Brevet FR2045676A1 — publié le 19710305

L'invention concerne un moteur à combustion interne ro-tatif fonctionnant suivant le cycle à quatre temps d'un moteur à combustion interne classique, dans lequel un mélange carburé travaille successivement à l'intérieur de diverses chambres mobiles variables formées entre une enveloppe fixe et des rotors intérieurs à axes parallèles fixes. On c-onnatt des moteurs à combustion interne rotatifs, tels que les moteurs dits rotatifs-Wankel ou leurs drivés, mais de tels moteurs comportent une combinaison compliquée d'engrenages et d'excentriques de sorte qu'ils ne sont pas enfait constitués d'éléments se déplaçant en rotation circulaire uniforme, ce qui entratne de nombreuses difficultés, notamment dans le domaine des étanchéités et de la transmission des efforts à l'arbre moteur. La présente invention a pour but de remédier à ces inconvénients et propose un moteur à combustion interne fonctionnant suivant le cycle classique à quatre temps et ne comportant que des organes en mouvement rotatif pur, à l'exclusion d'excentriques ou de cames et à l'exclusion de toute soupape ou pièce à mouvement alternatif. L'invention propose ainsi de fournir un moteur alliant les avantages de simplicité de la turbine à ceux du moteur à explosion classique. Selon l'invention, le moteur rotatif comporte deux rotors, dits rotors principaux, calés sur un même arbre et tournant en synchronisme à l'intérieur d'un stator commun et, monté à l'intérieur du même stator, au moins un rotor auxiliaire associé à chaque rotor principal-et maintenu en contact tangentiel étanche avec ce rotor principal, chaque rotor principal présentant au moins une dent en saillie qui coopère avec une encoche portée par le rotor auxiliaire correspondant, un organe distributeur tournant mettant en relation à des instants prédéterminés les chambres annulaires délimitées entre le stator et chacunilles deux rotors principaux. Chaque rotor principal détermine en effet avec-le stator et son ou ses rotors auxiliaires associés une chambre annulaire divisée par la dent du rotor principal en deux espaces de volume variable avec la rotation du rotor princi-pal. La chambre annulaire du premier rotor principal est reliée à un orifice d'admission de combustible et le combustible admis dans cette chambre est comprimé par la dent du rotor principal et; à la fin de cette compression, le combustible est envoyé par le distributeur tournant dans la chambre annulaire définie par le second rotor principal où il est mis à feu au moyen d'un dispositif d'allumage, la détente du combustible assurant la rotation du second rotor principal et l'évacuation des gaz biglés, repoussés par la dent de ce rotor principal, s'effectue par un orifice d'échappement du stator.On constata que le fonctionnement du premier-rotor principal correspond aux temps classiques d'admission et de compression du coinbustible et que celui du second rotor principal correspond aux temps d'explosion et d'Edhappe- ment. Selon une forme d'exécution préférée du moteur selon l'invention, le distributeur tournant qui assure le transfert du combustible à la fin de sa compression,de la chambre annulaire déterminée par le premier rotor principal à celle déterminée par le second rotor principal, est constitué par un canal de transfert débouchant à une extrémité dans l'encoche du rotor auxiliaire associé au premier rotor principal et à son autre extrémité dans l'encoche du rotor auxiliaire associé au second rotor principal,- cette liaison entre les encoches des rotors auxiliaires étant interrompue lorsque l'une des extrémités de ce canal de transfert est obturée par l'engagement de la dent de 1'un des rotors principaux dans l'encoche de son rotor auxiliaire associé.Pour que le transfert du combustible ne s'effectue qu'à la fin de sa compression, on décale les dents des deux rotors principaux d'un certain angle qu'on nommera angle de décalage, et l'on comprend que cet angle de décalage constitue un des paramètres qui permet de régler ce que l'on peut appeler le "taux volumétrique de compression", l'autre facteur qui régit ce taux étant le rapport des dimensions géométriques (en volumes) des deux dispositifs. La recherche d'un rendement maximal pour le moteur selon l'invention conduirait à accroStre le "taux volumétrique de compression;' et il pourrait apparattre souhaitable de réduire les dimensions geométriques du premier rotor principal par rapport au second, mais alors les gaz d'échappement conserveraient une énergie résiduelle non négligeable qu'il est souhaitable d'utili ser dans un dispositis Supplémentaire, constitué de façon -analo- gue par un troisième rotor principal et son rotor auxiliaire associé, mais ne comportant pas de canal de transfert temporaire ment obturable.Le rotor principal d'un tel dispositif de détente supplémentaire, qui sera de dimensions géométriques supérieures à celles du second rotor principal, sera de préférence pour des raisons de facilité de construction, en synchronisme avec les deux premiers rotors principaux, sauf si on désire profiter d'un effet "convertisseur de couple". Le bon fonctionnement du moteur selon l'invention suppose que les étanchéités sont excellente;s. Ces étanchéités sont de deux types principaux, d'une part des étanchéités entre rotors principaux et stator qui sont classiques et peuvent être résolues par des dispositifs "labyrinthes" ou à anneau flottant" avec injection d'un fluide de barrage sous pression ou par tout dispositif susceptible d'assurer le degré d'étanchéité requis par l'application envisagée et d'autre part des étanchéités linéaires glissantes soit sur les flancs et l'arête des dents et qui sont résolues sur les moteurs rotatifs classiques, soit entre stator et rotor auxiliaire le long d'un cylindre, le problème étant résolu par un "segment" qu'un dispositif élastique maintient appliqué sur le rotor auxiliaire. L'introduction d'additifs dans le combustible peut permettre une lubrification de toutes les parties en mouvement, en particulier en ce qui concerne les premier et second rotors principaux et leurs rotors auxiliaires associés, le troisième rotor principal pouvant être lubrifié par injection d'huile sous pression derrière les rotors auxiliaires. En ce qui concerne les dispositifs de refroidissement, d'allumage et d'alimentation-, le moteur selon l'invention peut être équipé de tous disrpositifs classiques appropriés. Pour bien faire comprendre l'invention, on en décrira maintenant à titre d'exemple non limitatif une forme d'exécution préférée en référence au dessin schématique annexé dans lequel la figure 1 montre à un instant donné la position du premier rotor principal et des deux rotors auxiliaires associés d'un moteur rotatif selon l'invention dont le rotor principal comporte trois dents; les figures 2 et 3 montrent au mdme instant respects vement la position des second et troisième rotors principaux du moteur rotatif de la figure 1; la figure 4 est une vue de détail montrant la coopéra tion d'une dent d'un rotor principal et de l'encoche d'un rotor auxiliaire associé;; là figure 5 est une vue en coupe d'un moteur selon l'invention, la demi-coupe supérieure étant effectuée dans le plan des axes des rotors et la demi-coupe inférieure étant effectuée dans un plan perpendiculaire; et la figure 6 est une vue perspective d'une dent de rotor principal montrant particulièrement les dispositifs d'étanchéité qu'elle pourrait comporter. En référence aux figures 1 à 6, on a représenté une forme d'exécution préférée du moteur de l'invention, selon laquelle le moteur comporte un stator formé de trois cavités 1, 2, 3 à l'intérieur de chacune desquelles tourne un rotor principal respectivement 10, 20,-30, ces trois rotors principaux étant montés pour tourner en synchronisme sur un axe com mun A (voir figure 6). A l'intérieur de chaque cavité 1, 2, 3 de stator sont aussi logés deux rotors auxiliaires identiques, respectivement 11, 21, 31, disposés symëtriquement ;par rapport au rotor principal et en contact tangentiel étanche avec lui. Ces rotors auxiliaires sont montés pour~tourner respectivement sur deux axes communs B parallbles à l'axe A. La cavité 1, b l'intérieur de laquelle (figure 1) le rotor principal 10 coopère par trois dents périphériques saillantes 12a, 12b, 12c régulièrement espacées avc une encoche de forme correspondante 133, 13b de chacun des rotors auxiliaires lita, 1Ib, présente sur sa périphérie deux orifices d'admission de combustible 7a, 7b diamétralement opposés.La cavité 2 (figure 2) comporte, diamétralement opposés sur sa périphérie, deux bougies d'allumage 9a, 9b et deux orifices d'échappement Sa, 5b, et son rotor principal intérieur 20 présente, de façon analogue au rotor principal 10, trois dents périphériques 22a, 22b, 22c qui coopèrent avec une encoche 23a, 23b des rotors auxiliaires 21a, 21b. La cavité statorique 3 (figure 3), dont le rotor principal présente de façon analogue trois dents 32a, 32b, 32c coopérant avec l'encoche 33a, 33b des rotors auxiliaires 31a, 31b, présente deux orifices d'entrée reliés aux orifices d'échappement Sa, 5b et deux orifices d'échappement secondaire 8a, 8b.Les encoches 13a, 13b des rotors auxiliaires 11a, 11b présentent chacune un orifice 16a, 16b dans lequelddbouche une extrémité d'un canal de transfert 40 (voir figure 5) dont l'autre extrémité débouche par un orifice 26a, 26b dans Encoche 23a, 23b des rotor auxiliaires 21a, 21b associés au rotor principal 20.On comprend que par ces canaux de transfert 40 va sleffectuer le passage, dans le dispositif de la figure 2, des gaz comprimés dans le dispositif de la figure 1. Cette liaison entre les dispositifs de la figure I et de la figure 2 est interrompue d'une part lors de lengage- ment d'une dent de rotor principal à l'intérieur de l'encoche du rotor auxiliaire associé et d'autre part lorsque la dite encoche est masquée par le carter statorique. Pour assurer que ce transfert par le canal 40 des gaz comprimés s'effectue bien à la fin de la compression, les dents du rotor principal 2Q sont décalées par rapport à celles du rotor principal 10 d'un angle approprié qui, dans l'exemplé représenté, est de 400. Le fonctionnement du moteur est alors le suivant. Lors du passage de la dent 12a au rotor principal 10 devant l'orifice d'admission 7a commence le cycle d'aspiration qui se termine lorsque la dent suivante 12b vient passer à son tour devant cet orifice. La dent 12a atteint le rotor auxiliaire ilb et le franchit en s'engageant dans l'encoche 13b, les gaz combustibles admis entre les dents 12a et 12b vont être comprimés entre la dent 12b et le rotor auxiliaire 1tb dont l'encoche 13b est masquée dans son carter statorique. Lorsque l'encoche 13b va se dégager du stator, les gaz frais comprimés vont se mêler au mélange sous pression de gaz frais et de gaz brûles que contient l'encoche.Puis, l1orifi- ce du canal de transfert 40 débouchant dans l'encoche 23b du rotor auxiliaire 21b est dégagé par la dent 22b et le transfert des gaz comprimés peut s'effectuer. Le transfert s'achève lorsque la dent 12b vient obturer l'orifice de transfert porté par l'encoche 13b. Dès achèvement du transfert, les gaz sont allumés par la bougie 9b et les. gaz brillés, enserrés entre la dent 22b et le rotor auxiliaire 21buse détendent jusqu'à ce que la dent suivante 22c franchisse à son tour le rotor auxiliaire 21b. Lorsque cette dent 22c aura atteint le rotor auxiliaire, les gaz seront forcés à travers l'orifice d'échappement pour être introduits par l'orifice 5b dans le dispositif de détente complémentaire où se déroulent une phase analogue à la phase dtadmission sur le rotor 10 (qui sera en fait une détente des gaz car le rotor 30 présente des dimensions géométriques plus grandes que le rotor 20) et une phase analogue à la phase d'échappement sur le rotor 20. On comprend qu'en dotant chaque rotor principal de trois dents, on.obtient deux cycles complets de fonctionnement pour chaque tour du moteur, chaque cycle de fonctionnement s'*f fectuant en association avec l'un des rotors auxiliaires. On comprend encore qu'on pourra faire varier de façon désire le nombre des dents des rotors principaux et le nombre des rotors auxiliaires. On remarquera d'autre part que dans la description donnée ci-dessus on n'a pas tenu compte du rôle des "espaces morts" constitués par les encoches des rotors auxiliaires, mais on admettra que ce rôle peut être négligeable du point de vue rendement. En effet il se borne en définitive à injecter des gaz brûlés en très faible quantité dans les gaz frais, sans perte sensible d'énergie potentielle, comme cela se passe pour les moteurs 2 temps. Mais il nty a pas possibilité pour les gaz frais de passer à l'échappement sans subir la combustion et la détente. Sur la-cavité statorique 3, des rainures 34a et 3tb (figure 3) pourraient être ménagées pour éviter des compressions et détentes parasites de la faible fraction de gaz restant devant les dents lorsque-ces dernières abordent un-rotor auxiliaire. On a représenté plus en détail à la figure 6 la géo métrite d'une dent 12 dusrotor principal 10 et de ltencoche correspondante 13 du rotor auxiliaire Il associé, ainsi que la position de l'orifice du canal de transfert 40. Comme on le voit sur la figure, ce canal de transfert est positionné pour entre obturé par ia dent 12 lorsque l'encoche 13 aborde la génératrice de tangence entre le rotor principal et le rotor auxiliaire et, par symétrie, pour commencer à ne se dégager de la dent que lor que l'encoche quittera cette génératrice de tangence. On a également schématisé en 42 sur cette figure une cavité assurant l'équilibrage du rotor auxiliaire 11. On a enfin-figuré en 43 un segment maintenu appliqué contre le rotor auxiliaire Il et assurant l'étanchéité entre ce dernier et la cavité statorique 1. Enfin, corme représenté à la figure 7, l'étanchéité sur les flancs des dents 12 pourrait être assurée par des Jointes 44 et sur l'arête par des joints 45 qui peuvent 'avantageusement être arqués vers l'avant. On comprendra que la présente description n'a été donnée qu'à titre d'exemple non limitatif et qu'on pourrait apporter des adjonctions et des modifications constructives sans sortir du cadre de l'invention. En particulier on comprendra qu'on pourra faire varier à volonté le nombre des dents des rotors principaux et le nombre des rotors auxiliaires. D'autre part, les rotors auxiliaires pourraient entre tangents intérieure- ment aux rotors principaux,dans ce cas les dents des rotors principaux seraient intérieures à qes rotors. On pourra encore envisager de disposer, en amont du rotor principal 10, un rotor analogue au rotor 30 et jouant le rôle d'un pré-compresseur. On pourra également envisager de faire tourner le rotor 30 et ses rotors auxiliaires associés à une vitesse indépendante de celle (commune) des rotors 10 et 20, notamment pour bénBficier d'un effet "convertisseur de couple". REVENDICATIONS 1. Moteur à combustion interne rotatif, caractérisé par ceci qu'il comporte à l'intérieur d'un mdme stator deux rotors principaux, calés sur un même arbre et tournant en synchronisme, et au moins un rotor auxiliaire associé à chaque rotor principal et maintenu en contact tangentiel étanche avec ce rotor principal, chaque rotor principal présentant au moins une dent en saillie se déplaçant en contact étanche avec la paroi interne du stator et conçue pour coopérer avec une encoche portée par le rotor auxiliaire correspondant, la dent du premier rotor principal étant destinée à comprimer un gaz combustible admis dans une chambre annulaire formée entre le stator et le premier rotor principal, alors qu'un organe distributeur tournant dont la rotation est liée à celle des rotors principaux assure le passage du dit gaz combustible comprimé dans la chambre annulaire formée entre le stator et le second rotor principal où un disposi- tif d'allumage approprié met à feu le gaz combustible dont la détente assure la rotation du second rotor principal, les gaz brtlés étant ensuite refoulés par la dent du second rotor principal à travers un orifice d'échappement. 2. Moteur à combustion interne rotatif selon la revendication 1, dans lequel le dispositif distributeur tournant est constitué par.un canal de transfert débouchant à une extrémité dans l'encoche du rotor auxiliaire associé au premier rotor principal et à son autre. extrémité dans ltencoche du rotor auxiliaire associé au second rotor principal, ll-obturation de ce canal de transfert s'effectuant par l'engagement d'une dent dun-rotor principal dans l'encoche du rotor auxiliaire associé. 3. Moteur à combustion interne rotatif selon la revendication 2, dans lequel les dents des deux rotors principaux sont décalées d'un angle approprié pour assurer l'ouverture du canal de transfert à la fin de la compression du gaz combustible par la dent du premier rotor principal. 4. Moteur à combustion interne selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel un dispositif constitué par un troisième rotor principal à dent en saillie et par son rotor auxiliaire associé sont reliés à orifice d'échappement des gaz hors du second rotor principal pour assurer une détente complémentaire de ces gaz. 5. Moteur à combustion interne selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel les gaz admis pour être comprimés par le premier rotor principal sont recueillis à la sortie d'un autre dispositif à rotor principal et à rotor auxiliaire, placé en amont du premier rotor principal et qui joue le rôle de pré-compresseur, ce troisième rotor principal étant ou non calé sur le même arbre que les deux premiers rotors principaux et tournant ou non en synchronisme avec eux. 6. Moteur à combustion interne selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel chaque rotor principal comporte trois dents équidistantes et est associé à deux rotors auxiliaires symétriques par rapport au rotor principal, pour permettre l'obtention de deux temps moteurs pour chaque tour du moteur.