aura un bruit d'explosion si K est trop faible, ou un reniflement si K est trop grand.

En réalité, l'influence de l'inclinaison des bielles n'est pas négligeable et les formules précédentes ne seront utilisées qu'à titre d'approche. Dans un projet définitif, on doit tenir compte de l'inclinaison des bielles qui déforme les sinusoïdes du mouvement des pistons. Les figures 8 à 12 montrent les étapes successives nécessaires à l'établissement d'un projet.

Préalablement, il faut déterminer l'angle (ao) en tenant compte des inclinaisons des bielles. (ao) est l'angle de rotation de 01 pour lequel les vitesses verticales de P1 et P2 sont égales.

Ayant déterminé ao on peut établir la figure 8 où les deux pieds de bielle seraient confondus aux instants (+(xo) et (-ao), puis la figure 9, à l'instant zéro de 01 où les deux manivelles sont dirigées vers le bas et où apparaît (v1), la hauteur du volume (V1) de gaz frais absorbé, et la figure 10, à l'instant 71 de 01 où la manivelle de 01 est dirigée en haut et la manivelle de 02 à nouveau en bas, et où apparaît (v2) qui est la valeur du volume V2.

On calcule alors la hauteur v0 du volume VO en fonction du taux de compression imposé et on peut calculer le taux de détente.

Si t1 et t2 sont les hauteurs des têtes de pistons considérés à toits plats, la valeur finale de l'entr'axe 01 - 02 sera (e + v0 + t1 + t2) sur laquelle est construite la figure 11 groupant les instants zéro et n ; sur cette figure, sont cotées les valeurs caractéristiques (v1 + v0) à l'instant zéro et (v2 + v0) à l'instant Sur le même entr'axe (e + v0 + t1 + t2) est construite la figure 12 pour déterminer les cotes z1 et z2 fixant la position du milieu de VO par rapport aux axes des vilebrequins 01 et 02.

Zi =yi +ti +

, Z2=y2+t2+

La détermination de z1 et z2 est nécessaire pour l'étude du système de distribution.

Sur la figure 13 est représenté un cycle 4 temps pour un tour de 01 de (-7r) à (+n).

On y a indiqué les quatre phases E, A, C, D, les volumes C1,C2,Vo, (V1 + Vo) et (V2 + Vo) et les instants caractéristiques -ic, -#., o,<B>+a,</B> et +7r.

La courbe (P1) représente le mouvement d'un toit plat de P1. La courbe (P2) représente le mouvement d'un toit plat de P2. Pendant la phase d'expulsion E de -n à -ao, la chambre dont le volume varie de (V2 + Vo) à (Vo) a toujours une partie située au dessus de la position du volume (VO) à l'instant (-(x.) .

Pendant la phase d'admission (A) de (-ao) à (zéro), la chambre dont le volume varie de (Vo) à (V1 + Vo) a toujours une partie située au dessous de la position du volume (Vo) à instant (-(xo ).

On dispose, figure 14, à l'extérieur de la chemise dans le bloc moteur, un sas d'expulsion (E) au-dessus de (Vo) et un sas d'admission (A) au-dessous de (Vo), et on sépare ces deux sas par une zone neutre de hauteur égale à v0, dont la position en hauteur est déterminée par les cotes z1 et z2, figure 12.

Un orifice de distribution 40 de hauteur vo est percé dans la chemise juste au-dessous du toit plat de P1, et la chemise accompagne P1 dans son mouvement descendant : cet orifice met donc la chambre en communication d'abord avec le sas d'expulsion puis avec le sas d'admission, pendant que les deux pistons P1 et P2, en se rapprochant entre -7r et -#o, expulseront les gaz brûlés par l'orifice dans le sas d'expulsion E, puis, par leur éloignement entre -#O et (zéro), aspireront vers la chambre, par le même orifice, des gaz frais du sas d'admission A.

Au moment du passage de l'orifice 40 au niveau de la zone neutre à l'instant (-a,), celui-ci est neutralisé par la zone neutre. A ce moment, la variation de volume de la chambre est nulle car les pistons P1 et P2 ont la même vitesse verticale.

Pendant les phases de compression C et de détente D, l'orifice de distribution 40 devra être fermé pour maintenir la pression à l'intérieur de la chambre et interdire toute communication entre la chambre et les deux sas E et A.

L'orifice de distribution 40 est ici une rangée horizontale de trous percés sur le pourtour de la chemise (figure 14). Les sas ont accès aux trous de l'orifice par des fenêtres verticales débouchant dans l'alésage intérieur du bloc cylindre, en face des trous de l'orifice de distribution. Les montants verticaux entre les fenêtres participent au guidage de la chemise.

Au-dessus et au-dessous des sas, la chemise C est guidée par les alésages du bloc moteur. Dans ces zones, l'espace externe à ces guidages pourra être occupé par le système de refroidissement (ailettes pour un refroidissement par air, ou canaux de circulation pour un refroidissement par liquide).

La zone neutre et les guidages au-dessus et au-dessous des sas pourront être pourvus de joints d'étanchéité. Ces joints n'auront à s'opposer qu'à de très faibles différences de pression.

Pendant la phase E, la pression dans le sas E sera proche de la pression atmosphérique du fait de la détente prolongée des gaz brûlés, de même que la pression dans la chambre. La pression dans le sas A sera toujours proche de la pression atmosphérique, et durant la phase A la chambre sera en faible dépression.

Durant les phases C et D, où la pression dans la chambre atteint des valeurs importantes, l'orifice de distribution sera isolé de la chambre par le piston P1, et la pression ne parviendra pas à l'extérieur de la chemise.

Le rôle de ces joints d'étanchéité sera plutôt de régler le graissage des guidages extérieurs de la chemise en évitant l'arrivée d'un excès d'huile du carter jusqu'aux sas.

Les parties supérieure et inférieure de la chemise qui ne viennent pas au niveau des sas pourront être abondamment ajourées pour faciliter les graissages, réduire le poids de la chemise, donc les forces d'inertie de son mouvement alternatif, et les forces de frottement d'adhérence visqueuse.

Les figures 14 et 16 représentent à l'instant -ao un cylindre avec ses sas, sa chemise de distribution et ses deux pistons P1 et P2. Sur la figure 14, les pistons sont représentés avec un toit plat et l'orifice de distribution a une hauteur égale à v0.

Sur la figure 16, les pistons dont les axes de pieds de bielles sont au même niveau qu'à la figure 14, ont la forme de leurs toits modifiée de façon que la chambre, tout en conservant le même volume (Vo), acquiert une hauteur plus grande sur son pourtour que dans sa partie centrale. Ceci peut être obtenu par un chanfreinage des bords ou un bombement des toits. La distance minimale entre les pistons au centre est diminuée, et la distance minimale entre les coins des pistons sur la paroi intérieure de la chemise est augmentée. Ceci nous permet de porter la hauteur de l'orifice de distribution et celle de la zone à h > v0. Par cette modification de la forme des toits des pistons, on a pu augmenter la section du passage des gaz dans l'orifice de distribution, comme on peut le constater en comparant la figure 15 relative à la figure 14 avec la figure 17 relative à la figure 16, chacune représentant le développement de l'orifice de distribution sur un demi pourtour de la chemise.

A la suite de cette modification, entre figure 14 et figure 15, les valeurs déterminées figures 8 à 12 sont inchangées, en particulier la valeur de l'entr'axe final des deux vilebrequins 01 et 02 et les volumes.

Le graphique de la courbe du volume de la chambre de la figure 6 sera lui aussi inchangé.

Par contre, dans les schémas de distribution que nous aurons à établir, figures 35 à 39 par rapport aux pistons à toits plats, il faudra monter de

la position du coin de P1 et les limites supérieures de la zone neutre ZN et du sas d'expulsion E, et baisser d'autant la position du coin de P2 et les limites inférieures de la zone neutre et du sas d'admission A.

Notons le grand avantage d'utiliser le même orifice de distribution 40 (une rangée horizontale de trous dans la chemise) aussi bien pour l'expulsion des gaz brûlés que pour l'admission des gaz frais.

Dans les moteurs actuels, l'admission et l'échappement ont chacun leur propre orifice. L'orifice d'échappement souffre particulièrement d'une haute température, que ce soit dans les systèmes de distribution par soupapes champignons (têtes des soupapes et leurs sièges) ou dans les distributions par chemises (bords des orifices de distribution).

En effet, cet orifice d'échappement est périodiquement soumis au seul flux chaud des gaz brûlés encore à haute température du fait d'une détente inachevée, ce qui en fait un des points les plus chauds du moteur et un de ses organes de moindre fiabilité.

Ici, l'orifice commun 40 à l'expulsion et à l'admission est soumis alternativement au flux chaud des gaz brûlés et au flux frais des gaz admis. Il souffrira donc beaucoup moins de température excessive, et ce d'autant plus que, du fait de la détente prolongée, le flux chaud du moteur proposé est à une température inférieure à celle du flux chaud du moteur classique. La figure 13 nous permet d'établir une chronologie du système de distribution sur un cycle à quatre temps, soit un tour de 01, et de lier le système de distribution, c'est-à-dire les ouvertures et les fermetures de l'orifice de distribution, aux mouvements du piston P1, qui pourra alors prendre l'appellation de piston distributeur ; le piston P2 pourra être qualifié de piston principal car c'est P2 qui en général transmettra la plus grande partie de la puissance mécanique issue de la combustion.

Pendant les phases E et A, P1 est en descente et l'orifice est ouvert. Pendant les phases C et D, P1 est en montée et l'orifice est fermé.

On constate d'autre part, figure 4 et figure 2, que lorsque P1 est en descente, sa bielle est penchée à gauche et, lorsque P1 est en montée, sa bielle est penchée à droite.

II semble logique d'utiliser l'inclinaison de la bielle de P1 pour commander les ouvertures et fermetures de l'orifice de distribution. On peut aussi utiliser le piston P1 pour ouvrir et fermer l'orifice en créant un mouvement relatif alternatif entre P1 et la chemise de distribution suivant l'axe du cylindre.

Dans le cas d'un mouvement relatif vertical, figures 16 à 21, la chemise de distribution est percée d'une rangée horizontale de trous de hauteur (h).

A l'instant (-(xo), figure 19, les bords supérieurs de ces trous sont au niveau du coin de P1. La chemise est en descente. Les bords supérieurs des trous viennent de fermer l'expulsion et les bords inférieurs vont ouvrir l'admission.

Aux instants (7r) et (zéro), figures 18 et 20, les bords inférieurs des trous sont au niveau du coin de P1, et prêts à ouvrir l'orifice à l'instant (7r) quand commence l'expulsion ou à fermer l'orifice à l'instant (zéro) quand commence la compression.

A l'instant (+#o), figure 21, les bords inférieurs sont au-dessus des segments de P1. L'orifice est donc fermé par P1 dont les segments l'isolent de la pression de la chambre et sont bien capables d'assurer une bonne étanchéité.

L'orifice aura été ouvert pendant la descente de P1 (-7r à zéro), mettant la chambre en communication successivement avec le sas d'expulsion puis avec le sas d'admission. L'orifice sera fermé pendant la montée de P1 (zéro à + n), P1 maintenant la pression à l'intérieur de la chambre pendant la compression et la détente.

Des moyens pour produire le mouvement relatif vertical entre P1 toujours commandé par 01, et la chemise de distribution sont prévus.

On peut utiliser, pour commander la chemise, l'inclinaison de la bielle de P1 commandée par le vilebrequin 01 qui aurait un seul maneton par cylindre ; on peut également utiliser un embiellage distinct de l'embiellage de P1 mais aussi commandé par 01 qui aurait alors, par cylindre, un maneton de commande P1 et un ou deux manetons de commande de la chemise.

Les figures 22, 23 et 24 montrent trois systèmes utilisant l'inclinaison de la bielle de P1 pour produire le mouvement relatif vertical.

Sur la figure 22, le pied de la bielle de P1 porte un axe 41 déporté d'une distance (a) par rapport à l'axe général de la bielle de P1. Cet axe est rendu solidaire de la chemise C par une biellette 42. Ce système ne permet d'obtenir une course relative suffisante que dans certains cas, étant donné la limitation de la valeur de (a), inférieure au rayon du piston.

Sur la figure 23, la tête de la bielle de P1 porte un axe 43 déporté d'une distance (a) par rapport à l'axe général de la bielle de P1. Cet axe est rendu solidaire de la chemise C par une biellette 44 dont l'autre extrémité agit dans une chape solidaire de la chemise et qui peut être extérieure à celle-ci. Dans ce cas, la cote (a) peut être supérieure au diamètre du piston et produire une course relative importante.

Sur la figure 24, on utilise un basculeur 45 logé dans le piston P1 ; ce basculeur possède deux axes géométriques perpendiculaires, vertical et horizontal. Son axe vertical coïncide toujours avec l'axe général de la bielle de P1 qui transmet ses oscillations au basculeur. L'axe horizontal du basculeur, soumis aux mêmes oscillations, porte de part et d'autre de l'axe vertical deux axes latéraux éloignés entre eux d'une distance (a). Les deux axes latéraux sont verticalement solidaires l'un du piston P1, l'autre de la chemise, avec possibilité dans les liaisons d'absorber les faibles déplacements latéraux qui se produisent.

Sur les figures 22 à 24 on a montré (a) = angle de rotation de 01 à partir de zéro, (f3) = angle d'inclinaison de la bielle de P1 à instant (a), et (CR(x) = course relative entre P1 et chemise à instant (a) qui à l'angle (x = 90 sont cotés ((i 90) et (CR 90).

Les figures 25 à 30 montrent un système à basculeur utilisant l'inclinaison de la bielle de P1, dérivé de la figure 24.

Le basculeur est ici une douille dont deux portées coulissent sur la hampe de la bielle de P1 usinée extérieurement et qui peut être tubulaire. La partie centrale du basculeur est évidée pour recevoir le pied de bielle qui peut s'y déplacer de la valeur de son débattement vertical dans le basculeur. Pour permettre le montage, le basculeur est en deux moitiés réunies par vis. Chaque moitié comporte deux oreilles qui, après montage, forment deux chapes disposées de part et d'autre de l'axe vertical et dont les alésages sont distants horizontalement de la cote (a). Ces chapes recevant chacune un axe assurent les liaisons verticales, l'une avec le piston P1 par un petit coulisseau logé dans un alésage horizontal de P1, l'autre avec la chemise par une biellette dont l'autre extrémité s'articule sur un sabot solidaire de la chemise par des vis, la clavette de guidage vertical de la chemise empêchant celle-ci de tourner en coulissant dans une rainure verticale de l'alésage du bloc moteur. Une rainure verticale est prévue dans la jupe du piston P1 pour y permettre le déplacement du sabot de la valeur de la course relative .

La jupe du piston comporte des trous pour permettre la mise en place de l'axe traversant le coulisseau et des lumières verticales pour permettre l'usinage des flancs de la potence intérieure du piston P1 recevant le coulisseau et insérée dans l'une des chapes du basculeur.

La figure 25 est une coupe verticale axiale du cylindre par un plan perpendiculaire à l'axe de 01 à l'instant zéro.

La figure 26 est une coupe horizontale au niveau des axes du piston et des chapes.

La figure 27 est une coupe verticale par l'axe du coulisseau.

La figure 28 est, côté gauche, une vue extérieure d'une moitié de basculeur et, côté droit, une vue intérieure de l'autre moitié.

Les figures 29 et 30 sont des coupes de la biellette.

Les figures 31 à 34 montrent un système à double embiellage, qui produit le mouvement relatif vertical entre le piston P1 et la chemise de distribution en utilisant pour la commande de la chemise un embiellage distinct de la bielle de P1 mais actionné par le même vilebrequin o1, chaque bielle ayant son propre maneton sur 01. Les rayons des manivelles sont différents, toujours R1 pour le piston P1 et R' pour la chemise, R' étant supérieur à R1. Les manetons sur 01 sont décalés angulairement, celui, ou les deux, commandant la chemise étant en avance d'un angle (a,) sur le maneton de P1. L'embiellage de la chemise pourra comporter deux biellettes s'articulant sur deux chapes d'une couronne intérieure à la chemise selon la figure 33. La chemise est rendue solidaire de la couronne serrée par vis entre la couronne intérieure et les clavettes anti-rotation de son guidage vertical. Le vilebrequin a trois manetons par cylindre, le maneton central de P1 étant plus large que ceux de la chemise, proportionnellement aux charges.

Cette disposition, où les chapes et la couronne sont intérieures à la chemise, impose d'utiliser pour le piston P1 une bielle de longueur 11 supérieure à la longueur l' des bielles de la chemise conduisant à un rapport 11/r1 très supérieur à la valeur habituelle.

Pour un projet de moteur, il est nécessaire d'établir le graphique de la distribution, comme celui de la figure 39, d'après des calculs et des épures. Nous allons déterminer les éléments nécessaires à cet établissement pour les deux systèmes décrits produisant le mouvement relatif vertical entre le piston P1 et la chemise de distribution.

Sur les trois figures 22 à 24 sont cotés a = angle de rotation de 01 à partir de zéro, @3 = angle d'inclinaison de bielle de P1 à instant a, et CRa = Course relative entre P1 et chemise à instant a.

Pour les angles (a = 90 ), (i prend la valeur (p 90 ) et la course relative (CRa) prend la valeur (CR90).

On a toujours 11 sin (3 = r1 sin a donc sin (3 = (r1/11) sin a.

Si on considère la course relative nulle à zéro et ( n) selon figures 20 et 18, la course relative pour un angle (a) de 01 sera (CRa) = a sin (3, où a = bras de levier produisant la course relative. La course relative maximum sera obtenue à (a = 90 ) et sera CR 90 = a x r1111.

A l'instant (- ao), figure 19, la course relative doit être h avec h = hauteur de l'orifice de distribution.

D'où a = (hlsin oc,,) 111r1.

La figure 34 concerne le système à double embiellage et est une épure faisant abstraction des bielles et des perturbations que les inclinaisons des bielles 11 et l' impriment à la course relative.

Les éléments déjà déterminés sont r1, #o et h. Les éléments à déterminer sont r' et @,.

Sachant que, à zéro et 7r, la course relative est nulle et que les deux manetons sont au même niveau et que la course relative maximum est obtenue à a 90 , on aura donc h = r1 tg#, sin #o : ceci détermine k,.

Dans le calcul ci-dessus, on a négligé l'influence des inclinaisons des bielles de longueurs différentes, (11) pour le piston P1 et (l') pour la chemise. Pour que le piston P1, l'orifice de distribution donc la chemise, et la zone neutre respectent les trois positions relatives au cours de la descente de P1 de (- n à zéro) selon les trois figures 18, 19 et 20, il faut respecter une certaine relation entre (11) et (l'), selon la formule suivante

où h1 = hlsin ao.

Les figures 35-36 et 37-38 présentent deux épures semblables à la figure 34 qui permettent de montrer l'augmentation de la surface de passage à l'orifice de distribution de la chemise en passant de la figure 14 à la figure 16 en portant la hauteur de l'orifice de distribution de la valeur (Vo) à une hauteur supérieure ( h), cette augmentation étant limitée, et de définir la valeur optimum de h pour obtenir la surface de passage maximum.

Sur les figures 35 et 37, la position en hauteur du coin de P1 est donnée par les circonférences de rayon (R1). Les circonférences de rayon (R') donnent la position en hauteur du bord inférieur de l'orifice de distribution situé à son sommet du triangle (R1 - R'- 1,). La figure 35 montre une zone neutre et une hauteur d'orifice de distribution égales à (Vo), comme sur la figure 14.

La figure 37 montre une zone neutre et une hauteur d'orifice de distribution de hauteur (h) supérieure ( Vo), comme sur la figure 16.

La position en hauteur des milieux des zones neutres est la même pour les figures 35 et 37 (Milieu de (Vo)). Mais, comme déjà dit ci-dessus, le centre de la circonférence de rayon (R1) du coin de P1 de la figure 37 est rehaussé de

par rapport au centre de la circonférence de rayon (R1) du coin de P1 de la figure 35.

Sur ces figures, on a tracé les courbes des positions en hauteur du bord inférieur de l'orifice de distribution (courbes fléchées [0D] par renvois horizontaux-verticaux du sommet du triangle (R1 - R'- a.) qui le représente.

La valeur d'ouverture de l'orifice de distribution est la différence en hauteur de son bord inférieur (courbes OD) et du coin der P1 (circonférences de rayon R1) et les limites supérieures et inférieures de la bande horizontale de la zone neutre qui neutralise l'orifice de distribution à (- #o) de 01.

La valeur d'ouverture de l'orifice de distribution est schématisée par des hachures verticales qui ombrent sur chaque figure 35 et 37 deux surfaces E et A séparées par un vide de la hauteur de la zone neutre E = Ouverture de l'orifice durant la phase Expulsion A = Ouverture de l'orifice durant la phase Admission.

Les figures 36 et 38 correspondant aux figures 35 et 37 sont aussi une schématisation des surfaces E et A où l'angle (a de 01) a été porté en abscisses linéaires.

En comparant les surfaces E et A des figures 35 et 37, d'une part, des figures 36 et 38 d'autre part, on voit clairement l'augmentation des sections de passages des gaz à l'orifice de distribution en portant la hauteur de l'orifice de (Vo) à (h) avec (h > Vo), comparaison à rapprocher de la comparaison entre les figures 15 et 17.

Cependant l'augmentation de h a deux justes limites.

D'abord, l'impossibilité de donner aux têtes des deux pistons une forme très bombée ou trop chanfreinée tout en conservant le volume (Vo). Ensuite, en considérant la figure 37, on voit que si on augmente exagérément (h), la surface (A) sera réduite par son recouvrement par la zone neutre de hauteur (h).

Entre la valeur mini de h qui est (Vo) et une valeur exagérée, il faut déterminer la valeur de h qui donnera à l'orifice de distribution sa valeur d'ouverture en hauteur maxi, surtout dans la phase d'admission (A). Durant la phase d'expulsion, les gaz brûlés sont poussés à travers l'orifice de distribution par le rapprochement des deux pistons et sont obligés d'obéir.

Mais, durant la phase Admission, les gaz frais sont aspirés par l'éloignement des deux pistons et, pour qu'ils suivent au mieux le chemin qu'on veut leur donner (du sas A à la chambre), l'ouverture de l'orifice de distribution a une grande importance et doit être le maximum que l'on puisse obtenir pour absorber le poids maximum de gaz frais (donc du carburant) qui donnera la puissance du moteur . La détermination de la valeur optimum de h qui donnera la hauteur d'ouverture maxi à l'orifice de distribution peut être faite par épures successives, comme sur les figures 37- 38, en faisant varier h. La détermination peut se faire aussi par calcul ; on voit, figure 37, que la valeur maxi de l'ouverture est atteinte au point (m) à l'instant (a m de 01), quand le coin de P1 arrive au niveau de la limite inférieure de la zone neutre. A partir de a m, on obtient

Comme on le sait, vers l'instant (+#o), en fin de compression, on doit provoquer la combustion, soit par l'étincelle d'une bougie dans le cas des moteurs à essence, soit par l'injection du carburant dans le cas des moteurs Diesel.

Un logement 50 débouchant dans l'alésage du bloc-moteur où coulisse la chemise de distribution est prévu pour y placer la bougie ou l'injecteur.

Ce logement 50 est positionné en hauteur vers le milieu de la zone neutre et de (Vo), déterminé figure 12, au niveau de la chambre à l'instant (+#o).

Au moment de l'ignition, la chambre doit communiquer avec le logement, ce qui requiert un orifice 46 dans la chemise C de distribution distinct des trous de l'orifice de distribution qui à cet instant (+(-to) se trouve beaucoup plus haut, au-dessus des segments de (P1), voir figure 21 où seulement l'orifice de distribution est représenté.

Nous appellerons cet orifice 46 supplémentaire dans la chemise C orifice d'ignition. Sur la chemise, il est placé plus bas que l'orifice de distribution 40.

A l'instant (+#o), l'orifice d'ignition doit présenter une partie de sa surface en face du logement ; cette partie de surface devra être prolongée pour former l'orifice d'ignition complet, de hauteur (h'), vers le haut pour tenir compte de l'Avance à allumage (Avant #o) dans le cas d'un moteur Essence, ou vers le bas pour tenir compte de la prolongation de l'injection (après ao) pour un Diesel.

Sur toute la hauteur des sas, une paroi verticale 51 de l'alésage du bloc moteur, ou glace, débordant par sa largeur (g), figure 33, le trou d'ignition, isole les sas de la chemise. Cette glace n'est percée que par le trou du logement.

L'orifice d'Ignition 46 ne doit pas créer des fuites indésirables.

Pendant la descente de P1 (Phases E et A), la différence de pression entre la chambre et les sas est très faible et le faible jeu entre la chemise et l'alésage du bloc-cylindre limitera suffisamment les fuites pour de très faibles surpressions ou dépressions.

Pendant la montée de P1 (Phases C et D), la pression dans la chambre devient très forte, surtout après (ao). L'orifice d'Ignition 46 devra être bien fermé. On ne peut le fermer sur la paroi intérieure de la chemise comme on le fait pour l'orifice de distribution par le piston (P1). On l'étanchera sur la paroi extérieure de la chemise, entre la chemise C et la glace 51, en appuyant fortement la chemise C sur la glace 51 du côté de l'orifice d'Ignition 46 par la composante horizontale de l'effort de (P1) sur sa bielle.

II faut que la bielle soit penchée dans le bon sens, ce qui est obtenu en disposant l'orifice d'Ignition et la glace du côté opposé au demi-tour du vilebrequin 01 qui fait monter P1, comme on le voit sur les figures 25 et 31 où la hauteur de l'orifice d'Ignition est repérée par la cote (h') et sur la figure 33 où la largeur de la glace est repérée par la cote (g).

La figure 39 montre un schéma de base de la distribution d'un cylindre à double piston par mouvement relatif vertical entre P1 et la chemise. Ce schéma découle de la figure 13 et on a schématisé pour une bonne compréhension (à gauche) les sas E et A séparés par la zone neutre de hauteur (h) et dont le milieu est le milieu de (Vo) déterminé figure 12. Sur la figure 39, le seul piston P1 figure, le piston P2 n'intervenant pas dans la distribution.

La courbe fléchée (coin P1) est la sinusoïde déformée qui représente le mouvement du coin de P1, dont l'amplitude est (2 R1). La courbe fléchée (L - I) représente le mouvement des lèvres inférieures des trous de l'orifice de distribution. Ses ordonnées résultent de l'addition des ordonnées du coin de P1 avec la course relative qui est une sinusoïde pure présentant une avance de

de 01 par rapport au coin de P1.

De (- Tc) à zéro, cette courbe est en dessous du coin de P1 ; donc, l'orifice de distribution est ouvert durant la descente de P1 et met successivement la chambre en communication avec le sas Expulsion puis avec le sas Admission.

De zéro à (n), la courbe (L I) est au-dessus du coin de P1 ; donc, l'orifice de distribution est fermé pendant toute la montée de P1, et complètement isolé de la pression de la chambre par les segments de P1 vers (+ao).

Comme sur les figures 35 et 37, les deux surfaces hachurées verticalement (E) et (A) schématisent la hauteur d'ouverture de l'orifice de distribution. Ce schéma de base (courbes coin de P1 et L I) montre une ouverture de l'expulsion à (- n de 01) et une fermeture de l'admission à (zéro de 01). Ces instants sont très théoriques et dans la pratique ce sera assez différent.

En effet, au cours des améliorations des moteurs actuels, on a constaté qu'il était bénéfique de donner une avance à l'ouverture de l'échappement appelée "AOE avant PMB" et un retard à la fermeture de l'admission appelé "RFA après PMH". II en sera de même sur ce moteur à double piston et les instants d'ouverture et fermeture pourront présenter des décalages notables par rapport aux instants (- n) et (zéro) en bénéficiant aussi d'une AOE et d'un RFA.

En augmentant vers le bas, d'une valeur cotée (J), la hauteur de l'orifice de distribution, on déplace la courbe (L - I) à la position (L - I - J) et les instants d'ouverture et fermeture des valeurs cotées AOE et RFA sur la figure 39.

II est aussi pratique courante, dans les moteurs actuels, de faire un "croisement de soupapes" : vers le PMH, les soupapes A et E restent ouvertes une période en même temps, pour que l'élan de la veine gazeuse d'échappement crée un appel sur la veine gazeuse des gaz à absorber dans la chambre pour améliorer le remplissage. Sur la figure 39, on voit que si la hauteur de l'orifice de distribution est supérieure à celle de la zone neutre (qui sur le schéma primaire de base est (h) pour les deux), on réalise aussi un croisement de soupapes à l'instant (-ao), bien qu'on utilise un seul orifice pour Admission et Echappement.

Sur la figure 39 on a aussi fait figurer pour un allumage par bougie le trajet de l'orifice d'Ignition de la chemise de hauteur (h'), délimité par deux courbes semblables à (L -I) mais décalées en hauteur vers le bas et décalées entre elles de (h'). Ce tracé permet de vérifier que l'orifice d'Ignition se superpose au logement bougie situé vers le milieu de ZN pendant la période d'avance à l'allumage jusqu'à (+(xo) cotée "AAL" sur la figure 39.

Claims (16)

<U>REVENDICATIONS</U>

1. Moteur alternatif à combustion interne comportant au moins une chambre à volume variable, dont le volume varie cycliquement, le volume variant au cours d'un cycle, dans une première partie du cycle depuis une valeur minimale Vo jusqu'à un premier maximum V,+Vo pour retomber à sa valeur minimale Vo et, dans la seconde partie de ce cycle, depuis sa valeur minimale Vo jusqu'à un second maximum V2+Vo pour retomber à sa valeur minimale Vo, le second maximum V2+Vo étant supérieur au premier maximum V,+Vo, le volume étant limité par deux parois mobiles constituées chacune par la face de travail d'un piston (P1,P2) se déplaçant dans une chemise (C), les deux pistons (P1,P2) étant de même diamètre, caractérisé par le fait que la chemise C est munie d'un orifice de distribution (40) et est montée déplaçable par rapport aux pistons (P1,P2) en sorte que ledit orifice (40) met en communication ladite chambre avec alternativement un sas d'expulsion (E) et un sas d'admission (A) placés à l'extérieur de la chemise (C).

2. Moteur alternatif selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'un premier piston (P1) est associé à une bielle attelée à une manivelle (R1) d'un premier vilebrequin (01), un deuxième piston (P2) est associé à une bielle attelée à une manivelle (R2) d'un deuxième vilebrequin (02), les deux vilebrequins (01, 02) ayant leurs mouvements de rotation coordonnés par une liaison mécanique maintenant leurs vitesses de rotation dans le rapport deux.

3. Moteur alternatif selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé par le fait que les vilebrequins (01, 02) tournent dans le même sens.

4. Moteur alternatif selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé par le fait que les vilebrequins (01, 02) tournent en sens contraire.

5. Moteur alternatif selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que la liaison mécanique qui coordonne les mouvements de rotation des vilebrequins (01, 02) est telle que dans une certaine position relative des pistons (P1,P2) ceux-ci sont tous deux en position basse.

6. Moteur alternatif selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait que, pendant les phases où la pression dans la chambre est très forte, l'orifice de distribution est isolé de la chambre par l'un des deux pistons pour interdire tout passage entre la chambre et les deux sas grâce à un coulissement relatif entre la chemise et ce piston intervenant dans la distribution.

7. Moteur alternatif selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé par le fait que les deux sas d'expulsion (E) et d'admission (A) sont séparés axialement par une zone neutre dont la hauteur correspond à celle qui, dans la chemise (C), définit un volume égal à Vo.

8. Moteur alternatif selon la revendication 7, caractérisé par le fait que, si les toits des pistons (P1,P2) sont plats, la hauteur de l'orifice de distribution (40) est égale à la distance axiale.entre lesdits toits au volume minimal Vo.

9. Moteur alternatif selon la revendication 7, caractérisé par le fait que, si les toits des pistons (P1,P2) sont chanfreinés ou bombés, la hauteur de l'orifice de distribution (40) est égale à la distance axiale minimale entre les périphéries desdits toits au volume minimal Vo.

10. Moteur alternatif selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé par le fait que l'orifice de distribution (40) est une rangée de trous répartis circonférentiellement.

11. Moteur alternatif selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé par le fait que le déplacement de la chemise (C) de distribution est commandé par l'inclinaison de la bielle d'un piston (P1).

12. Moteur alternatif selon la revendication 11, caractérisé par le fait que le pied ou la tête de la bielle du piston (P1) porte un axe (41,43) déporté solidarisé à la chemise (C) de distribution par une biellette (42,44).

13. Moteur alternatif selon la revendication 12, caractérisé par le fait que la chemise (C) de distribution est attelée au piston (P1) par l'intermédiaire d'un basculeur (45).

14. Moteur alternatif selon l'une des revendications 2 à 10, caractérisé par le fait que le déplacement de la chemise (C) de distribution est commandé par l'un des vilebrequins (01).

15. Moteur alternatif selon l'une des revendications 1 à 14, caractérisé par le fait que, en plus de l'orifice de distribution, la chemise (C) présente un orifice dit d'ignition (46).

16. Moteur alternatif selon l'une des revendications 1 à 15, caractérisé par le fait que la distribution est agencée pour que les quatre phases d'un cycle réparties sur un tour de vilebrequin lent, dans l'ordre sur un tour Expulsion, Admission, Compression, Détente, prennent place, chacune, dans une période où la variation de volume de la chambre correspond au besoin de sa fonction.