Brevet FR2288863A1 — publié le 19760521

La présente invention concerne les moteurs thermiques qui fournissent l'énergie aux moyens de transports terrestres, maritimes et aériens. Les moteurs à explosion et à combustion ont un rendement thermique très faible, dO à la dispersion importante des calories par les parois, les gaz d'échappement, les très importantes inerties négatives (alternances des pistons et des soupapes, etc.). Les moteurs à quatre temps n'ont que I50 degrés moteur par cylindre sur 760 de leur rotation ; les moteurs à deux temps, qui ont une moyenne de I00 degrés moteur sur 360, perdent cet avantage par un échappement à haute pression, donc1 à grande perte de calories, et leur rendement thermique est généralement plus mauvais.La puissance spécifique de ces moteurs ne dépasse guère, pour les meilleurs, I5 CV. au litre mille tours, ce qui conduit à des machines lourdes et encombrantes, n'atteignant guère moins de 600 grammes au cheval, sauf dans le cas de réalisations très chères. Pour obtenir des machines ayant la plus grande puissance spécifique possible, on les fait tourner très vite, en ayant recours à la multiplication des cylindres à petits volumes, ce qui conduit à des prix très élevés;Dans tous les cas, ces machines ne transforment en travail, que 0,20 à Q4O% de l'énergie consommée, Le moteur, objet de la présente invention, donne, au litre mille tours, une puissance I8 fois supérieure à celle des moteurs classiques, et consomme 9 fois moins de carburant, Sa puissance, au litre mille tours, voisine 250 CV,, son rendement thermique est de 3%, c'est-à-dire, qu'à puissance égale, il consomme IO litres, alors que le moteur classique en consomme 90. Son poids au cheval, peut ne pas dépasser I00 grammes. Ces performances surprenantes au premier abord, sont dues à son architecture particulière qui lui confère la cinématique de la turbine et d'un couple d'engrenages0 La longueur du bras qui reçoit la force de détente est indépendante de la course du piston, et va croissant jusqu a fin de course (Voir Planches IV et V). La dispersion calorifique est très réduite, la course des pistons étant très courte, le con tact des gaz chauds avec les parois de la chambre de détente est très court -20 à 30 degréssur 360, suivant le nombre de sphères. De ce fait, les pertes par défaut d'étanchéité sont également réduites par 9 ou par IO. La pression d'échappement ne dépasse par 3 Kg/cm20 et peut autre récupérée en partie, sur des aubes judicieusement disposées dans le tambour d'échappement.Une soufflante assure le refroidissement des cylindres et des pistons qui sont intéme - rement balayés par l'air frais, au moins pendant 300 degrès sur 360, ce qui permet d'utiliser des taux de compression très élevés avec le gaz-oSl comme combustible0 Le moteur circonférentiel ne disperse aucune calories pour animer des soupapes et vaincre la force des inerties alternatives0 Son équilibrage est voisin de la perfection, le bref déplacement de la masse du piston, qui est infime sur 400, et la vitesse relative, légèrement on@u- latoire des deux roues, ne sauraient perceptiblement la perturber. Avec une seule couronne de cylindres, il peut avoir plus de neuf explosions par tour.La meme roue motrice peut1 par construction appropriée, recevoir plusieurs couronnes de cylindres, et l'on peut obtenir plus de 45 explosions par tour qui donneront, dans un encombrement très réduit, des machines très puissantes. La Planche III figure un exemple schématique de réalisation du moteur circonférentiel, dans laquelle 1 est un cylindre, 1, le piston, 3 la sortie d'échappement, le collecteur d'échappement, 5 la lumière circulaire d'échappement, 6 les lumières d'admission, 7 sont les roulements de la couronne, &num;; tube d'admission d'air, 9 carter d'assemblage c8té admission, 10, la culasse, 11, l'injecteur, 12, les chicanes empochant les gaz d'échappement d'entrer dans le carter, 13, est le tambour où l'air de balayage se mélange aux gaz brûlés, 14, est le tube de sortie du mélange air de balayage et gaz brûlés, 3p;; est le carter d'assemblage c8té échappement, 16, une des 9 sphères en phase de combustion, 17, est la roue motrice, 3&num;; le circuit d1huile, I9, la pompe haute pression, 49, la pompe qui assure le retour de-l'huile au réservoir, 20, tube d'aspiration, 22, arrivée d'huile du réservoir à la pompe haute pression, 23, aubes de la soufflante3 24, moteur électrique de la soufflante à vitesse variable, 25, pignon d'entraînement de la pompe d'injection, 26, tubulure de gaz-oil entre la pompe et l'injecteur, 27, collecteur d'air conduisant l'air de la soufflante du tube d'admission, 28, volant de démarrage, 29, butée hydraulique des pistons0 Le moteur circonférentiel (Voir Planches I et III) est donc essentiellement formé par deux roues, 1 et I7.L'une des roues porte les cylindres 5, Planche I, dans lesquels coulissent librement les pistons, 2, que la force centrifuge immobilise contre les butées hydrauliques, 29. Cette roue, que nous appellerons couronne au cours de la description, tourne, pour une réalisation d'étanchéité, sur un axe ayant la forme d'un triangle, portant sur deux de ses sommets 4 roulements, 7, et, sur le troisième, un sabot,10 qui est la culasse unique de l'ensemble des cylindres. Au moment voulu, cette culasse ferme l'admission, 6. et libère l'injecteur, il; Très épaisse, elle est en contact permanent avec l'air frais qui pénètre dans les cy lindres ; s'il en est besoin, elle peut autre énergiquement refroidie par circulation d'huile ou d'eau.Lorsqu'ils sont dans leur butée hydraulique les pistons découvrent la lumière d'échappement, 5, Planche III, qui est une gorge coupant le cylindre en deux parties. Les roulements, 7, Planche I, montés sur des excentriques élastiques au sommet du triangle, opposés à la culasse, ont pour but, outre leur fonction de roulement, d'assurer le contact parfait de la couronne et de la culasse, afin de rendre absolument étanche leur glissement. Au moment de l'explosion, la pression des gaz participe au travail des roulements, pour assurer cette étanchéité, secondés par une enceinte de carreaux remplis d'huile à haute pression, judicieusement disposés, La roue motrice, i2; qui engrène avec la couronne, porte un certain nombre de sphères, I6. Dans la description qui suit, cette roue porte neuf sphères et la couronne, six cylindres : les deux pièces engrènent donc, dans le rapport de I,5 à 1. Lorsqu'une sphère crrive à fond de course de déten te, la sphère suivante est totalement engagée dans le piston voisin, com- me le montre la Planche I.Lc Planche II figure en 1 les positions relatives des deux roues au moment de l'explosion1 la figure 2, leur position sur un point de la détente, les Planches IX et- X, contribuent à faire bien comprendre la cinématique de la couronne et de la roue motrice0 En considérant les Planches I, II, IX, X, l'o n voit que la rotation fait pénétrer dons le cylindre, la sphère, cette dernière étant guidée par le piston qui l'épouse et qu'elle repousse vers la culasse, en comprimant l'air qui y est emprisonné la lumière 6, étant venue se fermer contre la culasse 10. Le point mort atteint, l'injecteur 11, ayant rempli sa fonction, lc cci- bustion chasse le piston et sa sphère qui transmet à l'arbre 17, l'énergie reçue. C'est ici qu'il faut examiner attentivement ce qui vient de se passer. Pour en mesurer l'importance, nous allons comparer le fonctionnement d'un moteur monocylindrique à attelage piston, bielle, manivelle, et celui du moteur circonférentiel, les deux machines ayant une cylindrée totale égale, ainsi que leur pression moyenne de détente, par exemple 8 Kg./cm2. Nous appelons PBM le moteur à attelage piston, bulle, manivelle0 Son ali sage est 80 mm. So course 73,8 mm., la cylindrée 373 cm3. Le circonféren tiel a un alésage de 50 mmO, une course de 2l mm., six cylindres, neuf sphères et une cylindrée totale de 37I cm3. Les Planches IV et V figurent les longueurs du oras de levier qui transmet à l'axe moteur le trovail des gaz pour six positions qui divisent en parties réciproquement égales la course de chacun d'eux. Pour éviter un enchevêtrement des lignes peu clai res ddns la Planche V, le schéma du PBM a 2 figures ; les valeurs succes sives du bras se lisent de I8 à 14. Dons la Planche IV du circonférentiel, les les valeurs se lisent de 28 à I02. On rencrque, en premier lieu, Planche IV, le déplacement du piston suivant le rayon de la roue motrice est bien inférieur à la course engendrée par la rotation des deux éléments : le cyignare participe, pour lc plus grande part, à a compression du volume initial. L'intersection des circonférences 1 et 2, Planche IV, limite une une droite +léchée le 21 mm., qui est la longueur du déplacement relatif du cylindre et du piston, par rapport à cette droite.Le chemin parcouru par le piston est en 3, celui parcouru par le cylindre est en 4, qui mesurent, respectivement, 8 et I3 mm. t à 3.000 tm., la vitesse du piston est 7,20 ms. L comparaison entre les deux moteurs indique une durée de détente de I800 pour le PBM, et de 200 pour le circonférentiel. Cette détente, très brève (qui rend néglIgeable l'importance des fuites et la dispersion es calories), est favorable à un meilleur rendement thermique. t'examen des Planches IV et V fait apparattre clairement la principcle richesse de l'invention, qui est la longueur du brcs de levier qui transmet la force de la détente à l'axe moteur; En faisant Ici moyenne des longueurs Sues, I circonférentiel bénéficie d'un levier moyen de 7,26 cm., contre 2,74 cm. pour le PBMo D'autre part, ces Planches nous montrent que la digestion de l@ force du ci@conférentiel n'a qu'un seul vecteur, toujours perpendiculaire au rayon qui la reçoit, tandis que lo direction de la force @@ PBM se disperse sur trois vecteurs, d'où il résulte un travail important du piston contre le cylindre qui se déduit du couple moteur.Sans tenir compte de cette dispersion, ni des pertes par inerties alternatives et autres, comp@rons, en le chiffrant, le travcil reçu par l'axe moteur de chacune des machines1 à la suite d'une détente. Le PBM a une section du piston de 50,625 cm2., la pression de détente est 8 Kg/cm2., la longueur moyenne de-la manivelle est 2,74 cm., et nous considérons que la force absoibée pcr l@ compression est I/3, ce qui nous donne : 8 X 50,625 X 2,74 X 2 = 7,398 Kgm; 100 X 3 Dans les mêmes conditions, le circonférentiel, qui a une section du piston de I9,635 cm2., une longueur moyenne de manivelle de 7,26 cm., nous donne :: 8 X I9,635 X 7,26 X 2 = 7,60 Kgm 100 X 3 Pour un volume de gaz utilisé 9 fois plus petit, or retrouve, à l'axe du circonférentiel, un couple plus important, et, tandis qu'à la mesure de lc puissance, le couple du PBM se divise par 2, celui du circonfé- rentiel se multiplie par 9 et nous avons : - Moteur PBM : 7,40 x 3.000 = 15,5 CV. 2 x 716 - Circonférentiel : 7,60 X 9 X 3.000 = 286 CV. 716 Ces calculs simples donnent une Image assez exacte de la supériorité considérable du Circonférentiel, Partant de ces données, il est intéressant de comparer le rendement thermique de chacun des moteurs, en prenant la puissance DIN = à 80%. Le PBM donne I2,5 CVO, le Circonférentiel 229 CV. A 3.000 tm. la consommation de ce dernier est 4,440 Kg/heure, celle du PBM 2,220 Kg/heure, soit I9 gr cheval H pour le premier, et 177 gr. cheval H pour le second. Le rendement thermique est donc : 75 x 3.600 = 3,18% pour le Circonféren- 0,425 x 19 x 10500 tiel et 0,34% pour le PBMo Puissance au litre mille tours : Circonférentiel 256 CV. PBM 13,9 CV. Ces calculs comparatifs sont faits pour 3.000 tours, et, à ce propos, un autre avantage s'inscrit au compte du Circonférentiel : c'est la valeur croissante du couple avec le régime. Le couple est proportionnel au poids de gaz admis dans le cylindre. Dans le Circonférentiel, la force centrifuge des cylindres participe à leur remplissage, et la charge va croissant avec le nombre de tours. 400 avant la phase de compression, le tube d'évacuation 3 Planche III, est obturé par une éclipse fixée cu bon endroit dans le tambour 13, et qui a pour effet de donner à la charge d'air frais, une certaine pression qui augmente avec lc vitesse de rota tion. Cependant, il est une contrainte qui ne permettra pcs au Circonfé rentiel de tourner à des régimes très élevés : c'est la percussion des pistons par les sphères.Pour le moteur, pris en exemple dans la descrip tion, les pistons de 50 mm. de diamètre pèsent, en acier, I25 gr. A 3.000 tm., leur masse, pour un rayon de giration de 82 mm devient, environ, 4.000 gr. qui, à la percussion, reçoit de la sphère, une accélération ins tantanée considérable, la force du choc se traduisant par la loi d'accélé ration I/2 MV2.Ici, intervient une autre particularité de l'invention, qui consiste, un ou deux degrés avant la percussion, à annuler la masse du piston par une poussée hydraulique antagoniste à la force centrifuge qui s'exerce sur lui, et I/2 MV2 devient I/2 OV2 = O, Pour faire comprendre ce mécanisme, les Planches VI et VII figurent un cylindre coupé.. par l'axe de l'injecteur Dans la culasse 3;; la canalisation 4, alimente, sous forte pression, deux réservoirs 6 qui, à leur tour, font passer l'huile dans les tubulures 7, étanches t ns le cylindre, et qui viennent alimenter par une gorge circulaire 10, et les perçages 5 le bassin dcns lequel repose, étanche, l'extrémité ffi de la jupe du piston0 La bague 12, qui ferme le bassin est percée d'ajutages 13, dont le nombre et le dicmètre sont déterminés por l'amortissement du retour du piston sur sa butée hydraulique, et qui arrosent la sphère à son entrée dans le piston : la Planche VII figure, développé, un segment de la couronne 1, (transparent pour la lecture) et glissant sur la culasse 1 Les entrées rectangulaires des tubes 7, viennent passer sur les distributeurs 6, qui ont un dessin particulier qui permet d'avoir, sous le piston, des pressions différentes à des points de rotation déterminés. La cannelure gaz est en communication avec l'atmosphère par le perçage 63, qui débouche dans le carter par une tubulure extérieure. Leur fonction accomplie sur 40O, les tubes 7, se vident partielle ment par les ajutages 13, pendant 3200.Pour entrer une nouvelle fois en action, ils pussent sur les distributeurs 6, et dans un premier temps, les mettent en communication avec la cannelure g qui permet au circuit de se remplir en évacuant l'airs Dans ce premier temps, et en fonction des sections, lapression est réglée pour faire débiter les ajutages g sans soulever le piston0 Dès que le bassin des tubes Z, a franchi les canelures 26, au point voulu, la pression crott brusquement dans le circuit précomprimé et vient annuler la masse du piston au moment de son contact avec la sphère. I1 faut préciser quwun régulateur sur la pompe g Planche III, viendra régler la pression en fonction du régime si le besoin est Le dessin des réservoirs 6, doit tenir compte du temps de réponse du circuit, le fonctionnement du système admettant une certaine tolérance. Dans les planches I, III, IX, X, un autre moyen pour amortir la percussion consiste à utiliser la propriété qu'ont les sphères d'emprisonner, en s'embottent, un volume d'huile qui ne peut échapper que fortement laminé dans le jeu diamétral pratiquement nul qui reste entre les sphères avant leur embottement total; La combinaison des deux systèmes peut être envisagée et pourra per mettre de sécuriser le fonctionnement du moteur, au-delà de 3.000 tm. On sait que l'étanchéité des distributeurs à couronne tournante est généralement mise en défaut par les contraintes thermiques qui déforment les plans, en créant des jeux ou des serrages, C'est une autre particula rité de l'invention, qui consiste à maintenir continuellement la couronne élastiquement plaquée contre la culasse, par des roulements convenablement disposés et préchargés. Les Planches I et III montrent la dispositior des roulements à aiguilles 7, montés sur excentriques accouplés par un ressort qui tend à augmenter l'extraxe des roulements pour forcer la couronne con tre la culasse et lui permettre d'épouser ses déformations.Comme il a été dit au début de la description, la masse importante de la culasse permet de l@ refroidir autant qu'il en est besoin pour éviter les déformations nuisibles à l'ét@nchéité. Un dixième seulement de la surface de frottement est en contact avec la combustion pendant I800 sur 360. Cependant, placé nu centre de cette surface, ce point chaud est particulièrement déformant; Pour le refroidir, il est possible d'utiliser des sels, une circulation d'eau. Du métal, à coefficient de dilotion différent et judicieusement placéS peut compenser cette déformation.Cependant, il est préférable de maintenir, autour de la lumière d'admission, et pendcnt son passage contre la culasse, une enceinte de correaux remplis d'huile sous pression; La Planche VIII montre ce système de joint d'huile sous pression et le ré seau ce graissage de la surface de frottement de la culasse0 Les canelu res b sont alimentées sous haute pression (30 Kg. environ) par le tube 4. les canelures 29, peu profondes et interrompues au passcge de l'injec teur, sont portées par la couronne, et, à leur passage sur les canelures 28, contribuent à former, autour de l'ouverture d'admission b une en ceinte d'étanchéité, tout en alimentent les gorges de craissage 27.Si elles étaient t@illées dans la culasse, les gorges 29 laisseraient passer l'huile dans le cylindre par la lumière d'admission. Les pistons, toujours sous 1 contrainte de leur inertie et de la détente dans le cylindre, ne peuvent manifester leur indépendance vis-à-vis de leur sphère, mEme en décélération, puisque le remplissage des cylindres est toujours totol, le régime d la soufflante étant indépendant de celui du moteur. Chauffant très peu et cbondamment graissés, ils ne peuvent gripper. Il reste à examiner le système d'alimentation du Circonférentiel en carburant. Avec un injecteur du type ouvert, on peut utiliser @@ des nombreux systèmes de pompe à injection, couramment employée sur les moteurs à com- bustion, en l'équipant d'un nombre de cylindres égal au nombre de sphères du Circonférentiel0 I1 peut être plus intéressant d'utiliser le distributeur adéquat qu'est la couronne, en passant sur la culasse. Dans ce cas, une pompe du commerce à haute pression, ayant un débit convenable, commandée, soit directement par le Circonférentiel, soit par un moteur électrique, peut être utilisée. On établit un circuit avec un injecteur ouvert à section variable et un accum@l@teur régulateur de pression L'injecteur s trouve ainsi consta- ment sous charge, et ne débit, -n fonction de sa section, oue pendont le passage de la lumière d'admission qui coïncide avec le point d'allumage. II et certain qu'avec cette solution, une infime quantité de gaz-oïl passera dans l'huile, mais le Circonférentiel fonctionnant à carter sec, ce gaz-oïl pourra être récupéré au travers d'un séparateur convenablement placé dans le circuit La Force centrifuge chasse, dans le carter, le lubrifiont traîné par le glissement de la couronne sur la culasse, ou travers de ca@@- @eaux creusés en nombre suffisant dans les joues de guidage de la couro@- ne; FEVENDICATI ON S (I) - Dispositif de moteur à combustion permettant, compare aux moteurs couraxsent utilisés, d'obtenir une puissance au litre mille tour, bien superieure, et de réduire considerablement leur consommation. Caractérisé par le fait que la cinématique de ce dispositif est semblable, à la fois, à celle des turbines et d'un couple d'engrenage. De ce fait, le bras de levier par lequel la force de détente est transmise à l'axe moteur, va croissant jusqu'à la fin de la-détente. (2) - Dispositif suivant la revendication I . Caractérisé par le fait que, pour obtenir ce résultat, les moyens sont deux roues, lune appelée couronne, porte les cylindres où sont retenus les pistons sur des butées hydrauliques, l'autre appelée roue motrice, engrène, avec la pre mière, par des sphères disposées à sa périphérie. Le nombre de cylindres et de sphères peut être quelconque dans le cadre d'un engrènement correct et du plus grand bras de levier possible. (3) - Dispositif suivant la revendication 2. Caractérisé par le fait que les pistons portent un bol sphérique qui épouse la sphère pour la guider, pendant la rotation, sur son parcours dans le cylindre, et, de ce fait, les pistons compriment l'air jusqu'au point de combustion qui les repousse, en donnant à la sphère l'impulsion motrice. (4) - Dispositif suivant la revendication 2. Caractérisé par le fait que la couronne tourne sur un axe triangulaire portant sur deux de ses sommets des roulements 7, et sur le troisième, un sabot de frottement qui est la culasse unique des cylindres. En s'écartant, les deux roulements, montés sur des excentriques reliés élastiquement, ont pour fonction de maintenir la couronne intimement plaquée contre la culasse pour une bonne étanchélté. (5) - Dispositif suivant la revendication 2. Caractérisé par le fait que pour arrêter le piston dans le cylindre à fin de détente, le cylindre porte une butée hydraulique I4, en communication avec les ajustages I3, par les gorges IO qui recoivent des tubes 7, le fluide qui remplit la butée. Laminé par les ajustages I3, ce fluide amortit l'arrêt du piston au fond du cylindre, les tubes 7, étant à ce point, fermés par la culasse. (6) - - Dispositif suivant la revendication 4. Caractérisé par le fait que la culasse porte une tubulure 4, recevant l'huile d'une pompe haute pression, vu alimente deux bassins 6, dont le dessin particulier fait varier la pression sous le piston à des points de rotation déterminés des deux roues. Ces bassins alimentent, à leur passage, les tubulures 7 de la couronne et font agir la butée hydraulique du piston qui annule son poids. Dans ur. premier temps les bassins des tubes 7, mettent en communication les bassins 6 par les canaux 26 pour, en évacuant l'air, remplir le dispositif hydraulique. (7) - Dispositif suivant la revendication 4. Caractérisé par le fait, que pour parfaire l'étanchéïté de la culasse contre la couronne des cylindres et adoucir leur frottement, la culasse porte des canaux étroits 28, alimentée, sous haute pression, par le tube 4, et qui, à leur passage, mettent sous pression les canaux 29, taillés da@s la couronne pour former une enceinte d'étanchéïté autour de la lumière 61, tout en alimentant les canaux 27, taillés dans la culasse. Cette repart tion des canaux, en s'opposant à toute fuite, empêche l'huile de passer dans les cylindres par la lumière 61.