Brevet FR2415195A1 — publié le 19790817

La présente invention concerne un moteur rotatif perfectionné 3 cycle de Rankine du type de Stirling. Dans un mode de réalisation avantageux décrit en détail, plusieurs cylindres toroïdaux sont formés dans une série de blocs moteurs fixés bout à bout, la moitié d'un tore étant formée dans chacun de deux blocs adjacents. Pour chaque cycle, un piston est fixé à la périphérie externed'un disque, ce dernier étant lui-même fixé à l'arbre principal du moteur avec lequel il tourne. La pression du fluide qui entraîne chaque piston peut être appliquée sur 3450 de rotation du piston et la force disponible est appliquée à l'extrémité d'unlevier pendant pratiquement tate la rotation du piston.Cette caractéristique constitue l'un des principaux avantages du moteur selon l'invention. Pour une puissance inférieure à la puissance maximale, l'entrée du fluide gazeux dans le cylindre, derrière le piston, est interrompue en tout point voulu si bien que la puissance du moteur est ainsi réglée. En outre, un moteur de dimension determinée peut être commandé afin qu'il entraîne des charges très diverses. Une caractéristique importante selon l'invention est que la construction du moteur est simple et le moteur comprend un nombre relativement faible d'éléments mobiles et est léger. Le rendement thermique du moteur est très élevé, ce moteur présentant tous les avantages des moteurs à cycle de Rankine du type de Stirling. Parmi ces avantages, on peut citer, en plus du rendement thermique, la réduction du bruit et de la pollution atmosphérique, par rapport aux moteurs à combustion interne. La consommation de carburant est relativement faible par rapport à celle des moteurs classiques. Selon une autre caractéristique de l'invention, le moteur et ses divers éléments subissent une détérioration et une usure réduites étant donné que la température est relativement basse par rapport a celle des moteurs à combustion interne, et la vitesse de rotation est aussi faible. Lorsque le moteur est monté sur un véhicule automobile, une transmission est superflue. Le couple du moteur selon l'invention est surtout important à l'arrêt. Une caractéristique importante du moteur selon l'in- vent ion est que toute la pression dans les cylindres peut four nir un travail utile transmis à l'arbre principal, la pression étant utilisée jusqu'à la valeur de la pression d'échappement. Le moteur classique à combustion interne, à quatre cycles, gaspille une partie importante de la pression à l'échappement Ce gaspillage est rendu minimal selon l'invention. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description qui va suivre, faite en référence aux dessins annexés sur lesquels - la figure 1 est un schéma du moteur et des éléments associés formant un ensemble complet - la figure 2 est une vue en plan du moteur selon l'invention - la figure 3 est une coupe verticale suivant la ligne 3-3 de la figure 2 - la figure 4 est une coupe transversale suivant la ligne 4-4 de la figure 3 - la figure 5 est une perspective éclatée, représentant certains éléments à une échelle différente de celle qui est utilisée pour d'autres éléments ;; - la figure 6 est une vue partielle en plan agrandie représentant un obturateur principal d'un cylindre - la figure 7 est une coupe partielle en élévation, suivant la ligne 7-7 de la figure 6, représentant le piston à un autre moment au cours de son cycle - la figure 8 est un développement plan d'une came utilisée pour la commande de la soupape d'admission du moteur - la figure 9 est une projection schématique sur un plan de la came qui règle la soupape d'admission ; et - la figure 10 est une coupe schématique de l'arbre à came. On considère d'abord la figure 1 qui représente schématiquement un moteur Il et plus précisément uniquement un seul de ses cylindres. Un bloc 12 comporte un cylindre semi-torol- dal 13. Le bloc 12 coopère avec un bloc adjacent ayant un cylindre semi-toroidal analogue 13 si bien que, lorsque les deux blocs sont montés l'un sur l'autre, ils délimitent un cylindre toroïdal complet 13. Un arbre principal 14 est disposé sur l'axe du tore. Un disque 16 tourne avec l'arbre 14 et porte, à son bord externe,un piston 17 qui, au cours de son cycle de rotation, se déplace dans le cylindre 13. A un point du cycle, un obturateur principal 18 du cylindre, décrit en détail dans la suite, peut fermer le cylindre 13 afin qu'il délimite deux parties, l'une placée derrière le piston 17 et l'autre devant. L'obturateur principal 18 s'ouvre lorsque le piston 17 passe à son niveau et il se ferme juste après. Un collecteur d'admission 19 commandé par une soupape 21 est placé d'un premier côté de l'obturateur principal 18. Lorsque la soupape 21 est ouverte, un gaz sous pression pénètre dans le cylindre 13 et chasse le piston 17 vers l'avant (c'est-à-dire dans le sens horaire sur la figure 1). Un collecteur d'échappement 22 est placé du côté de l'obturateur 18 qui est opposé à celui du collecteur d'admission 19 et il est destiné à évacuer de façon continue le fluide qui se trouve devant le piston 17. Un carter externe 27 contient un brûleur 26 qui peut utiliser tout carburant ou combustible disponible. Le carburant est conservé dans un réservoir 28 et il est transmis au brûleur 26 par une pompe 29. Un serpentin 31 est placé dans le carter 27 et assure le chauffage du gaz afin que sa pression et sa température augmentent. Un clapet 32 empêche le retour du gaz du serpentin 31. Les gaz d'échappement quittant le collecteur 22 par un conduit 36 parvennent à un condenseur, un refroidisseur ou un radiateur 37 dans lequel la température est réduite et le fluide refroidi est conservé dans un réservoir 38 avant nouvelle circulation dans le serpentin 31. Le fonctionnement précité correspond à celui d'un moteur à cycle de Stirling car le gaz chauffé déplace le piston et le gaz du cycle précédent de rotation est évacué et condensé ou au moins refroidi avant réchauffage et recyclage. La combustion dans le brûleur 26 s'effectue à l'extérieur du moteur 11 si bien qu'elle peut être efficace, non polluante et très complète. Le gaz peut être choisi parmi divers gaz et vapeurs, notamment l'air, l'hydrogène, l'hélium, la vapeur d'eau, le "Freon", etc. On considère maintenant les détails du moteur li et on se réfère plus précisément aux figures 2, 3 et 4 qui indiquent que les blocs-moteurs 12 placés entre les extrémités du moteur 11 sont pratiquement identiques et que les deux blocs 12a d'extrémité sont complémentaires. Comme l'indique la figure 3, les cylindres semi-toroîdaux formés dans chaque bloc et dans chaque face de chaque bloc intermédiaire 12 sont placés côte à côte et maintenus par des boulons 41 passant dans tous les blocs, si bien que ceux-ci forment 4 cylindres 13. Il faut noter que, suivant la capacité voulue pour le moteur, le nombre de cylindres peut être égal à un ou peut-être plus élevé. Des paliers convenables 42 disposés dans les blocs 12, 12a supportent l'arbre 14 qui peut tourner et qui est de préférence cannelé. Chaque disque 16 a un moyeu 43 qui tourne avec l'arbre 14. Un joint d'étanchéité 46 en forme de courroie est disposé à l'extérieur de chaque disque 16. Deux épaulements ou joints annulaires 47, placés dans les cavités des blocs 12, 12a juste à l'extérieur du joint 46, complètent l'étanchéité assurée par ce dernier. Les épaulements 47 sont maintenus en place par des vis non représentées ou d'autres dispositifs si bien que, de même que les joints 46, ils peuvent être remplacés lorsque leur usure le nécessite. Le joint 46 tourne avec le disque 16 et à cet effet, il comporte un dispositif pratiquement radial 48 de fixation destiné à fixer le joint 46 au pistai 17. Un dispositif évent 38 est formé dans le joint 46 afin que la pression soit égalisée lorsque l'obturateur 18 est sur le point de s'ouvrir, si bien que l'ouverture de cet obturateur nécessite une force minimale. L'obturateur principal 18 est ouvert lorsque le piston 17 passe à son niveau. Divers dispositifs peuvent être utilisés pour la synchronisation de l'ouverture de l'obturateur 18, et le dispositif représenté est très simple. Dans ce mode de réalisation, c'est le mouvement du piston 17 lui-même qui provoque l'ouverture de l'obturateur principal. A cet effet, ltobtunateur 18 comprend deux organes 51 qui pivotent en sens opposés dans les blocs 12 ou 12a. Les bords internes des obturateurs 51 ont des feuillures 52 si bien que les deux organes 51 peuvent se recouvrir et un joint 53 est placé le long de l'une au moins des feuillures 52. Les organes 51 de l'obtura- teur sont articulés sur des pivots 54 placés à la partie supé rieure et à la partie inférieure et pouvant tourner dans les blocs 12, 12a.Un ressort hélicoïdal 56 repousse le pivot supérieur vers le bas afin que les bords inférieurs des organes 51 de l'obturateur soient au contact du joint 46 et des parois du cylindre 13. Des ressorts 57 de rappel maintiennent les organes 51 en position de fermeture et se logent dans des cavités 58. Les blocs 12, 12a ont des orifices 59 permettant le pivotement des organes de l'obturateur de la position représentée en trait plein à la position représentée en trait mixtes sur la figure 6. Le nez avant 61 du piston 17 est arrondi et le piston a un joint 62 de forme tronconique. Le nez 61 du piston ouvre l'obturateur et les ressorts 57 le ramènent en position de fermeture. Les parties supérieures des blocs 12, 12a ont des parties horizontales plates sur lesquelles est boulonnée une plaque 64 à soupapes placée sur tous les blocs. Une boîte 66 à soupapes est disposée au-dessus de la plaque 64 et forme les collecteurs 19, 22 d'admission et d'échappement, ainsi qu'une cloison intermédiaire 65. Des boulons 67 maintiennent la bote 66 en position. Des sièges 68 de soupape sont formés dans la plaque 64. Les tiges 69 des soupapes dépassent des soupapes 21 et sont repoussées afin que les soupapes coopèrent avec les sièges 68, sous l'action de ressorts 71 entourant les tiges 69 et prenant appui contre la face inférieure de la boîte 66.Ainsi, une lumière 72 d'entrée est formée entre le siège 68 de la soupape d'admission et le cylindre 13, d'un côté de l'obturateur principal 18, et une lumière 73 d'échappement fait communiquer le cylindre 13 avec le collecteur 22 d'échappement de Vautre côté de l'obturateur 18. Un arbre 76 à cames peut tourner en synchronisme avec l'arbre 14 et il est monté par des paliers 77 et des coussinets 78 placés sur l'arbre 76, les paliers étant boulonnés à la partie supérieure de la boîte 66. L'exkimité gauche de l'arbre 76 (sur les figures 2 et 3) a une partie cannelée 79. Des poulies 81 sont montées sur les arbres 76 et 14 et sont reliées par une courroie 82. La poulie supérieure 81 est fixée sur le coussinet 78 par une clavette ou un autre dispositif. Pour chacun des cylindres 13, une came 86 est montée sur l'arbre 76 et l'emplacement de cette came détermine la synchronisation des divers cylindres, suivant de préférence un cycle 1-3-4-2. Le développementdechaque came apparaît clairement sur les figures 9 et 10. Dans le mode de réalisation de came représenté sur la figure 10, un arrêt momentané 87 au point haut a lieu sur la plus grande partie de la circonférence de l'arbre à came 76 et un arrêt momentané 98 en position basse a lieu sur 200 environ. L'arrêt 88 en position basse assure la fermeture de la soupape 21 lorsque le piston 17 passe au niveau de l'obturateur 18. Comme indiqué sur la figure 9, un bord 89 de la partie 86 formant l'arrêt temporaire en position haute, est rectiligne alors que l'autre bord 91 est incliné ou en biais.Comme décrit précédemment, les cames 86 peuvent se déplacer axialement avec l'arbre 76 et la position qu'elles ont à un moment donné détermine la durée d'ouverture de la soupape 21. Une extrémité de l'arbre 76 a un collier 92 contre lequel prend appui un levier coudé 93 monté dans un support 94, sur l'un des blocs 12a d'extrémité, afin que les cames 86 (et leur arbre 76) puissent se déplacer axialement. Une tige 96 est reliée à une commande à main ou à pied destinée à régler la vitesse du moteur. Lorsque la tige 96 est repoussée sur la gauche sur les figures 2 et 3, l'arbre 76 est tiré vers la droite et il tire les cames 86 avec lui. L'arbre 76 revient sous la commande d'un ressort 97 de rappel qui l'entoure. Une extrémité du ressort 97 prend appui sur un collier 98 fixé à l'arbre 76 et une autre extrémité prend appui contre une butée fixe 99 fixée à la boîte 66. Un toucheau 101 de came est fixé à l'extrémité supérieure d'une tige 69 de soupape pour chaque soupape 21. Le toucheau 101 est maintenu en place par un dispositif 102 d'application boulonné sur les paliers 77. Ainsi, le toucheau suit les parties d'arrêt temporaire en position haute et en position basse des cames 86. Comme indiqué sur les figures 2 et 3, plus l'arbre 76 est loin vers la droite et plus la durée de coopération des toucheaux 101 avec la partie 87 d'arrêt temporaire en position haute des cames est importante, si bien que les soupapes 21 sont ouvertes très longtemps.Ainsi, la tige 96 permet la commande du moteur, par réglage du gaz admis dans chaque cylindre 13 derrière le piston 17, pendant une partie plus ou moins longue du cycle de rotation du piston, suivant la partie du cycle pendant laquelle le toucheau 101 coopère avec la partie 87 d'arrêt en position haute de la came 86. Un gaz est contenu dans les canalisations et 'les cavités de l'appareil, à des pressions pouvant atteindre des centaines de bars. Le brûleur 26 est alors allumé et il chauffe le gaz dans le serpentin 31 si bien que l'augmentation de pression du gaz provoque le passage de celui-ci vers le collecteur 19 d'admission puis dans la lumière d'admission 72 et dans le cylindre 13, pendant une partie du cycle de rotation du moteur, si bien que le piston 17 est entraîné par le gaz et le disque 16 fait tourner l'arbre 14. L'obturateur principal 18 est évidemment fermé pendant toute la course de puissance du piston 17. Les gaz usés du cycle précédent sont évaçués par la lumière 73 d'échappement dans le collecteur 22 puis dans le refroidisseur ou condenseur 34 qui refroidit et condense le gaz et le renvoie au réservoir 38 en vue du début d'un autre cycle. Lorsque le piston 17 passe au niveau de l'obturateur 18, il fait pivoter les organes 51 de l'obturateur, représentés sur la figure 5, autour des pivots 54 vers la position d'ouverture ; cependant, dès que le piston 17 dépassé l'obtura- teur 18, les ressorts 57 ramènent les organes 51 en position de fermeture. Il faut noter que ces organes 51 de l'obtura- teur peuvent être commandés d'une autre manière. Le réglage de la vitesse est obtenu manuellement ou au pied, par déplacement de la tige 96 représentée sur la figure 3, provoquant le déplacement vers la droite de l'arbre 76 sous la commande du levier coudé 93, le ressort 97 ramenant l'arbre vers la gauche. Suivant la position de l'arbre 96, le toucheau 101 vient coopérer avec la partie haute de la came 86 et plus précisément avec le bord incliné 9i si bien que la soupape 21 se soulève malgré la force de rappel appliquée par le ressort 71. Lorsque le toucheaulOl coopère avec la partie 88 d'arrêt en position basse, la soupape 21 est fermée. Celle-ci est toujours fermée lorsque le piston 17 passe au niveau de l'obturateur 18. En outre, la pression dans le cylindre 13 est transmis, par le dispositif évent 49 du joint 46 lors du passage de ce dispositif évent sous l'ob- turateur 18, à la lumière d'échappement 73 comme indiqué sur les figures 4 et 5 afin que la pression soit égalisée de part et d'autre de l'obturateur 18. REVENDICATIONS 1. Moteur, caractérisé en ce qu'il comprend un bloc ayant un cylindre toroïdal, un arbre principal qui peut tourner autour de l'axe du cylindre, un organe en forme de disque, fixé afin qu'il tourne avec l'arbre principal, un piston monté à la périphérie de l'organe en forme de disque et destiné à tourner dans le cylindre toroïdal, le bloc ayant une fente permettant le passage de l'organe en forme de disque, un dispositif d'étanchéité empêchant les fuites du cylindre dans la fente, un obturateur principal disposé dans le cylindre, un dispositif de commande permettant l'ouverture de l'obturateur principal et le passage du piston, et la fermeture de cet obturateur après passage du piston, un dispositif formant une lumière d'entrée dans le cylindre, d'un premier côté de l'obturateur principal, un dispositif formant une lumière de sortie du cylindre, de l'autre côté de l'obturateur principal, un dispositif destiné à transmettre un gaz sous pression à la lumière d'entrée, une soupape d'admission réglant l'admission du gaz dans le cylindre, derrière le piston, afin que celuici soit chassé dans le cylindre, un arbre à cames entraîné en synchronisme avec l'arbre principal, une came montée sur l'arbre, un toucheau de came, un dispositif de connexion articulé du toucheau et de la soupape d'admission, la came ayant une partie haute d'arrêt temporaire ayant une configuration variant progressivement, et un dispositif destiné à déplacer cette partie à configuration variant progressivement et le toucheau l'un par rapport à l'autre afin que la durée de l'ou- verturedela soupape d'admission soit réglée, la partie ayant la configuration variant progressivement étant telle que la longueur de l'arrêt temporaire en position haute varie en direction axiale si bien que le toucheau est soulevé pendant des intervalles de temps variables lorsque la partie de configuration variant progressivement est déplacée axialement par rapport au toucheau. 2. Moteur, caractérisé en ce qu'il comprend un bloc ayant un cylindre toroldal, un arbre principal qui peut tourner sur l'arbre du cylindre, un organe en forme de disque fixé afin qu'il tourne avec l'arbre principal, un piston placé à la pé riphérie de l'organe en forme de disque et destiné à tourner dans le cylindre, le bloc ayant une fente permettant le passage de l'organe en forme de disque, un dispositif assurant l'étanchéité du cylindre contre les fuites au niveau de la fente,un obturateur principal placé dans le gindre, un dispositif de mise en action permettant l'ouverture de l'obturateur et le passage du piston et la fermeture de l'obturateur après le passage du piston, un dispositif formant une lumière d'entrée dans le cylindre, d'un premier côté de l'obturateur principal, un dispositif formant une lumière de sortie dudit cylindre, de l'autre côté de l'obturateur principal, un dispositif destiné à transmettre un gaz sous pression à la lumière d'entrée, et une soupape d'admission réglant l'admission du gaz dans le cylindre derrière le piston qui est ainsi chassé dans le cylindre, le dispositif d'étanchéité comprenant un organe en forme de courroie fixé à l'organe en forme de disque à la périphérie de celui-ci, l'organe en forme de courroie ayant une largeur supérieure à l'épaisseur de l'organe en forme de disque, le bloc ayant une cavité permettant le déplacement de la courroie, et des épaulements remplaçables en forme de disques sont fixés sur le bloc, à l'intérieur par rapport à l'organe en forme de courroie à raison d'un épaulement de chaque côté de l'organe en forme de disque, l'organe en forme de courroie assurant l'étanchéité contre les épaulements. 3. Moteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'organe en forme de courroie a un dispositif évent placé sous le piston et destiné à assurer l'égalisation des pressions avant passage du piston au niveau de l'obturateur principal. 4. Moteur, caractérisé en ce qu'il comprend un bloc ayant un cylindre toroïdal, un arbre principal destiné à tourner autour de l'axe du cylindre, un organe en forme de disque fixé sur l'arbre principal afin qu'il tourne avec celui-ci, un piston placé à la périphérie de l'organe en forme de disque et destiné à tourner dans le cylindre, le bloc ayant une fente permettant le passage de l'organe en forme de disque, un dispositif assurant l'étanchéité au niveau de la fente,contre les fuites, un obturateur formé par deux organes d'obturation ayant des pivots à leur partie supérieure et à leur partie inférieure, sur un premier bord de chacun des organes d'obturation, un premier dispositif élastique repoussant les organes d'obturation en position de fermeture dans laquelle ils sont disposés transversalement au cylindre, les seconds bords et les organes d'obturation, opposés aux premier bords, coopérant, dans la position de fermeture, au centre du cylindre afin qu'un gaz ne puisse pas s'écouler par l'obturateur principal, un dispositif formant une lumière d'entrée dans le cylindre, d'un premier côté de l'obturateur principal, un dispositif formant une lumière de sortie du cylindre de l'autre côté de l'obturateur principal, un dispositif d'introduction d'un gaz sous pression par la lumière d'entrée, une soupape d'admission réglant l'admission du gaz dans le cylindre derrière le piston qui est ainsi chassé dans le cylindre, une boite à soupapes fixée à l'extérieur du bloc près de l'obturateur principal et ayant un collecteur d'admission et un collecteur d'échappement communiquant avec les lumières d'entrée et de sortie respectivement, un siège de soupape formé dans le bote, la soupape d'admission prenant appui contre le siège, le pivot étant articulé dans la bote à soupapes, un second dispositif élastique repoussant les organes d'obturation loin de la bote à soupapes et contre la paroi du cylindre qui est éloignée de la bote à soupapes afin que le cylindre soit fermé de manière étanche au niveau de l'obturateur principal, le piston ayant un nez en forme de coin destiné à chasser les organes d'obturation en postion d'ouverture après contact du nez avec les organes d'obturation. 5. Moteur, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif flamant un cylindre toroidal, un arbre principal placé sur l'axe du cylindre, un piston destiné à tourner dans le cylindre, un dispositif destiné à faire tourner le piston et l'arbre principal ensemble, un obturateur principal placé dans le cylindre, une lumière d'admission placée d'un côté de l'obturateur, une lumière de sortie placée de l'autre côté de l'obturateur principal, et un dispositif d'introduction d'un gaz sous pression par la lumière d'admission, une soupape d'admission commandant le dispositif d'introduction de gaz, un arbre à came, un dispositif de montage de l'arbre à came sur le moteur afin que celui-ci puisse tourner et puisse se déplacer axialement, un dispositif d'entraînement de l'arbre à came en synchronisme avec l'arbre principal, un dispositif de réglage de la position longitudinale de l'arbre à came, un toucheau de came, un dispositif de connexion avec articulation du toucheau et de la soupape d'admission, chaque came ayant une partie haute d'arrêt temporaire comprenant une partie de configuration variant progressivement telle que la longueur d'ouverture de la soupape d'admission varie en direction axiale et telle que, lorsque l'arbre à came est déplacé longitudinalement, la durée d'ouverture de la soupape d'admission est réglée.