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MOTEUR ALJTC'nC'EIL-EE DE TYPE ECOLOGIQUE AVEC ISTONS A < < DJf$5EE5 VAF ? IAE=H-EE= :
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Objet de l'invention La présente invention a pour objet un moteur automobile de type écologique, diminuant fortement, sinon totalement, la pollution atmosphérique due aux gaz d'échappement et augmentant, sensiblement, le rendement énergétique des carburants consommés. Il s'agit d'un moteur à explosion ou à combustion interne dont les pistons peuvent présenter une course de longueur différente à chacun des temps du cycle moteur, et dont les cylindres ne comportent aucun espace mort en tin d'échappement. Accessoirement, chacun des temps du cycle peut présenter une durée différente.
Accessoirement encore, chacun des temps du cycle peut avoir une longueur et/ou une durée variable. Ce moteur présente un rendement énergétique plus élevé que les moteurs à courses égales. 11 est moins bruyant, moins polluant et consomme moins de carburant. Ce type de moteur peut s'appliquer à d'autres domaines que la voiture automobile, et notamment à tous les moyens de transport, tels que motocyclettes, camions, autobus, à la navigation et à l'aviation, et a toutes les sources de torce motrice.
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Historique Les principes du moteur à 4 temps turent définis presque simultanément en France par Beau de Rochas en 1861 et en Allemagne par Otto en 1862. Ce type de moteur, muni de pistons articulés par des bielles sur un vilebrequin, présente deux caractères essentiels : l"la longueur de course de chaque temps est identique ; 2 la durée impartie à chaque temps est la même.
Ceci entraine les inconvénients suivants : 1 la course du temps moteur (détente) s'achève avant que les gaz brûlés soient complètement détendus ; 2 en tin d'échappement, des gaz brûlés, encore chauds et en surpression, restent dans l'espace mort et leur présence gène l'admission des gaz trais, surtout à haut régime ; 30les gaz d'échappement sont détendus et retroldls avant d'être dissipés dans l'atmosphère ; la chaleur ainsi gaspillée représente une perte d'énergie ; 4 les gaz d'échappement contiennent des résidus mal brûlés qui polluent l'atmosphère.
Ces quatre tacteurs provoquent une perte de rendement qui peut varier entre 15 et bO % de la puissance nominale des moteurs, selon le régime de rotation et les autres caractéristiques de fonctionnement.
Dès 1870, des chercheurs comme Lenoir, Charon, Atkinson, et des dizaines d'autres, tentèrent d'en améliorer le rendement. De multiples prototypes construits entre 18'/U et 1890 en vue d'éliminer ces inconvénients, tels les moteurs à piston libre, à piston volant, à pistons différentiels, ou à double chambre de combustion turent abandonnés, car la technologie de l'époque ne permettait pas d'en assurer un fonctionnement correct et fiable. Entre-temps, les progrès accomplis notamment dans le domaine de la carburation, de l'injection, de la métallurgie des aciers spéciaux, de la technologie des céramiques et autres matériaux, ont permis d'obtenir des moteurs à très hauts rendements.
11 reste toutefois que le principe même de ce type de moteur implique deux facteurs auxquels notre époque est très sensible : a) le gaspillage d'énergie ; b) la pollution atmosphérique.
La présente invention a pour objet la conception d'un type de moteur dont la course de piston présente une longueur différente à chaque temps, et qui ne comporte aucun espace mort lors de l'échappement. Accessoirement, chacun des temps du cycle peut présenter une durée différente. Accessoirement encore, chacun des temps du cycle peut avoir une longueur et/ou une durée variables. Ce moteur sera plus économique, moins polluant et moins bruyant que les moteurs actuels à courses égales.
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PRINCIPE DE L'INVENTION Le tableau suivant indique, à titre d'exemple, les données comparées du moteur actuel classique et du moteur à courses variables taisant l'objet de l'invention.
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<tb>
<tb>
CYCLE <SEP> MOTEUR <SEP> CLASSIQUE <SEP> COURSES <SEP> VARIABLES
<tb> Course <SEP> Durée <SEP> Degrés <SEP> Course <SEP> Durée <SEP> Degrés
<tb> Admission <SEP> 100 <SEP> mm <SEP> 25% <SEP> 180 <SEP> 30 <SEP> mm <SEP> 25% <SEP> 1800
<tb> Compression <SEP> 100 <SEP> mm <SEP> : <SEP> 65% <SEP> 1800 <SEP> 27 <SEP> mm <SEP> 25% <SEP> 180
<tb> Détente <SEP> 100 <SEP> mm <SEP> 2596 <SEP> 180 <SEP> 9'/mm <SEP> 25% <SEP> 180
<tb> Echappement <SEP> 100 <SEP> mm <SEP> 25% <SEP> 180 <SEP> 100 <SEP> mm <SEP> 25% <SEP> 180
<tb>
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Les chittres indiqués pour le moteur à courses variables sont arbitraires, et les valeurs réelles doivent être déterminées au banc d'essai.
Toutefois le rapport de 1 a 3 ou 3.5 entre la longueur de la course d'admission et celle de la course de détente était déjà considéré comme normal il y a plus d'un siècle dans les prototypes dits"à pistoil libre", " à piston volant", " à pistons différentiels" expérimentés notamment par Otto, Charon et Atkinson, mais que la technologie de l'époque ne permettait pas d'exploiter avec un rendement suffisant.
Ce rapport indique qu'à détente égale la longueur de la course d'admission pourrait être réduite de bu à 70 %, en obtenant une diminution sensible de la consommation, un meilleur remplissage grâce à l'absence d'espace mort, un taux de compression du même ordre ou plus élevé, la combustion intégrale la détente et le refroidissement des gaz brûlés, et un allégement du poids des organes d'échappement et de refroidissement. On notera que pour un cycle complet, le piston parcourt 400 mm dans le type classique contre 254 mm avec les courses variables, soit une réduction de 46, 5 %, permettant théoriquement un accroissement de régime de 50 %.
En outre, il est possible de varier la durée relative de chaque temps du cycle, en fonction du régime et de la charge, afin d'obtenir un meilleur rendement, et de manière à répartir les 4 temps du cycle complet sur un seul tour de l'arbre moteur :
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<tb>
<tb> CYCLE <SEP> MOTEUR <SEP> CLASSIQUE <SEP> DUREES <SEP> VARIABLES
<tb> Longueur <SEP> Durée <SEP> Degrées <SEP> Longueur <SEP> DuréeDegrés
<tb> Admission <SEP> 100 <SEP> mm <SEP> 25% <SEP> 180 <SEP> 30 <SEP> mm <SEP> 5% <SEP> 9
<tb> Compression <SEP> 100 <SEP> mm <SEP> 25% <SEP> 180 <SEP> 27 <SEP> mm <SEP> 5% <SEP> 9
<tb> Détente <SEP> 100 <SEP> mm <SEP> 25% <SEP> 180 <SEP> 97 <SEP> mm <SEP> 50% <SEP> 180
<tb> Echappement <SEP> 100 <SEP> mm <SEP> 25% <SEP> 180 <SEP> 100 <SEP> mm <SEP> 40% <SEP> 162
<tb>
Ici également,
les chiffres indiqués pour le moteur à courses de durées variables sont arbitraires, et les valeurs réelles doivent être déterminées au banc d'essai.
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L E CONTROLE HYDRAULIQUE En vue d'obtenir des courses de longueurs variables, l'articulation mécanique rigide piston-bielle-vilebrequin est remplacée par un système hydraulique, lequel peut prendre deux formes : a) le type I, comportant un seul organe hydraulique ; b) le type 11, comportant deux organes hydrauliques, soit une pompe et une turbine.
MOTEUR A 4 CYLINDRES/TYPE 1 Le type 1 est schématisé par la Figure n l, où la course de chacun des pistons A, B, C et D est commandée par un organe hydraulique muni de 8 cylindres S, T, U, V, W, X, Y et Z.
Un jeu de soupapes met tour à tour chacun des cylindres S, T, U, V, W, X, Y et Z en relation avec chacun des cylindres A, B, C, et D ou avec le réservoir hydraulique.
La longueur des courses des pistons S, T, U, V, W, X, Y et Z est identique, mais l'alésage de chaque cylindre est différent, de manière à ce que le volume de fluide déplacé par chaque piston de la pompe corresponde au déplacement déterminé des pistons A, B, C et D pour chaque temps du cycle à courses variables, par exemple :
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<tb>
<tb> Cycle <SEP> moteur <SEP> Cylindres <SEP> Courses <SEP> Alésages
<tb> Admission <SEP> S <SEP> et <SEP> T <SEP> 100 <SEP> mm <SEP> 30 <SEP> mm
<tb> Compression <SEP> U <SEP> et <SEP> V <SEP> 1UU <SEP> mm <SEP> 27 <SEP> mm
<tb> Détente <SEP> W <SEP> et <SEP> X <SEP> 100 <SEP> mm <SEP> 7 <SEP> mm
<tb> Echappement <SEP> Y <SEP> et <SEP> Z <SEP> 100 <SEP> mm <SEP> 100 <SEP> mm
<tb>
Les chiffres indiqués pour les alésages et les courses sont arbitraires et indiqués à titre d'exemples.
Ils devront être déterminés au banc d'essai.
La figure 1 indique le schéma général d'un moteur à 4 cylindres A, B, C, D, et les flux hydrauliques vers les cylindres S, T, U, V, W, X, Y et Z.
Le système de distribution assure la coordination entre les mouvements des cylindres moteurs A, B, C et D et les cylindres de l'organe hydraulique selon le tableau schématique suivant :
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T A B L E A U S C H E M A T I Q U E Le tableau schématique indique pour chacun des 4 temps du cycle de chacun des 4 cylindres A, B, C,
et D
10 l'opération
20 le mouvement de piston
30 le cylindre correspondant de l'organe hydraulique
4 la longueur de la course
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<tb>
<tb> CYLINDRE <SEP> TEMPS <SEP> 1 <SEP> TEMPS <SEP> 2 <SEP> TEMPS <SEP> 3 <SEP> TEMPS <SEP> 4
<tb> A <SEP> Admission <SEP> Compression <SEP> Détente <SEP> Echap
<tb> Descend <SEP> Monte <SEP> Descend <SEP> Monte
<tb> S <SEP> L'W <SEP> Y
<tb> 3Umm <SEP> 27mm <SEP> 97mm <SEP> 100mm
<tb> B <SEP> Ecl1ap <SEP> Admission <SEP> Compress <SEP> Détente
<tb> Monte <SEP> Descend <SEP> Monte <SEP> Descend
<tb> Z <SEP> T <SEP> V <SEP> X
<tb> 100mm <SEP> 30mm <SEP> 27mm <SEP> 97mm
<tb> C <SEP> Détente <SEP> Echap <SEP> Admission <SEP> Compress
<tb> Descend <SEP> Monte <SEP> Descend <SEP> Monte
<tb> W <SEP> y <SEP> S <SEP> U
<tb> 97mm <SEP> 100mm <SEP> 30mm <SEP> 2'7mm
<tb> D <SEP> Echap <SEP> Admission <SEP> Compressn <SEP> Détente
<tb> Monte
<SEP> Descend <SEP> Monte <SEP> Descend
<tb> V <SEP> X <SEP> Z <SEP> T
<tb> 100mm <SEP> 30mm <SEP> 27mm <SEP> 30mm
<tb>
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L'ordre des connections entre cylindres du groupe moteur et cylindres de l'organe hydraulique peut être modifié pour autant que la succession des courses correctes soit respectée.
L'ordre de la succession des temps entre cylindres peut éventuellement être alterné, comme il l'est dans le moteur classique, tels que 1342, 1423 ou 1234 par exemple, pour autant que chacun des cylindres A, B, C et D soit tour à tour mis en contact avec chacun des cylindres S, T, U, V, W, X, Y et Z afin de décrire la course correcte.
Pour contrôler un moteur de 1, 2,3 ou 4 cylindres, la pompe comporte 8 pistons.
Pour un moteur de N cylindres, la pompe comporte autant de fois 8 pistons qu'il est nécessaire.
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T Y P E Il : POMPE ET TURBINE Le type II, schématisé par les figures : et 3, fonctionne selon le même principe, mais l'organe hydraulique comporte deux éléments distincts : une pompe hydraulique pour le réglage de la course des cylindres, et une turbine motrice collectant l'énergie développée par le moteur. Dans le schéma de la Figure 2, qui représente le cylindre A, le piston Al est solidaire de 2 pistons A2 et A3 reliés à la TURBINE MOTRICE T et à LA POMPE HYDRAULIQUE C.
La pompe hydraulique C, par l'intermédiaire du piston A3, règle la course du piston Al de manière à donner à celle-ci. la longueur adéquate lors de chacun des 4 temps du cycle moteur.
Le piston A2, lors de la détente, envoie le fluide hydraulique vers la turbine motrice ; lors des autres temps (admission, compression et échappement), il aspire ou renvoie le fluide hydraulique vers le réservoir.
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MOT A T CYLINDRES/TYPE II La figure 3 indique le schéma général d'un moteur à 4 cylindres A B C D, et les flux hydrauliques vers la turbine motrice et vers la pompe hydraulique.
P HYDRAULIQUE La pompe de contrôle hydraulique est constituée de 8 cylindres S, T, U, V, W, X, Y et Z, munis chacun d'un piston, comme dans le cas du type l décrit plus haut. Ces pistons sont articulés sur un vilebrequin. La longueur des courses de ces huit pistons est identique, mais l'alésage de chaque cylindre est différent, comme dans le type I, de manière à ce que le volume de fluide déplacé par chaque piston de la pompe corresponde à un déplacement déterminé du piston moteur pour chaque temps du cycle à courses variables, par exemple :
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<tb>
<tb> Cycle <SEP> moteur <SEP> Cylindres <SEP> Courses <SEP> Alésages
<tb> Admission <SEP> W <SEP> 100 <SEP> mm <SEP> 30 <SEP> mm
<tb> Compression <SEP> X <SEP> 100 <SEP> mm <SEP> 27 <SEP> mm
<tb> Détente <SEP> Y <SEP> lUO <SEP> mm <SEP> 97 <SEP> mm
<tb> Echappement <SEP> Z <SEP> 100 <SEP> mm <SEP> 100 <SEP> mm
<tb>
Les chittres indiqués pour les alésages et les courses sont arbitraires et indiqués à titre d'exemples. lis devront être déterminés au banc d'essai.
Entre la pompe hydraulique et le moteur, un système de distribution assure l'ouverture et fermeture des soupapes assurant la liaison des pistons A3, B3, C3 et D3 avec les cylindres S, T, U, V, W, X, Y et Z, ainsi qu'avec le réservoir hydraulique, en synchronisme avec le cycle moteur.
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On peut aussi concevoir une pompe hydraulique dont les pistons ont un alésage identique mais où une partie du fluide est dérivée par un jeu de soupapes adéquat lors de chaque temps moteur, afin d'obtenir la longueur désirée de chacune des courses des pistons moteurs. Pour contrôler un moteur de 1, 2, 3 ou 4 cylindres, la pompe comporte b pistons : pour un moteur de plus de 4 cylindres, la pompe comporte autant de fois 8 pistons qu'il est nécessaire. Dans le cas de courses de durées inégales, le vilebrequin est remplacé par un jeu d'engrenages à rapports multiples, sur lesquels sont articulées les bielles des pistons de la pompe.
LA TURBINE MOTRICE L'énergie produite par la détente des gaz brûlés est transmise par les pistons A2, B2, C2 et D2 à une turbine motrice T reliée à un volant par un arbre, qui commande également la pompe hydraulique, le système de distribution et d'allumage ainsi que l'embrayage, la boite de vitesses ou le convertisseur destiné à utiliser la force du moteur.
Afin d'éviter les turbulences dues aux différences de pression et de vitesses de flux hydrauliques parvenant Åa la turbine, les conduits peuvent être munis de valves ou clapets anti-retour, disposés tangentiellement par rapport à l'axe de rotation de la turbine.
AUTRES DISPOSITIFS ET PRECAUTIONS L'alimentation en mélange carburant et l'allumage peuvent être assurés par les dispositifs classiques.
Compte tenu de l'absence d'espace mort, le profil de la culasse, des sièges de soupapes et de la face supérieure du piston seront aménagés de manière à éviter tout contact lors de la fin de l'échappement.
Dans le type II, les flux hydrauliques destinés à la turbine motrice peuvent présenter de grandes différences de pression et de vitesse selon le moment du cycle de détente. Il faut donc veiller à ce que les flux de cylindres différents ne puissent se mélanger, voire se contrarier et créer des turbulences. Comme indiqué plus haut, ces phénomènes seront évités en munissant les conduits de chaque cylindre de clapets anti-retour, et en prévoyant que les conduits débouchent tangentiellemellt sur la turbine motrice, dans le sens de la rotation du rotor.