OA12308A - Procédé de contrôle du mouvement du machine, dispositif de mise en oeuvre et équilibrage du dispositif. - Google Patents
Procédé de contrôle du mouvement du machine, dispositif de mise en oeuvre et équilibrage du dispositif. Download PDFInfo
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Description
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PROCEDE DE CONTROLE DU MOUVEMENT DE PISTON DE MACHINEDISPOSITIF DE MISE EN OEUVRE ET EQUILIBRAGE DU DISPOSITIF L’invention concerne la cinématique de fonctionnement du système biellemanivelle des moteurs à piston, des compresseurs à piston ou de toute machine â pistonet plus particulièrement des moteurs dépoliués ou dépoHuant à chambre de combustionet/ou d'expansion indépendante.
Les moteurs à combustion interne 2 ou 4 temps fonctionnent pour-la plupart,avec un système bielle manivelle bien connu entraînant (et entraîné par) un pistoncoulissant dans un cylindre. Le piston dans son mouvement descendant aspire unmélange air carburant puis le comprime dans son mouvement ascendant vers la chambrede combustion dans la partie haute du cylindre, à son (dus petit volume, pour y êtreenflammé, augmenter sa température et sa pression. Les gaz, ayant été ainsi portés àtrès haute pression, vont en se détendant repousser le piston qui par l'intermédiaire de labielle entraîne la rotation du vilebrequin créant ainsi un-travail appelé temps moteur.
La course du piston qui décrit une courbe sensiblement sinusoïdale crée unmouvement du piston permanent et, bien que ralentissant son mouvement au voisinagedu point mort haut le piston est toujours en mouvement De cet état de fait résulte un desplus grand problème des motoristes, plus particulièrement lors de la combustion qui doitêtre déclenchée par l'allumage avant le point mort haut Le début de la combustion créede ce fait une augmentation de pression générant un travail négatif qui fait perdre durendement au moteur alors que la charge n’ayant pas terminé sa combustion le pistonentame sa course descendante en augmentant le volume de la chambre tendant âdiminuer la pression que la combustion tend à faire croître. De même lors de la fermeturede l’échappement et de l’ouverture de l’admission il existe du travail négatif par perte decharge lors des mouvements de fermeture et d'ouverture anticipée des conduits. L’auteur a décrit dans sa demande de brevet publié WO ÇfàtZTTSÏ un procédéde dépollution de moteur à chambre de combustion externe indépendante, fonctionnantsuivant un principe bi-mode à deux types d’énergie, utilisant soit un carburantconventionnel de type essence ou gasoil sur route (fonctionnement mono-mode à air-carburant), sort, à basse vitesse, notamment en zone urbaine et suburbaine, une additiond’air comprimé (ou tout autre gaz non polluant) à l'exclusion de tout autre carburant,(fonctionnement mono-mode à air, c'est à dire avec addition d’air comprimé). Dans sademande de brevet 9607714, l’auteur a décrit rinstaliation de ce type de moteur enfonctionnement 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 estaspiré et comprimé dans une chambre d’aspiration et de compression indépendante. Puis 2 1 2 3 0 β ce mélange est transféré, toujours en pression dans une chambre de combustionindépendante et à volume constant pour y être enflammé afin d’augmenter la températureet la pression dudit mélange. Après l’ouverture d’un transfert reliant ladite chambre decombustion ou d'expansion à une chambre de détente et d’échappement, ce mélangesera détendu dans cette dernière pour y produire un travail. Les gaz détendus sontensuite évacués à l’atmosphère à travers un conduit d’échappement
En fonctionnement à air, à faible puissance, l’injecteur de carburant n’est pluscommandé ; dans ce cas, l’on introduit dans la chambre de combustion, sensiblementaprès l’admission dans cette dernière de l’air comprimé -sans carburant- provenant de lachambre d’aspiration et de compression, une petite quantité d'air comprimé additionnelprovenant d’un réservoir externe où f air est stocké sous haute pression, par exemple 200bars, et à la température ambiante. Cette petite quantité d’air comprimé à températureambiante va s’échauffer au contact de la masse d’air à haute température contenue dansla chambre de combustion ou d'expansion, va se dilater et augmenter la pression régnantdans la chambre pour permettre de délivrer lors de la détente un travail moteuf.
Dans ce type de moteur, dit dépoilué ou dépofluant, le transfert des gaz ou del’air de la chambre de combustion vers la chambre de détente doit également commenceravant le point mort haut et crée un travail négatif préjudiciable au bon fonctionnement dumoteur de même que la pression doit être étabfle dans la chambre de détente avant quele piston n’entame sa course descendante. L’un des problèmes principaux du système bielle manivelle classique est uneperte de rendement et de pollution durant les opérations d’allumage, de combustion,d’injection, de transfert, de fin d’échappement et/ou de début d’admission. Pour résoudrece problème, il a été remarqué que ces opérations s’effectuent dans des volumes toujoursvariables, en effet le piston est toujours en mouvement et les volumes engendrés par cedernier ne sont jamais constants.
Plus précisément, l'invention à pour objet un procédé de contrôle dumouvement de piston de machine telle que moteur ou compresseur, caractérisé par lesmoyens mis en oeuvre et plus particulièrement par le fait qu’à son point mort haut le pistonest arrêté dans son mouvement et maintenu à sa position point mort haut durant unepériode de temps permettant d’effectuer à volume constant: - les opérations d’allumage et de combustion dans le cas des moteursclassiques, - les opérations d’injection de carburant dans le cas des moteurs diesel - les opérations de transfert de gaz et/ou d’air comprimé dans le cas desmoteurs à chambre de combustion et/ou d’expansion indépendante, - les opérations de fin d’échappement, de début d’admission dans tous les casde moteurs et autres compresseurs. 3 12 308
On peut donc dans 1e cas d’un moteur classique 2 ou 4 temps, allumer lacharge alors que le piston est maintenu à son point mort haut et que la chambre decombustion resté à son plus petit volume de façon constante, d’attendre que la charge soitcomplètement brûlée avant d’entamer la course descendante du piston ce qui a pour effetd’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’échappementpeu polluantes.
Dans le cas d’un moteur diesel, on peut donc injecter le carburant alors que lepiston est à son point mort haut en évitant ainsi les contre-pressions dues au début decombustion avant le point mort haut et qui provoque un travail négatif.
On peut donc dans le cas de moteur à chambre de combustion et oud’expansion indépendante transférer la pression des gaz et ou de l’air comprimé dans lachambre de détente sans créer de contre pression avant le. point mort haut du piston etd'attendre que le transfert soit effectif avant que le piston n’entame sa coursedescendante en augmentant le volume de la chambre de détente ce qui aurait pour effetde perdre de la pression donc de la puissance.
Dans tous les cas, S est possible de fermer le conduit d’échappement alorsque le piston est arrivé à son point mort haut ou peu avant, évitant ainsi les pertes decharges dues à une fermeture anticipée ainsi que d’ouvrir l’admission avant que le pistonn’entame sa course descendante. L’arrêt du piston et son maintien au point mort haut peut être réalisé par tousmoyens connus de l’homme de l’art, par exemple cames, pignons etc...
Préférentiellement, pour permettre l'arrêt du piston à son point mort haut, etselon un autre aspect de l’invention, la commande du piston est mise en oeuvre par undispositif de levier à pression lui-même commandé par un système bieBe manivelle. Onappelle levier à pression un système de deux bras articulés dont l’un a une extrémitéimmobile, ou pivot, et l’autre peut se déplacer suivant un axe. S l’on exerce une forceapproximativement perpendiculaire à l’axe des deux bras, lorsqu’ils sont alignés, surl’articulation entre ces deux bras, on provoque alors le déplacement de l’extrémité libre.Cette extrémité libre peut être Bée au piston et commander ses déplacements. Le pointmort haut du piston est effectif lorsque sensiblement les deux tiges articulées sont dans leprolongement l’une de l’autre (aux environs de 180e).
Le vilebrequin est relié par une bielle de commande à l’axe d’articulationdes deux bras. Le positionnement des différents éléments dans l’espace et leursdimensions permettent de modifier les caractéristiques de la cinématique de l’ensemble.Le positionnement de l’extrémité immobile détermine un angle entre l’axe de déplacementdu piston et l’axe des deux bras lorsqu’ils sont alignés. Le positionnement du vilebrequindétermine un angle entre la bieHe de commande et l’axe des deux bras lorsqu'ils sont 4 12 30 8
A 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 le piston est arrêté àson point mort haut Ceci correspond à la durée de l’arrêt du piston.
Selon un mode de réalisation particulier, l’ensemble du dispositif (pistonet levier à pression) est équilibré en prolongeant le bras inférieur au delà de son extrémitéimmobile, ou ρινοζ par ün levier à pression miroir opposé en direction, symétrique etd’inertie identique auquel est fixée, pouvant se déplacer sur un axe parallèle à t’axe dedéplacement du piston, une masse d’inertie identique et opposé en direction à celle dupiston. On appelle inertie le produit de la masse par la distance de son centre de gravitéau point de référence. Dans le cas d’un moteur pluricylindres la masse opposée peut êtreun piston fonctionnant normalement comme le piston qui équilibre. L’invention s’applique à tous les moteurs thermiques conventionnels detous types, plus particulièrement aux moteurs dépoliués et dépoiluants à chambre decombustion ou d'expansion indépendante à volume constant, de même qu’auxcompresseurs, ou autres machines utilisant des pistofls. Le nombre de piston ,ies formeset dimensions des biefles peuvent varier sans pour autant changer l’invention qui vientd’être décrite. D’autres buts, avantages et caractéristiques de l’invention apparaîtront àla lecture de la description, à titre non limitatif, de plusieurs modes de réalisation, faite enregard des dessins annexés ou :
La figure 1 représente schématiquement, vu en coupe transversale, unexemple de cinématique de commande de piston selon l'invention
La figure 2 représente une courbe de la course du piston selonl’invention comparée à la courbe de la course d'un piston classique.
La figure 3 représente un dispositif, selon l’invention, équipé d’unéquilibrage par masse de même inertie.
La figure 4 représente un dispositif, selon l’invention, équipé d’unéquilibrage par piston de fonctionnement opposé.
La figure 1 montre schématiquement, vu en coupe transversale, un.dispositif selon l’invention et pour sa mise en oeuvre ou le piston 1 (représenté à son pointmort haut), coulissant dans un cylindre 2, est commandé par un levier à pression. Lepiston 1 est relié par son axe à l’extrémité fibre 1A d’un levier à pression constitué d’unbras 3 articulé sur un axe commun 5 à un autre bras 4 fixé oscillant, sur un axe immobile6. Sur l’axe commun 5 aux deux bras 3 et 4 est attachée une bielle 7 de commande reliéeau maneton 8 d’un vilebrequin 9 tournant sur son axe 10. Lors de la rotation du vilebrequinla bielle de commande 7 exerce un effort sur l’axe commun 5 des deux bras 3 et 4 dulevier 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 5 1 2 3 0 8 moteur provoquant ainsi sa rotation. L'axe immobile 6 est positionné latéralement à l'axede déplacement du piston 1 et détermine un angle A entre l’axe de déplacement du pistonet l’axe d'alignement XX des deux bras 3 et 4 lorsqu'ils sont alignés. Le vilebrequin est ‘positionné latéralement à l’axe du cylindre et/ou du levier à pression et son s positionnement détermine un angle B entre la bielle de commande 7 et Taxe d'alignementXX des deux bras 3 et 4 lorsqu’ils sont afignés. En faisant varier les angles A et B ainsique les longueurs des différentes bielles et bras on modifie les caractéristiques de lacinématique de l'ensemble pour obtenir une courbe de la course du piston 1 asymétriqueet déterminer l’angle de rotation du vilebrequin durant lequel le piston est arrêté à son 10 point mort haut. A titre d'exemple non limitatif d'une réalisation du dispositif selon l'invention, tedéplacement du piston décrit la courbe représentée sur la figure 2 avec des dimensionset positions suivante : Rayon de manivelle du vilebrequin : 32.8 mm
Longueur de la bielle de commande 7: 99.76 mm15 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 courbe20 11, te piston reste à son point mort haut sur un angle de 70° alors qu'une courbe de déplacement de piston avec un système bielle manivelle classique 12 de même course montre que le piston ne s'arrête qu'en un point (son point mort haut) L'homme de l'art peut ainsi choisir le temps d'arrêt du piston au pointmort haut en fonction des paramètres de fonctionnements désirés: durée de la 25 combustion, durée du transfert, etc., sans changer pour cela le principe de l'invention. L’équilibrage de cet ensemble cinématique est réalisé selon l'inventionfigure 3 en prolongeant 1e bras inférieur 4 au delà de son extrémité immobile ou pivot 6 parun levier à pression miroir constitué de 2 bras 4A et 3A articulés sur un axe commun SAsur lequel est attaché à ('extrémité fibre 1B une masse 15 se déplaçant suivant un axe 30 parallèle à Taxe de déplacement du piston 1. Le bras 4A qui est le prolongement du brasinférieur 4, est de fait la même pièce. Par rapport au point de pivotement 6, l’inertie desbras 4 et 4A sont identiques, 9 en va de même pour les inerties des bras 3 et 3A et tesinerties du piston 1 et de sa masse d’équiiibrage 15. Le système de terrier à pression estainsi parfaitement équifibré, alors que l'équilibrage de la bieBe de commande 7 et de 35 l’ensemble vilebrequin est effectué d’une manière classique. Cette disposition est plusparticulièrement intéressante pour équilibrer des moteurs mono-cylindres ou desensembles pfuricyiindres non symétriques. 6 12 308
Dans le cas d’un piuricylindre symétrique représenté figure 4, la massed’équilibrage est un piston 1C opposé se déplaçant sur un axe parallèle au piston 1, et lespistons s’équilibrent entre eux. Les bras 3A et 4A sont symétriques aux bras 3 et 4 ets’équilibrent entre eux. s L’invention n’est pas limitée aux exemples de réalisations décrits et représentés. Les angles A et B peuvent être positifs ou négatifs ensembles ouSéparément ou non simultanément nuis. Le nombre de cylindres peut varier en nombrepair ou impair, le mode d’arrêt du piston et de son maintient au point mort haut peut êtreréalisé par d’autres moyens tels que cames ,ou pignons, ou autres, sans pour cela 10 changer l’invention qui vient d’être décrite.
Claims (9)
- 7 12308 REVENDICATIONS1. - Procédé de contrôle du mouvement de piston (1) de moteur, ou decompresseur, ou de moteur dépollué ou dépolluant, caractérisé en ce que le piston (1) estarrêté dans son mouvement et maintenu à sa position de point mort haut durant unepériode permettant d’effectuer à volume constant : - les opérations d’allumage et de combustion dans le cas des moteurs àallumage commandé, - les opérations d’injection de carburant dans le.cas des moteurs diesel, - les opérations de transfert de gaz et/ou d’air comprimé dans le cas desmoteurs à chambre de combustion et/ou d’expansion indépendante, - les opérations de fin d’échappement, de début d’admission dans tousles cas de moteurs et autres compresseurs.
- 2. - Procédé de contrôle du mouvement de piston selon la revendication 1 dansun moteur à chambre de combustion et/ou d’expansion indépendante, caractérisé en ceque les opérations de transfert de gaz de la chambre de combustion et/ou d’expansiondans la chambre de détente sont effectuées durant l’arrêt du piston à son point mort hautpour permettre d’étabfir la pression dans la chambre de détente avant le début de lacourse descendante du piston qui conditionne une augmentation de volume nuisible aumaintien de ta pression.
- 3. - Procédé de contrôle du mouvement de piston selon la revendication 1 dansun moteur à combustion interne à allumage commandé, caractérisé en ce que lesopérations d’allumage et de combustion du mélange gazeux sont effectuées durant l’arrêtdu piston à son point mort haut pour permettre, d’une part d’éviter les contre-pressionsdues à un allumage précoce avant le point mort haut et d’autre part de brûler le mélangedurant une longue période améliorant ainsi la combustion.
- 4. - Procédé de contrôle du mouvement de piston selon la revendication 1 dansun moteur de type diesel, caractérisé en ce que l’injection du carburant provoquant lacombustion est effectuée durant l’arrêt du piston à son point mort haut, pour permettred’éviter les contrepressions dues à l’augmentation de pression créée par l’inflammation dugazole lors de son injection avant le point mort haut.
- 5. - Procédé de contrôle du mouvement de piston selon l’une quelconque desrevendications de 1 à 3, caractérisé en ce que les opérations de fermeture del’échappement et/ ou de l’ouverture de l’admission sont effectuées durant au moins unepartie de l’arrêt du piston à son point mort haut.
- 6. - Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l’une quelconque desrevendications 1 à 5, caractérisé en ce que le déplacement du piston est commandé parun levier à pression constitué d’un premier bras (4) et d’un second bras (3), articulés entre 8 12 308 eux autour d’un axe mobile (5) commun, parmi lesquels un second bras (4) est montéoscillant autour d’un axe immobile (6) distinct de l’axe mobile (5) commun aux deux bras(3,4), et parmi lesquels un premier bras (3) a une extrémité libre, opposée à son extrémitéarticulée autour de l’axe mobile (5) commun, qui est reliée à l’axe du piston (1) qui sedéplace suivant l’axe du cylindre (2) lorsque l’on exerce une force, sur l’axe mobile (5)commun aux deux bras du levier à pression, qui est transmise par une bielle decommande (7) qui refie l’axe mobile (5), commun aux deux bras (3,4) du levier à pression,au maneton (8) d'un vilebrequin (9) positionné latéralement à l’axe de déplacement dupiston (1), ladite bielle de commande (7) entraînant la rotation du vilebrequin lorsque lesefforts sont appliqués sur le piston (1), durant le temps moteur par exempte, et caractériséen ce que, lorsque tes deux bras (3, 4) du levier à pression sont alignés selon un axed’alignement (X-X’), la position de l’axe immobile (6) (foscfllation du second bras (3)détermine un angle (A) entre l’axe de déplacement du piston (1) dans te cylindre (2), et tepositionnement latéral de l’axe (10) de rotation du vilebrequin (9) détermine un autre angle(B) entre la bteHe de commande (7) et l’axe (X-X’) d’alignement des deux bras (3,4) dulevier à pression, tes angles (A, B) ainsi déterminés pouvant être positifs, négatifs ou nonsimultanément nuis.
- 7 - Dispositif selon la revendication précédente, caractérisé en ce que lavariation des valeurs des angtes (A, B) formés d’une part entre l’axe (XX’) d’alignementdes deux bras (3,4) du levier à pression et l’axe de déplacement du piston et, d’autre part,entre l’axe (XX') cfaSgnement des deux bras (3, 4) du levier à pression et la bielle decommande (7), des longueurs de la bielle de commande (7) et des deux bras (3, 4) dufevier à pression, conditionne la cinématique générale du dispositif et détermine te valeurde Fangfe de rotation du vilebrequin (8) durant lequel le piston est arrêté à son point morthaut.
- 8. - Dispositif selon tes revendications 6 ou 7, caractérisé en ce que, â des finsd’équilibrage, ledit premier bras (4) du levier à pression se prolonge, au-delà de son axeimmobile (6) d’articulation, pour constituer ie premier bras (4A) d’un autre levier â pression(3A, 4A), miroir dudit levier à pression (3, 4), constitué de ce premier bras (4A) et d’unsecond (3A) articulés autour d'un axe mobile (5A) commun, l’extrémité fibre (1B) dusecond bras portant une masse (15, 1C) se déplaçant sur un axe parallèle à l’axe dedéplacement dudit piston (1) de telle sorte que, par rapport audit axe immobile (6)d’articulation, l’inertie des seconds bras (4, 4A) articulés autour de i’axe (6) immobile, desaxes mobiles (5, 5A) communs aux bras (3, 3A, 4, 4A) des leviers à pression, desseconds bras (3, 3A) reliés audit piston (1) et à la masse (15,1C), et l’inertie du piston (1)et celle de la masse (15,1C), soient identiques entre elles.
- 9. - Dispositif selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la massed'équilibrage est un autre piston (1C) de poids, d’inertie et de fonctionnement identiques àceux dudit piston (1 ).
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