Brevet FR2297323A1 — publié le 19760806

L'invention est relative aux machines volumétriques du genre à palettes, menées ou menantes, et notamment moteurs a combustion interne. Les machines du genre en question entrent dans la catégorie des compresseurs, pompes et moteurs rotatifs. Le terme rotatif est pris ici dans son sens le plus large pour indiquer que l'organe mené ou menant a ses déplacements circonscrits dans une courbe fermée, en particulier un cercle. Il convient, avant d'aborder la disposition principale de l'invention, de rappeler les difficultés rencontrées a l'occa- sion des moyens mis antérieurement en oeuvre dans différents types de machines volumétriques. Une première génération de machines, et parmi elles les moteurs à piston et les compresseurs, sont constituées d'un équipage mobile comprenant un villebrequin, portant au moins une bielle, un piston, le susdit piston se déplaçant dans un cylindre suivant un mouvement linéaire alternatif rectiligne. Ces machines connues ont un régime de rotation limité en raison de l'inertie des pi-eces en mouvement, des frottements internes et de la vitesse limite des pistons au-delà de laquelle il y a risque de bris. Il résulte de cette structure un rendement limité et une usure non négligeable. Une seconde génération de machines a fait appel, en tant qu'organes moteurs ou compresseurs, a des rotors du genre à palettes délimitant a l'intérieur d'un stator des chambres à volume variable. Le plus souvent, le ou les rotors sont animés d'un mouvement circulaire ou excentré. Dans le cas d'un mouvement circulaire, le rotor comprend au moins deux jeux de palettes soumis à des accélérations et décé lérations successives propres à créer la variation de volume des chambres de compression. Une telle conception est de construction très complexe et n'a pas trouvé, jusqu'à présent, d'application industrielle en particulier dans le domaine des moteurs à combustion interne. Dans le cas d'un mouvement excentré du rotor, on se heurte à de trés grandes difficultés d'usinage tant pour le rotor que pour le stator. La plus haute précision est exigée dans ce type de construction ce qui limite sa diffusion et sa généralisation sur le plan industriel. L'invention a pour but, surtout, d'éviter les inconvénients reconnus des machines du genre en question, appartenant a. la seconde génération et dites rotatives, en créant des moyens permettant d'obtenir une machine à haut rendement, du type moteur ou compresseur, dont tous les organes puissent être réalisés à partir de techniques d'élaboration connues et éprouvées. L'invention a encore pour but de créer pour de telles machines, une architecture particulièrement simple, en particulier pour des moteurs à combustion interne, soit du cycle dit à deux temps, soit du cycle dit à quatre temps. Elle consiste, principalement, pour la réalisation d'une machine du genre en question, a avoir recours, - d'une part, à un stator s'inscrivant dans un cercle partagé par au moins deux cloisons radiales, diamétralement opposées pour délimiter des chambres volumétriques a paroi périphérique circulaire, - et, d'autre part, un rotor s'inscrivant dans un cercle et portant au moins deux palettes, diamétralement opposes, en forme de secteur circulaire, et pouvant osciller en mouvement alternatif entre les susdites cloisons du stator pour faire varier le volume des susdites chambres pourvues de conduits d'admission et d'échappement, - et, d'autre part enfin, un équipage mobile à bielle-manivelle pour la transmission entre un-arbre primaire du rotor oscillant et un arbre secondaire à mouvement de rotation continu, - ce grâce à quoi on obtient une structure de machine, de construction simple, robuste, de faible encombrement, s'appliquant entre autres réalisations aux moteurs à combustion interne à deux ou quatre temps. Dans son application aux moteurs à combustion interne à deux temps, on fera comporter à chaque chambre volumétrique, sur sa paroi périphérique circulaire, un conduit d'admission, un conduit d'échappement et un canal de transfert. Chaque palette du rotor oscillant présentera deux faces frontales, l'une délimitant avec une cloison du stator une chambre de compression et d'explosion, l'autre, délimitant avec une autre cloison du stator une chambre d'admission, pré-compression et transfert. Grâce à une telle disposition on obtient un taux de remplissage encore jamais atteint dans un moteur traditionnel à deux temps étant donné le volume perdu par la présence du piston creux et par le carter de villebrequin, alors que les deux volumes sont supprimés dans la disposition de l'invention. Dans son application aux moteurs à combustion interne à quatre temps, on établira chaque cloison du stator sous forme d'une culasse double, chaque fond de culasse présentant un conduit d'admission et un conduit d'échappement. Les conduits sont contrôlés à chaque fois par une soupape, les susdites soupapes étant agencées et commandes selon l'une quelconque des dispositions de distribution en soi connues. Dans ce mode de réalisation chaque chambre volumétrique est partagée en deux chambres de combustion-par la palette du rotor oscillant qui lui est associée. Enfin, quel que soit le mode d'application envisage, les chambres volumétriques du stator sont fermées latéralement par deux flasques assujettis aux faces latérales audit stator. Ces flasques sont agencés pour supporter des paliers a galets, à billes ou à aiguilles, paliers dans lesquels tourillonnent, - d'une part, l'arbre primaire du rotor, - d'autre part, l'arbre secondaire. L'invention consiste, mise à part les susdites dispositions principales, en certaines autres qui s'utilisent de préférence en même temps et dont il sera plus specialement question ci-après. Et elle pourra, de toute façon, être bien comprise a l'aide du complément de description qui suit, ainsi que du dessin annexé, lesquels compléments et dessin sont, bien entendu, donnés à titre d'exemple. La figure 1, de ce dessin, montre dans une vue éclatée, les organes constitutifs d'un moteur à deux temps à quatre chambres de combustion. La figure 2 représente une vue de face du moteur à deux temps, flasques latéraux démontés. La figure 3 est une vue identique à la figure 2, le rotor occupant une position angulaire différente. La figure 4 représente, une vue de face d'un moteur à quatre temps. En référence aux figures 1 à 3, un premier mode d'exécution est relatif à un moteur à deux temps. Ce moteur comporte un stator 1 usiné dans une piece circulaire dont la paroi périphérique la est partagée par quatre cloisons radiales équidistantes respectivement 2-3-4-5. Dans la paroi périphérique la sont menagés-, d'une part des conduits d'admission des gaz frais, respectivement 6-7-8-9, d'autre part des conduits d'échap pelant des gaz brûlés res,pectivement 10-11-12-13, et, d'autre part enfin, des canaux de transfert 14-15-16-17. La disposition relative des canaux d!admission d'echappement et de transfert pour une même chambre volumétrique peut être choisie parmi les dispositions classiques adaptées dans les moteurs connus dits à piston. Il s'agit là d'un avantage résultant de la structure de la machine selon l'invention, ce qui simplifie grandement les calculs de diagrammes de distribution. Dans le stator se deplace, suivant un mouvement oscillant, un rotor 18 équipé de pales équidistantes 19-20-21-22. Les déplacements angulaires alternatifs du rotor se font par l'intermédiaire d'un axe rigide ou arbre primaire 23. Deux flasques 24-25 ferment les faces latérales du stator et ils sont assujettis à ce dernier par exemple à l'aide de vis ou de boulons 25a. L'axe 23 ou arbre primaire, solidaire du rotor, tourillonne dans des paliers à billes 26-27 portes par les flasques 24-25. L'arbre primaire 23 presente sur l'un des côtés du rotor un prolongement 23a passant au travers du flasque 24 et du palier 26. Le prolongement 23a de l'arbre primaire est relié à un arbre secondaire 33 menant ou mené selon la destination de la machine. La liaison entre l'arbre primaire 23 et l'arbre secondaire 33 est obtenue par un ensemble bielle-manivelle. On désigne ici par manivelle un levier 28 solidaire par clavetage 29 des mouvements oscillants de l'arbre primaire. L'extrémité 28a de ce levier est accouplée par un axe 31 à l'une des extrémités 30a d'une bielle 30. L'autre extrémité 30b de cette même bielle tourillonne sur un maneton 32 porté par l'arbre secondaire 33. L'arbre secondaire tourillonne lui-meme dans des paliers à billes 34-35 portés par les flasques 24-25. Le fonctionnement du moteur s'établit comme suit Selon figure 2 - lorsque le moteur n'est pas en fonctionnement, les pales du rotor peuvent affecter une position angulaire quelconque à l'intérieur des cavités du stator. Le levier 28 est alors dans une position angulaire correspondant au clavetage 29 qui le rend solidaire de l'arbre 23. Par suite de cette position, le maneton 32 se trouve dans une position angulaire déterminée par le levier 28 et la bielle 30 qui est en liaison permanente avec ces deux organes-. Partant de cette position, si l'on fait tourner le maneton 32 comme le montre la figure 3, en sens inverse des aiguilles d'une montre, le levier 28 entraine en déplacement angulaire les pièces qui lui sont solidaires, c'est-a-dire l'arbre 23 et le rotor 18. On constate alors une modification de volume des cavités du stator 1.En effet, la pale 19 s'étant rapprochée de la cloison 2, le volume de la cavité 37 s'est réduit dans une proportion qui dépendra des caractéristiques dimentionnelles du levier 28 et de la valeur d'excentrage du maneton 32. Ces valeurs sont établies pour que le rapport volumétrique des cavités du stator, pour l'oscillation complète du rotor, convienne à une valeur comprise par exemple entre cinq et huit. Ce rapport volumétrique constituera le taux de compression du systeme. Pendant le même cycle, la pale 19 se sera éloignée de la cloison 5 > il se produit alors une dépression dans la cavité 36 jusqu'au moment où le sommet de la pale 19 découvre l'ouverture d'admission 6 qui est en communication-avec un dispositif d'alimentation en gaz frais non représenté.C'est alors que la dépression à l'intérieur de la cavité 36 cesse d'exister du fait de l'introduction de gaz combustible. Lorsque la pale 19 revient au proche voisinage de la cloison 5, le gaz contenu dans la cavité 36 se trouvera comprimé jusqu'à l'instant ou le sommet de la pale 19 découvre le canal de transfert 14 qui permet au gaz comprimé dans la cavité 36 de passer dans la cavité 37. Poursuivant son mouvement angulaire, la pale 19 comprime le gaz combustible de la cavité 37 jusqu'à l'instant ou le maneton 32 se trouvera dans une position voisine de son point mort haut. C'est alors que l'on provoquera l'allumage des gaz comprimés des cavités 37 et 41 qui sont diamétralement opposées et dont le processus est identique.L'effet thermodynamique dû à la combustion des gaz qui se développent dans les cavités 37 et 41 réagissent puissamment sur les pales 19 et 21 qui accomplissent un dépla- cement angulaire entraînant dans ce mouvement le levier 28 et par voie de consequence, la rotation du maneton 32 qui se trouve en liaison par la biellette 30. Ce qui vient d'être décrit est également vrai pour les pales 20 et 22 qui évoluent dans les cavités 38-39 et 42-43, le temps de travail de ces pales 20-22 se trouvé par la position des canaux de transfert 16-17 déphasé de 90 degrés par rapport au travail des pales 19 et 21, ce qui fait que l'action du rotor sur le maneton est à double effet, c'est-à-dire pour un demi-tour du maneton, la biellette 30 pousse sur celui-ci et dans le second demi-tour, cette biellette tire sur le maneton.On notera dans cette formule de moteur que le bras de levier 28 peut avoir une longueur inférieure au rayon moyen de giration des pales, celui-ci se comporte alors en levier multiplicateur d'effort. Il s'en suit que la force transmise au maneton est plus grande que la force d'expansion des gaz agissant sur les pales, cette conséquence très particulière à ce genre de moteur permet d'atteindre au niveau du maneton un couple accru dans le rapport des grandeurs mises en jeu. Ceci présente un avantage dans le fonctionnement d'un moteur de grand diamètre dont l'intérêt est de disposer d'un coupl élevé à bas régime. Dans un second mode d'exécution représenté figure 4, la machine est un moteur à quatre temps. Dans ce mode de réalisation, chaque cloison 56-57 du stator est réalisée sous forme d'une culasse double. Chaque-fond de culasse présente deux conduits parallèles 56a-56h,- sens le conduit 56a étant visible sur le dessin. Les conduits parallèles sont respectivement un conduit d'admission et un conduit d'échappement.-les conduits sont contrôles en ouverture ou en fermeture par des soupapes 58. Les soupapes appartenant à une même culasse sont commandées par un arbre à cames commun 59. Chaque chambre volumétrique du stator est partagée en deux-chambre-sîde combustion respectivement 52-53 et 54-55 par la palette du rotor-qui lui est associée. Pour chaque chambre de combustion, le fonctionnement s'établit selon un cycle qui comprend quatre déplacements des pales du rotor, le premier temps détermine le remplissage des cavités en gaz combustible, le second temps correspond à la compression du gaz combustible, le troisieme temps est l'action de détente des gaz combustibles, enfin, quatrième temps, évacuation des gaz brûlés. Comme on le constate sur la figure 4, les deux pales du rotor déterminent quatre chambres dont l'action peut être combinée de telle sorte qu'elles se trouvent actives à tour de rôle. Selon la figure 4, on peut convenir que la chambre 52 est en état d'allumage, par conséquent motrice ; ses deux soupapes sont fermées, le rotor tourne, la chambre 53 se trouve en balayage soupape échappement ouverte. La chambre 54 se trouve en aspiration soupape d'admission ouverte et enfin la chambre 55 se trouve en état de compression soupapes fermées. Pour le temps moteur suivant, c'est la chambre 55 qui sera-motrice soupapes fermées. La chambre 52 sera en balayage soupape d'échappement ouverte, la chambre 53 sera en aspiration soupape admission ouverte, la chambre 54 sera en état de compression soupapes fermées, et les mêmes actions se répéteront pour une même chambre toutes les fois que le rotor aura accompli quatre déplacements successifs. Pour chaque demi-tour du maneton 32, une chambre du stator sera active, donc le maneton sera sollicité en rotation, tantôt par une poussée de la bielle 30, tantôt par une traction de cette même bielle. Il est bien évident que si l'on veut passer à un rotor à quatre pales, celui-ci détermine huit chambres, par conséquent, c'est deux explosions simultanées qui auront lieu par demi-tour de maneton et ce pour un encombrement à peine plus important. De nombreuses combinaisons peuvent être envi sagées partant de ce type de moteur ; par exemple, le couplage de deux moteurs dos-à-dos, cette combinaison permettant d'obtenir un ensemble moteur puissant peu encombrant et exempt de vibration, car dans ce cas, les rotors ont un mouvement relatif inverse et mieux encore dans cette même disposition si un maneton est déphasé d'un quart de tour par rapport à l'autre, on obtient un moteur développant un temps actif par quart de tour de l'arbre 33, ce qui est un avantage très important pour la régularité cyclique de l'en- semble et de plus confere à cet ensemble moteur une grande souplesse dans toute l'étendue de sa gamme de vitesse. Quel que soit la destination ou le mode d'exécution adopte, l'invention conduit à la réalisation de machines dont le poids et l'encombrement sont réduits d'environ 50X comparativement à une machine à piston. Les problèmes d'étanchéité sont simples à résoudre étant donne que les moteurs établis selon les données de l'invention peuvent avantageusement fonctionner avec un taux de compression réduit. Enfin, la segmentation des palettes du rotor est facilement maitrisée étant donne les courbes homothétiques en présence. En suite de quoi et quel que soit le mode de réalisation adopté, on dispose finalement d'une machine simple, robuste et fiable, de construction peu onereuse, les avantages résultant suffisamment clairement de la description qui vient d'en être faite, pour qu'il soit inutile d'entrer à ce sujet dans une explication complémentaire. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation -ci-dessus décrits et représentés a partir desquels on pourra prévoir d'autres modes et d'autres formes de réalisation, sans pour cela sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1"/- Machine volumétrique du genre à palettes, menées ou menantes, et notamment moteur à combustion interne caractérisée par le fait qu'elle comporte - d'une part, un stator s'inscrivant dans un cercle partagé par au moins deux cloisons radiales, diamétralement opposées pour delimiter des chambres volumétriques à paroi périphérique circulaire, - et, d'autre part, un rotor s'inscrivant dans un cercle et portant au moins deux palettes, diamétralement opposées, en forme de secteur circulaire, et pouvant osciller en mouvement alternatif entre les susdites cloisons du stator pour faire varier le volume des susdites chambres pourvues de conduits d'admission et d'échappement, - et, d'autre part enfin, un équipage mobile à bielle-manivelle pour la transmission entre un arbre primaire du rotor oscillant et un arbre secondaire à mouvement de rotation continu. 20/- Machine selon la revendication 1, en particulier moteur à combustion interne à deux temps, caractérisé par le fait que chaque chambre volumétrique du stator comporte sur sa paroi périphérique circulaire un conduit d'admission, un conduit d'échappement et un canal de transfert pour les gaz d'admission, les susdits conduits et canaux de transfert étant agencés selon l'une quelconque des dispositions en soi connues des organes de distribution des moteurs à deux temps. 3"/- Machine selon les revendications 1 et 2, caractérisée par le fait que chaque palette du rotor oscillant présente deux faces frontales, l'une délimitant avec une cloison du stator une chambre de compression et d'explosion, l'autre, délimitant avec une autre cloison du stator une chambre d'admission, pré-compression et transfert. 4"/- Machine selon la revendication 1, en particulier moteur à combustion interne à quatre temps, caractérisée par le fait que chaque cloison du stator est réalisée sous forme d'une culasse double, chaque fond de culasse présentant un conduit d'admission et un conduit d'échappement, les susdits conduits étant contrôlés à chaque fois par une soupape, les susdites soupapes étant agencees et commandées selon l'une quelconque des dispositions de distribution en soi connues des moteurs à quatre temps. 5"/- Machine selon la revendication 4, caractérisée par le fait que, chaque chambre volumétrique au stator est partagée en deux chambres de combustion par la palette du stator oscillant qui lui est associée. 6 /- Machine selon l'une quelconque des revendications de 1 à 5, caractérisée par le fait que les chambres volumétriques du stator sont fermées latéralement par deux flasques assujettis aux façes latérales dudit stator, les susdits flasques étant propres à supporter des paliers à galets, à billes ou à aiguilles, paliers dans lesquels tourillonne d'une part l'arbre primaire du rotor, et d'autre part l'arbre secondaire.