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CA 02306412 2000-04-10
WO 99/20881 PCT/FR98/02227
PROCEDE DE CONTROLE DU MOUVEMENT DE PISTON DE MACHINE
DISPOSITIF DE MISE EN OEUVRE ET EQUILIBRAGE DU DISPOSITIF
L'invention concerne fa cinématique de fonctionnement du système bielle
manivelle des moteurs à piston, des compresseurs à piston ou de toute machine
à piston
et plus particulièrement des moteurs dépollués ou dépolluant à chambre de
combustion
etlou d'expansion indépendante.
Les moteurs à combustion interne 2 ou 4 temps fonctionnent pour.la plupart,
avec un système bielle manivelle bien connu entrainant (et entraîné par) un
piston
Io coulissant dans un cylindre. Le piston dans son mouvement descendant aspire
un
mélange air carburant puis le comprime dans son mouvement ascendant vers la
chambre
de combustion dans la partie haute du cylindre, à son plus petit volume, pour
y être
enflammé, augmenter sa température et sa pression. Les gaz, ayant été ainsi
portés à
très haute pression, vont en se détendant repousser le piston qui par
l'intermédiaire de la
bielle entraine la rotation du vilebrequin créant ainsi un~ravail appelé temps
moteur.
La course du piston qui décrit une courbe sensiblement sinusoïdale crée un
mouvement du piston permanent et, bien que ralentissant son mouvement au
voisinage
du point mort haut le piston est toujours en mouvement. De cet état de fait
résulte un des
plus grand problème des motoristes, plus particulièrement lors de la
combustion qui doit
2o être déclenchée par l'allumage avant le point mort haut. Le début de la
combustion crée
de ce fait une augmentation de pression générant un travail négatif qui fait
perdre du
rendement au moteur alors que la charge n'ayant pas terminé sa combustion le
piston
entame sa course descendante en augmentant le volume de la chambre tendant à
diminuer la pression que la combustion tend à faire croitre. De même lors de
la fermeture
de (échappement et de (ouverture de l'admission il existe du travail négatif
par perte de
charge lors des mouvements de fermeture et d'ouverture anticipée des conduits.
L'auteur a décrit dans sa demande de brevet publié WO 96127737 un procédé
de dépollution de moteur à chambre de combustion externe indépendante,
fonctionnant
suivant un principe bi-mode à deux types d'énergie, utilisant soit un
carburant
3o conventionnel de type essence ou gasoil sur route (fonctionnement mono-mode
à air-
carburant), soit, à basse vitesse, notamment en zone urbaine et suburbaine,
une addition
d'air comprimé (ou tout autre gaz non polluant) à (exclusion de tout autre
carburant,
(fonctionnement mono-mode à air, c'est à dire avec addition d'air comprimé).
Dans sa
demande de brevet 9607714, fauteur a décrit (installation de ce type de moteur
en
3s fonctionnement mono-mode, avec addition d'air comprimé, sur les véhicules
de service,
par exemple des autobus urbains.
Dans ce type de moteur, en mode air-carburant, le mélange air carburant est
aspiré et comprimé dans une chambre d'aspiration et de compression
indépendante. Puis
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ce mélange est transféré, toujours en pression dans une chambre de combustion
indépendante et à volume constant pour y être enflammé afin d'augmenter la
température
et la pression dudit mélange. Après (ouverture d'un transfert reliant ladite
chambre de
combustion ou d'expansion à une chambre de détente et d'échappement, ce
mélange
sera détendu dans cette dernière pour y produire un travail. Les gaz détendus
sont
ensuite évacués à l'atmosphère à travers un conduit d'échappement.
En fonctionnement à air, à faible puissance, l'injecteur de carburant n'est
plus
commandé ; dans ce cas, l'on introduit dans la chambre de combustion,
sensiblement
après l'admission dans cette dernière de l'air comprimé -sans carburant-
provenant de la
1o chambre d'aspiration et de compression, une petite quantité d'air comprimé
additionnel
provenant d'un réservoir externe où l'air est stocké sous haute pression, par
exemple 200
bars, et à la température ambiante. Cette petite quantité d'air comprimé à
température
ambiante va s'échauffer au contact de la masse d'air à haute température
contenue dans
la chambre de combustion ou d'expansion, va se dilater et augmenter la
pression régnant
dans la chambre pour permettre de délivrer lors de la détente un travail
moteur.
Dans ce type de moteur, dit dépollué ou dépolluant, le transfert des gaz ou de
l'air de la chambre de combustion vers la chambre de détente doit également
commencer
avant le point mort haut et crée un travail négatif préjudiciable au bon
fonctionnement du
moteur de même que la pression doit être établie dans la chambre de détente
avant que
le piston n'entame sa course descendante.
L'un des problèmes principaux du système bielle manivelle Gassique est une
perte de rendement et de pollution durant les opérations d'allumage, de
combustion,
d'injection, de transfert, de fin d'échappement etlou de début d'admission.
Pour résoudre
ce problème, il a été remarqué que ces opérations s'effectuent dans des
volumes toujours
variables, en effet le piston est toujours en mouvement et les volumes
engendrés par ce
dernier ne sont jamais constants.
Plus précisément, (invention à pour objet un procédé de contr6le du
mouvement de piston de machine telle que moteur ou compresseur, caractérisé
par les
moyens mis en oeuvre et plus particulièrement par le fait qu'à son point mort
haut le piston
3o est arrêté dans son mouvement et maintenu à sa position point mort haut
durant une
période de temps permettant d'effectuer à volume constant:
- les opérations d'allumage et de combustion dans le cas des moteurs
classiques ,
- les opérations d'injection de carburant dans le cas des moteurs diesel
- les opérations de transfert de gaz etlou d'air comprimé dans le cas des
moteurs à chambre de combustion et/ou d'expansion indépendante,
- les opérations de fin d'échappement, de début d'admission dans tous les cas
de moteurs et autres compresseurs.
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On peut donc dans le cas d'un moteur classique 2 ou 4 temps, allumer la
charge alors que le piston est maintenu à son point mort haut et que la
chambre de
combustion reste à son plus petit volume de façon constante, d'attendre que la
charge soit
complètement brûlée avant d'entamer la course descendante du piston ce qui a
pour effet
d'éliminer la contre pression lors de l'allumage anticipé (tel que dans les
moteurs actuels)
et d'obtenir grâce à une combustion plus complète des émissions de gaz
d'échappement
peu polluantes.
Dans le cas d'un moteur diesel, on peut donc injecter le carburant alors que
le
piston est à son point mort haut en évitant ainsi les contre-pressions dues au
début de
to combustion avant le point mort haut et qui provoque un travail négatif.
On peut donc dans le cas de moteur à chambre de combustion et ou
d'expansion indépendante transférer la pression des gaz et ou de l'air
comprimé dans la
chambre de détente sans créer de contre pression avant le. point mort haut du
piston et
d'attendre que le transfert soit effectif avant que le piston n'entame sa
course
descendante en augmentant le volume de la chambre de détente ce qui aurait
pour effet
de perdre de la pression donc de la puissance.
Dans tous les cas, il est possible de fermer le conduit d'échappement alors
que le piston est arrivé à son point mort haut ou peu avant, évüant ainsi les
pertes de
charges dues à une fermeture anticipée ainsi que d'ouvrir (admission avant que
le piston
2o n'entame sa course descendante.
L'arrët du piston et son mainüen au point mort haut peut être réalisé par tous
moyens connus de l'homme de fart, par exemple cames, pignons etc...
Préférentiellement, pour permettre Parrët du piston à son point mort haut, et
selon un autre aspect de (invention, la commande du piston est mise en oeuvre
par un
dispositif de levier à pression lui-même commandé par un système bielle
manivelle. On
appelle levier à pression un système de deux bras articulés dont l'un a une
extrémité
immobile, ou pivot, et (autre peut se dépfacer suivant un axe. Si ton exerce
une force
approximativement perpendiculaire à Taxe des deux bras, lorsqu'ils sont
alignés, sur
farticufation entre ces deux bras, on provoque alors le déplacement de
!extrémité libre.
3o Cette extrémüé libre peut ëtre liée au piston et commander ses
déplacements. Le point
mort haut du piston est effectif lorsque sensiblement les deux tiges
articulées sont dans le
prolongement l'une de (autre (aux environs de 180°).
Le vilebrequin est relié par une bielle de commande à Taxe d'articulation
des deux bras. Le positionnement des différents éléments dans (espace et leurs
dimensions permettent de modifier les caractéristiques de la cinématique de
(ensemble.
Le positionnement de l'extrémité immobile détermine un angle entre Taxe de
déplacement
du piston et Taxe des deux bras lorsqu'ifs sont alignés. Le positionnement du
vilebrequin
détermine un angle entre la bielle de commande et Taxe des deux bras
lorsqu'ils sont
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alignés. La variation des valeurs de ces angles, ainsi que des longueurs de
bielles et bras,
permet de déterminer l'angle de rotation du vilebrequin durant lequel !e
piston est arrëté à
son point mort haut. Ceci correspond à la durée de (arrêt du piston.
Selon un mode de réalisation particulier, l'ensemble du dispositif (piston
et levier à pression) est équilibré en prolongeant ie bras inférieur au delà
de son extrémité
immobile, ou pivot, par ûn levier à pression miroir opposé en direction,
symétrique et
d'inertie idéntique auquel est fixée, pouvant se déplacer sur un axe parallèle
à l'axe de
déplacement du piston, une masse d'inertie identique et opposé en direction à
celle du
piston. On appelle inertie le produit de la masse par la distance de son
centre de gravité
lo au point de référence. Dans le cas d'un moteur pluricylindres la masse
opposés peut être
un piston fonctionnant normalement comme le piston qu'il équilibre.
L'invention s'applique à tous les moteurs thermiques conventionnels de
tous types, plus particulièrement aux moteurs dépollués et dépolluants à
chambre de
combustion ou d'expansion indépendante à volume constant, de même qu'aux
t5 compresseurs, ou autres machines utilisant des pistons. Le nombre de piston
,les formes
et dimensions des bielles peuvent varier sans pour autant changer l'invention
qui vient
d'être décrite.
D'autres buts, avantages et caractéristiques de l'invention apparaïtront à
la lecture de la description, à titre non limitatif, de plusieurs modes de
réalisation, faite en
2o regard des dessins annexés ou
La figure 1 représente schématiquement, vu en coupe transversale, un
exemple de cinématique de commande de piston selon l'invention
La figure 2 représente une courbe de la course du piston selon
l'invention comparée à la courbe de la course d'un piston classique.
25 La figure 3 représente un dispositif, selon l'invention, équipé d'un
équilibrage par masse de même inertie.
La figure 4 représente un disposüif, selon l'invention, équipé d'un
équilibrage par piston de fonctionnement opposé.
La figure 1 montre schématiquement, vu en coupe transversale, un
3o dispositif selon (invention et pour sa mise en oeuvre ou le piston 1
(représenté à son point
mort haut), coulissant dans un cylindre 2, est commandé par un levier à
pression. Le
piston 1 est relié par son axe à (extrémité libre 1A d'un levier à pression
constitué d'un
bras 3 articulé sur un axe commun 5 à un autre bras 4 fixé oscillant, sur un
axe immobile
6. Sur Taxe commun 5 aux deux bras 3 et 4 est attachée une bielle 7 de
commande reliée
35 au maneton 8 d'un vilebrequin 9 tournant sur son axe 10. Lors de la
rotation du vilebrequin
la bielle de commande ? exerce un effort sur Taxe commun 5 des deux bras 3 et
4 du
levier à pression, permettant ainsi le déplacement du piston 1 suivant l'axe
du cylindre 2,
et transmet en retour au vilebrequin 9 les efforts exercés sur le piston 1
lors du temps
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moteur provoquant ainsi sa rotation. L'axe immobile 6 est positionné
latéralement à l'axe
de déplacement du piston 1 et détermine un angle A entre l'axe de déplacement
du piston
et Taxe d'alignement X'X des deux bras 3 et 4 lorsqu'ils sont alignés. Le
vilebrequin est
positionné latéralement à l'axe du cylindre etlou du levier à pression et son
5 positionnement détermine un angle B entre la bielle de commande 7 et Taxe
d'alignement
X'X des deux bras 3 et 4 lorsqu'ils sont alignés. En faisant varier les angles
A et B ainsi
que les longueurs des différentes bielles et bras on modifie les
caractéristiques de la
cinématique de (ensemble pour obtenir une courbe de la course du piston 1
asymétrique
et déterminer (angle de rotation du vilebrequin durant lequel le piston est
arrêté à son
1o point mort haut.
A titre d'exemple non limitatif d'une réalisation du dispositif selon
l'invention , le
déplacement du piston décrit la courbe représentée sur la figure 2 avec des
dimensions
et positions suivante : Rayon de manivelle du vilebrequin : 32.8 mm
Longueur de la bielle de commande 7 : 99.76 mm
1s Longueur du bras de piston 3 : 124 mm
Longueur du bras inférieur 4 : 128 mm
Angle A = 21.4 °
Angle B = 29.6 °
On constate ainsi Figure 2, que, dans cette configuration, sur la courbe
20 11, le piston reste à son point mort haut sur un angle de 7d° alors
qu'une courbe de
déplacement de piston avec un système bielle manivelle classique 12 de méme
course
montre que le piston ne s'arréte qu'en un point (son point mort haut)
L'homme de fart peut ainsi choisir le temps d'arrét du piston au point
mort haut en fonction des paramètres de fonctionnements désirés: durée de la
25 combustion, durée du transfert, etc.. sans changer pour cela le prtncipe de
(invention.
L'équilibrage de cet ensemble cinématique est réalisé selon (invention
figure 3 en prolongeant le bras inférieur 4 au delà de son extrémité immobile
ou pivot 6 par
un levier à pression miroir constitué de 2 bras 4A et 3A articulés sur un axe
commun 5A
sur lequel est attaché à l'extrémité libre 1 B une masse 15 se déplaçant
suivant un axe
3o parallèle à taxe de déplacement du piston 1. Le bras 4A qui est le
prolongement du bras
inférieur 4, est de fait la mëme pièce. Par rapport au point de pivotement 6,
(inertie des
bras 4 et 4A sont identiques, ü en va de mëme pour les inerties des bras 3 et
3A et les
inerties du piston 1 et de sa masse d'équilibrage 15. Le système de levier à
pression est
ainsi parfaitement équilibré, alors que I 'équilibrage de la bielle de
commande 7 et de
3s (ensemble vilebrequin est effectué d'une manière classique. Cette
disposition est plus
particulièrement intéressante pour équilibrer des moteurs mono-cylindres ou
des
ensembles pluricyündres non symétriques.
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Dans le cas d'un pluricylindre symétrique représenté figure 4, la masse
d'équilibrage est un piston 1C opposé se déplaçant sur un axe parallèle au
piston 1, et les
pistons s'équilibrent entre eux. Les bras 3A et 4A sont symétriques aux bras 3
et 4 et
s'équilibrent entre eux.
L'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisations décrits et
réprésentés. Les angles A et B peuvent être positifs ou négatifs ensembles ou
Séparément ou non simultanément nuls. Le nombre de cylindres peut varier en
nombre
pair ou impair, le mode d'arrêt du piston et de son maintient au point mort
haut peut étre
réalisé par d'autres moyens tels que cames ,ou pignons, ou autres, sans pour
cela
o changer l'invention qui vient d'être décrite.
