Piston Octogonal à Géométrie Déformable Contrôlée (POGDC)

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Dans sa variante « carter périphérique à rotation », le mécanisme de conversion de mouvement est caractérisé par l’orthogonalité des médianes(OX,OY) du piston(POGD) qui est assurée par le coulissement des galets(GALA,GALB,GALC,GALD) des aligneurs(ALIA,ALIB,ALIC,ALID) et éventuellement des butées(BUTA,BUTB,BUTC,BUTD) dans des rainures à axes orthogonaux.

Le profil à 2 lobes peut alors être vu comme une came à partir de laquelle on peut calculer un chemin de roulement interne ou externe pour des galets (GALA,GALB,GALC,GALD) montés respectivement sur les extrémités des têtes de piston (TPA,TPB,TPC,TPD).

Ce profil doit respecter des relations mathématiques de périodicité, de continuité et de dérivabilité en tout point.

Cela laisse néanmoins une très grande liberté de profil pour contrôler le mouvement des médianes(OX,OY) du piston octogonal (POGD) dans leur rotation relative par rapport au carter périphérique (CPR).

A partir de ce chemin de roulement, il est aussi possible de déduire mathématiquement les chemins entrecroisés surmultilobés(CES) de roulement de la plaque circulaire de réduction du mouvement (CES), d’un facteur entier supérieur ou égal à 2.

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- la figure 6A représente une machine(POGDC) conforme à l’invention dans sa version « carter périphérique à glissières » équipée d’un mécanisme de conversion de mouvement(MCM) à 4 cames monolobées

- les figures 6B,6C,6D,6E,6F,6G,6H,6I montrent des variantes de la figure 6A avec 4 cames surmultilobées d’un facteur respectif 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 et 9,

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Machine POGDC à taux de compression variable

Selon une autre caractéristique complémentaire conforme à l'invention dans l’une quelconque de ses variantes, la machine(POGDC) présente en outre de préférence les caractéristiques suivantes de manière à permettre possiblement pour toutes les chambres un taux de compression variable :

- le volume de chaque chambre (CA,CB,CC,CD,CE,COPA, COPB,COPC,COPD) varie au cours d'un mouvement périodique de piston (POGD), entre un volume de compression (minimal) et un volume d'aspiration (maximal),

- le dispositif comprend en outre pour chaque chambre au moins un organe de modification de volume (VAR,VARA,VARB,VARC,VARD) communiquant avec la chambre et mobile entre une position avancée et une position reculée.

Ainsi, le taux de compression peut être adapté pour s'approcher des conditions optimales de fonctionnement :
- fort taux si l’organe (VAR) est en position avancée
- faible taux si l’organe (VAR) est en position reculée.

Selon une caractéristique complémentaire conforme à l'invention, l'organe de modification de volume porte de préférence un injecteur et/ou une bougie d’allumage (INJ,INJA,INJB,INJC,INJD) tel que déjà exposé dans la demande 0708874 de la « machine à pistons rotatifs à battement contrôlé ».

La compacité du moteur et l'efficacité de la combustion dans les chambres peuvent ainsi être améliorées, tout particulièrement dans les moteurs suralimentés en régime variable. De préférence, l'organe de modification de volume est monté coulissant dans un alésage (ALE) ou bien dans le carter(CPG).

Dans sa variante « carter périphérique à rotation », le dispositif n’a pas besoin de soupapes et le réglage du taux de compression reste possible par la même méthode, mais il est moins aisé.

Enfin, dans tous les cas, l’injection forcée de fluide frais pour chasser les gaz brûlés est possible pour utiliser un cycle 2 temps dans chaque chambre. Toutefois, l’exceptionnelle compacité de la machine, même en cycle 4 temps, et les avantages du cycle 4 temps pour dépolluer les gaz d’échappement font qu’une machine POGDC 2 temps ne sera justifiée que sur des applications très spécifiques.

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- la figure 6L représente une machine(POGDC) conforme à l’invention dans sa version « carter périphérique à glissières » équipée d’un mécanisme de conversion de mouvement(MCM) à une seule came centrale monolobée,

- les figures 6M,6N,6O,6P,6Q,6R,6S,6T,6U,6V et 6W montrent des variantes de la figure 6L avec une seule came centrale rotative surmultilobée d’un facteur respectif 2, 3, 4, 5, 6, 8, 10, 12, 14, 16 et 18.

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Segmentation des machines POGDC

Selon une dernière caractéristique complémentaire conforme à l'invention, les têtes de piston (TPA,TPB,TPC,TPD) et/ou le carter (CP) peuvent être équipés de segments racleurs (SEGA,SEGB,SEGC,SEGD) pour améliorer l’étanchéité des chambres (CA,CB,CC,CD,CE,COP). Les segments au niveau des astroïdes seront notamment nécessaires dans les versions « carter périphérique à glissières ».

Animation ci-dessous:


Toutes ces caractéristiques garantissent ainsi une très haute compacité de la machine(POGDC) par l’aspiration et le refoulement d’une grande quantité de fluide en un seul tour d’arbre (ROT,ROTA,ROTB,ROTC,ROTD), et sa pleine adéquation avec les besoins actuels de réduction de la consommation, car les machines POGDC, éventuellement en combinaison avec les MPRBC, pourront contribuer à une hybridation franche des groupes motopropulseurs en laissant plus de place pour les batteries, et plus généralement pour des fonctions diverses et plus nobles que le groupe motopropulseur.

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- la figure 7A illustre le squelette cinématique d’une machine(POGDC) conforme à l’invention dans sa version « carter périphérique à rotation »,

- les figures 7B et 7C montrent comment garantir l’orthogonalité des médianes(OX,OY) des petits côtés du piston octogonal à géométrie déformable (POGD),

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DESCRIPTION DETAILLEE DES MACHINES POGDC

La figure 1A présente un piston octogonal à géométrie déformable(POGD) constitué d’un enchaînement cyclique et alterné de 4 bielles(BA,BB,BC,BD) à entraxe long et de 4 têtes de piston(TPA,TPB,TPC,TPD) à entraxe court. Les têtes de piston sont ici arrondies pour être idéalement accueillies dans un carter périphérique à rotation(CPR). Elles sont aussi équipées d’au moins un segment (SEGA,SEGB,SEGC,SEGD) à leur extrémité pour assurer une fonction d’étanchéité avec le carter périphérique à rotation(CPR). Ces segments peuvent être maintenus par des ressorts internes aux têtes(TPA,TPB,TPC,TPD) de piston(POGD) et/ou sont naturellement attirés vers le carter par la force centrifuge si le piston(POGD) est rotatif.

La géométrie octogonale et les articulations sont assurées par 8 goupilles(GO1,GO2,GO3,GO4,GO5,GO6,GO7,GO8) reliant chacune une tête de piston et une bielle. La figure 1B montre la vue éclatée de l’assemblage ainsi constitué. Les goupilles peuvent être lubrifiées de façon à former une liaison pivot robuste, étanche et à faible frottement.

Les modes de fabrication des bielles(BA,BB,BC,BD) et têtes de piston(TPA,TPB,TPC,TPD) peuvent être notamment le moulage, l’usinage, l’extrusion…

Toutefois, les bielles et les têtes de piston sont des pièces stratifiées et peuvent être simplement obtenues par empilement de sous-pièces plus minces et de forme adéquate, par exemple en tôles découpées ou usinées avec des séries importantes abaissant les coûts de fabrication. L’empilement peut être rigidifié simplement par des profilés cylindriques enfoncés de force (ajustement serré sous presse) dans des perçages prévus à cet effet. Avec 8 goupilles en ajustement légèrement glissant, on obtient ainsi 8 liaisons-pivot sous la forme de charnières étanches et mécaniquement très robustes.

La figure 1C présente un piston octogonal à géométrie déformable(POGD) constitué d’un enchaînement cyclique et alterné de 4 bielles(BA,BB,BC,BD) à entraxe long et de 4 têtes de piston(TPA,TPB,TPC,TPD) à entraxe court. Deux des têtes de piston sont ici tronquées(TPA,TPC) et les deux autres sont équipées d’une rainure(TPB,RAIB;TPD,RAID) pour être idéalement accueillies dans un carter périphérique à glissières(CPG) avec un mécanisme de conversion de mouvement(MCM) de type « sinus ». Sur leur flanc, les têtes de pistons sont creusées pour recevoir périodiquement un lubrifiant, lequel se propage naturellement à tout le piston (POGD) par un réseau de conduits prévus à cet effet aussi bien dans les têtes de piston(TPA,TPB,TPC,TPD) que dans les bielles(BA,BB,BC,BD). De même qu’à la figure 1A, les bielles et les têtes de piston sont des pièces stratifiées et peuvent être simplement obtenues par empilement de sous-pièces plus minces et de forme adéquate.

La figure 1D présente un piston octogonal à géométrie déformable(POGD) constitué d’un enchaînement cyclique et alterné de 4 bielles(BA,BB,BC,BD) à entraxe long et de 4 têtes de piston(TPA,TPB,TPC,TPD) à entraxe court. Les têtes de piston sont ici munies de sections rectangulaires pour être idéalement accueillies dans un carter périphérique à glissières(CPG) avec chambres optionnelles périphériques (COP). Le caractère rectangulaire de ces sections n’est pas indispensable, mais il maximise le volume balayé.

Les têtes de piston portent aussi des galets (GALA,GALB,GALC,GALD) sur leur flanc pour communiquer de préférence à une « came rotative surmultilobée » leur mouvement de translation alternée. Ainsi, on obtient les meilleures machines à piston octogonal à géométrie déformable contrôlée (machine POGDC). La lubrification se fait de la même façon que pour la figure 1B. De même qu’aux figures 1A ou 1B, les bielles et les têtes de piston sont des pièces stratifiées et peuvent être simplement obtenues par empilement de sous-pièces plus minces et de forme adéquate.

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- la figure 7D présente un chemin entrecroisé pour les galets permettant de réduire le mouvement de rotation des médianes(OX,OY) de la figure 7A d’un facteur 2,

- la figure 7E illustre le rotor à chemin entrecroisé qui en découle,

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La figure 2A présente une machine(POGDC) basée sur un mécanisme sinus et le piston POGD de la figure 1C. L’arbre de sortie(ROT) est un vilebrequin dont l’excentrique coulisse dans la rainure de la tête de piston D(TPD). On pourrait symétriquement avoir un deuxième rotor sur la tête de piston B(TPB). Dans cette configuration, la machine est parfaitement équilibrée (centre de gravité fixe car coulissement symétrique de TPA et TPC le long de OY et de TPB et TPD le long de OX). La figure 2B montre le montage du piston POGD dans le volume intérieur(VI) du carter périphérique à glissières(CPG) et de sa plaque arrière de fermeture(PF1).

La figure 2C présente une machine(POGDC) dans sa version à carter périphérique à glissières (CPG) et comportant des chambres optionnelles périphériques. Avec seulement 2 sections rectangulaires additionnelles par tête de piston, on obtient 16 chambres supplémentaires offrant une volumétrie additionnelle très appréciable sans augmenter significativement l’encombrement de la machine.

Le caractère rectangulaire des sections n’est pas indispensable, mais il maximise le volume balayé par les chambres additionnelles. Cette configuration se prête particulièrement à la récupération du mouvement par galets(GALA,GALB,GALC,GALD). La figure 2D montre le montage du piston POGD de la figure 1D dans le volume intérieur(VI) du carter périphérique à glissières(CPG) et de sa plaque arrière de fermeture(PF1), laquelle peut aussi être intégrée directement sur le carter périphérique(CPG).

La figure 2E est une vue éclatée de la figure 2A où l’on distingue toutes les pièces essentielles : bielles(BA,BB,BC,BD), têtes de piston(TPA,TPB,TPC,TPD), carter périphérique à glissières(CPG), mais aussi des segments d’étanchéité(SEG) répartis sur les portions astroïdales(ASTA,ASTB,ASTC,ASTD) du carter(CPG). Ces segments sont nécessaires pour bloquer les transferts de fluides qui pourraient survenir lors de différences de pression entre 2 chambres périphériques consécutives.

La figure 2F est une vue de profil de la figue 2A où les 2 vilebrequins(ROTB,ROTD) sont présents et convertissent le mouvement de translation alternée des têtes de piston(TPB,TPD).

De bas en haut, la structure de la machine POGDC est schématiquement étagéee avec un réseau de lubrification(LUB), l’étage du piston POGD où ont lieu les conversions thermomécaniques, et en partie supérieure les soupapes(SPP) destinées aux échanges gazeux.

Aussi bien à l’échappement qu’à l’admission, ces soupapes sont possiblement à calage variable entièrement pilotable en phase et en ouverture (voir demande 0708874 Machine à pistons rotatifs à battement contrôlé).

En partie basse, un dispositif optionnel est implanté pour assurer le réglage du taux de compression de la chambre centrale(CE). Il est constitué d’un alésage(ALE), d’un piston de variation (VARE) du volume minimum de la chambre CE, ce piston pouvant porter l’injecteur(INJE) de combustible si l’on choisit une injection directe et/ou une bougie pour les moteurs à allumage commandé. Cette organisation permet d’empêcher tout collision de l’injecteur avec des pièces mobiles et garantit une plage de variation du taux de compression importante. Le piston de réglage(VARE) peut être positionné notamment par une pression d’huile dans l’alésage(ALE) ou bien par un moteur électrique à mouvement démultiplié, par exemple par une cascade de roues/vis sans fin (non représentés).

Pour les chambres périphériques(CA,CB,CC,CD), il est aussi possible d’avoir un taux de compression variable et la figure 2F en présente une réalisation similaire avec des pistons de variation(VARB,VARD) du volume minimal des chambres portant l’injecteur de combustible et/ou la bougie(INJB,INJD) utilisant directement le carter(CPG) comme alésage, parmi d’autres alternatives d’implantation, notamment avec des alésages additionnels sur les plaques de fermeture(PF1 ou PF2) du carter(CPG) comme présenté pour la chambre(CE).

La figure 2G présente une machine POGDC dans sa version carter périphérique à rotation(CPR) où le piston POGD de la figure 1A est inséré dans le carter(CPR). Ce carter présente un profil intérieur bilobé tel qu’un mouvement de rotation relatif entre le piston POGD et le carter(CPR) autour du centre de la machine(POGDC) induit un battement de l’octogone du piston et des variations volumétriques cycliques aussi bien pour les chambres périphériques(CA,CB,CC,CD) que pour la chambre centrale(CE). La figure 2H montre une vue éclatée de la machine POGDC dans sa version carter périphérique à rotation(CPR).

De préférence, le fonctionnement se fait en fixant le carter avec rotation des axes(OX,OY) du piston POGD, mais on peut aussi envisager que les axes soient immobiles et c’est alors le carter(CPR) qui tourne.

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- les figures 7F, 7G, 7H et 7I représentent des variantes de la figure 7E avec une réduction de la vitesse de rotation d’un facteur respectif 3, 4, 5 et 6.