Brevet FR2407347A1 — publié le 19790525

La présente invention est du domaine des machines pour la transformation de 1' énergie, à savoir : soit la transformation de l'e- nergie mécanique développée Par un arbre en rotation en énergie mécanique con- tenue dans un gaz comprimé, soit l'énergie mécanique contenue dans un gaz com- primé ou l'énergie chimique contenue dans un carburant en énergie mécanique recueillie sur un arbre en rotation. les machines de ce type comprennent essentiellement et respectivement les oompresseurs d'une part et les moteurs à gaz comprimés ou à combustion interne d'autre part. On connait la manière de transformer l'énergie contenue dans un gaz comprime en énergie recueillie sur un arbre et vice versa au moyen d'un mécanisme à piston et cylindre et bielle-manivelle. On connait enoore des moteurs à combustion interne ou encore à explosion fonctionnant selon un cycle à quatre temps par exemple, dans lesquels l'air de combustion mé- langé à un carburant est introduit dans le cylindre au moyen d'un orifice dit d'admission alternativement ouvert ou fermé au moyen d'une soupape, et dans lesquels les gaz de combustion sont évacués du cylindre par un autre orifice dit d'échappement également fermé par une soupape.Les soupapes sont commandées en ouverture ou en fermeture à l'aide d'un mécanisme complexe de cames et de culbuteurs sous la dépendance de l'arbre-moteur. On connaît aussi notamment dans les moteurs en étoile la maniera de grouper sur un même pied-de-bielle d'une bielle maitresse plusieurs biellettes.Un certain nombre d'inconvénients sont liés à l'utilisation de tels mécanismes de soupapes, au nombre desquels l'encrassement des soupapes et de leur siège conduisant à une perte d'étanchéi- té du cylindre, le coût élevé du mécanisme de commande, l'usure de celui-ci qui entraine des réglages fréquents des culbuteurs, etc... L'un des buts de la présente invention est de pour poser une machine assurant la transformation reversible de pression de gaz en un moment de peuple d'un arbre, ladite machine ne comportant pas de soupapes et de mécanisme de commande de ces dernières. Un autre but est de proposer une machine dans laquelle le refroidissement du ou des cylindres soit assuré par un fluide gazeux circulant à tres grande vitesse autour des cylindres. Un autre but est de proposer une machine dont la oonstitution soit à la lois simule et compact et ne réclame pour sa construction qu'un usinage réduit, et soit ainsi, à la fois, peu encombrante et peu coûteuse. Selon l'invention dans sa généralité, une machine pour la transformation reversibte d'une pression de fluide en un moment de couple, ladite machine comportant au moins un cylindre pour contenir ledit fluide sous pression,ledit cylindre étant fermé d'une part par un piston mobile en translation axiale alternative dans le cylindre, les mouvements du piston dans le cylindre correspondant successivement aux phases, ou "temps", d'un cycle, et d'autre part par une culasse, ladite culasse pouvant comporter une pluralité d'orifices tels que d'admission, d'échappement, d'allumage, et des moyens dits premiers pour transformer reversiblement le mouvement de translation du dit piston au moins en un mouvement de rotation d'un arbre, est principalement caractérisée en ce qu'elle comporte une surface dite de glissement pourvue au moins d'un groupe de lumières constituant lesdits orifices, ladite surface étant destinée à servir de culasse au dit cylindre au moins, et des moyens, dits seconds pour déplacer ledit cylindre au moins en glissement contre ladite surface et le faire passer successivement au droit des dites lu mières, les dits premiers et seconds moyens étant combinés de fa çon telle que le passage du dit cylindre au moins-au droit d'une certaine lumière et le mouvement du piston correspondent au "temps" de cycle affecté à ladite lumière Toujours selon l'invention dans sa généralité, une telle machine est caractérisée à titre secondaire par une première pluralité de groupes de lumières, lesdits groupes étant angulairement équirépartis autour d'un axe de symétrie de ladite surface formant culasse, ladite surface étant solidaire d'un carter fixe et formant avec lui un stator, et par une seconde pluralité de cylindres et pistons supportés par un rotor, et angulairement répartis autour d'un axe de symétrie de celuici, les axes du dit stator et du dit rotor et du dit arbre etant confondus. il résulte d'une telle conception générale de machine, la suppression des mécanismes classiques d'admission et d'échappement et de ce fait une grande simplification de construction. On notera que les caractéristiques sus-décrites s' On notera qu'une machine de l'invention quels que soient les genres ou les types sus-visés peut être aussi bien à cylindres et pistons axiaux, dans ce cas l'axe de chacun des cylindres est parallèle à l'axe de l'arbre, qu'à cylindres et pistons radiaux, dans ôe cas l'axe de chacun des cylindres est perpendiculaire à l'arbre ; au nombre de cette seconde catégorie appartiennent notamment les moteurs et les compresseurs cylindres en étoile. Par application des caractéristiques sus-enoncées aux machines du genre moteur, dans lesquels le fluide est mis sous pression par combustion interne d'un carburant, ladite machine pouvant constituer de ce fait une machine motrice fonctionnant selon un cycle à quatre temps, une machine-motrice, ou moteur, conformément à l'invention est en outre caractérisée en ce que chaque groupe de lumières s'étend sur un secteur angulaire divisé en quatre sous-secteurs égaux, dits respectivement d'admission, de compression, de détente et d'échappement, en ce qu'une lumière d'admission est située sur le secteur d'admission, en ce qu'une lumière d'échappement est située sur le secteur d'échappement, et en ce qu'une lumière dite "d'allumage" est située sur l'un des secteurs de compression et de détente et au voisinage de l'autre ;; la machine peut constituer de ce fait un moteur du type "à carburateur", si du carburant est admis dans le cylindre en même temps que l'air de combustion. La machine peut aussi constituer un moteur du type " injection", si en outre une lu mière dite d'injection est située sur le secteur de compression entre la lumière d'allumage et le secteur d'admission ; dans ce cas de l'air seul sera admis à la lumière d'admission. Selon une forme particulière d'application de l'invention aux moteurs, et notamment aux moteurs à injection, une machine de l'invention conforme aux caractéristiques sus énoncées est en outre caractérisée en ce que ladite surface de glissement formant culasse est une surface cylindrique inte- rieure du carter fixe ou stator, et en ce que lesdits cylindres supportés par le rotor ont leur axe perpendiculaire à l'axe de symétrie de ce dernier, perpendiculaire à ladite surface et perpendiculaire à l'arbre-moteur. Un tel moteur est donc un moteur à cylindres en étoiles rotatifs dans un carter cylindrique fixe. Cette disposition, bien que paraissant limitée dans les combinaisons possibles du nombre de cylindres et du nombre de groupe de lumières ou encore de cycles par tour de cylindre,-présente des avantages majeurs à savoir : la simplicité de réalisation d'un carter cylindrique, la robustesse d'une telle forme, et la simplicité du mécanisme d'embiellage. Selon une'forme préférée de réalisation d'un tel moteur ladite première pluralité de groupe de lumières est de deux, ladite seconde pluralité de cylindres et pistons est de trois, lesdits premiers moyens étant constitués par un système de bielle-manivelle accouplé à l'arbre-moteur conformé en vilbrequin, lesdits seconds moyens sont constitués par un engrenage comportant une couronne dentée intérieurement solidaire du rotor, un pignon de commande solidaire coaxialement de l'arbre-moteur et au moins un pignon intermédiaire solidaire du stator pour engrener sur la couronne et sur le pignon de commande, et le rapport du nombre des dents de la couronne au nombre de dents du pignon de commande est de trois. De préférence aussi le carter ou stator est une enceinte cylindrique fermée par un flasque et par un fond pourvus l'un et l'autre d'un alésage axial pour le passage d'un demi arbre-moteur avant et d'un demi arbre-moteur arrière respectivement, et ledit carter ou stator, son flasque de fermeture et son fond sont pourvus au moins extérieurement d'ailettes de refroidissement. De préférence encore, ledit rotor est une pièce creuse approximativement prismatique, formant logement pour ledit système de bielle-manivelle et pour lesdits pignons et couronne, et pourvue sur ses deux faces latérales de segments circulaires d'étanchéité formant joints avec le flasque et le fond respectivement, d'oit il résulte que le rotor peut constituer un carter d'huile pour la lubrification de l'embiellage et de la pignonerie. D'une façon générale enfin chaque cylindre d'une machine de l'invention quelqu'en soit le genre ou le type est de préférence pourvu à son extrémité voisine de la culasse d'un segment flottant dont un bord dit extérieur épouse la surface formant culasse, et dont un bord dit intérieur est emboité à l'extrémité du cylindre et est pourvu d'au moins une rainure pour loger au moins un segment d'étanchéité d'emboitement ; de préfé- rence le segment flottant est appliqué,à l'aide de ressortspar exemple,. contre la surface de glissement. La présente invention sera mieux comprise à la description qui va être faite à titre d'exemple d'un moteur à injection.à quatre temps et trois cylindres tournant dans un carter cylindrique à deux cycles, en relation avec les figures des planches annexées dans lesquelles Les fig.la à Id sont des schémas explicatifs du fonctionnement d'un tel moteur, La fig.2~est un diagramme illustratif des positions successives des pistons dans un tel moteur, La fig.3 est une coupe simplifiée, par un plan perpendiculaire à l'axe de l'arbre-moteur du moteur des figures précédentes, illustrant certains détails d'exécution, La fig.4 est une coupe analogue du même selon un plan contenant ledit axe, La fig.5 est une coupe du segment flottant, et La fig.6 est un schéma illustrant l'or- ganisation d'ensemble d'un moteur des figures précédentes appliqué à l'automobile. La portée de la présente invention sera aussi illustrée par la description sommaire d'un moteur à barillet mettant en oeuvre les principes de l'invention et représenté sur les figures suivantes, dans lesquelles La fig.7a est une vue de profil d'un tel moteur, et La fi.7b est une vue de face côté culasse. Sur les fig.la à Id un moteur conforme à l'invention comprend essentiellement un rotor 1 supportant trois cylindres et leurs pistons, respectivement 2, 3 et 4 et un carter à paroi cylindrique 5 contre laquelle glisse l'extrémité des pistons opposée au rotor 1 ; chaque piston est relié à un axe de bielle 6 par des bielles ou biellettes pour entrainer en rotation un arbre-moteur 8 conformé en vilbrequin ; des moyens (dits, plus haut, seconds) et non représentés sur la figure permettent l'entrainement en rotation du rotor et des cylindres suivant la flèche 13. La surface cylindrique du carter est pourvue de deux groupes de lumières telles qu'une lumière d'ad- mission 9, une lumière d'injection 10, une lumière d'allumage Il et une lumière d'échappement 12 ; les lumières de chaque groupe sont réparties sur une moitié de circonférence, chaque moitié de circonférence étant divisée en quatre sous-secteurs correspondant chacun à un "temps"I d'admission, II de compression, III de déten te ou explosion, IV d'échappement ; ces temps sont les "temps", ou phases, conventionnels d'un cycle de moteur à combustion interne à quatre temps ; chaque lumière est placée dans le secteur qui lui correspond, en une position définie par le caclcul et/ou par l'expérience.Ainsi sur la fig.2 on a représenté avec plus de pré cision la position des lumières dans leur secteur respectif, avec en regard la trajectoire 16 suivie par l'axe de tête de bielle des pistons. Sur la fig.la plus précisément, le piston du cylindre 2 a très légèrement dépassé sa position extrême d'admission (c'est-à-dire qu'il est très proche du rotor), le cylindre 2 est rempli d'air. Entre la fig.la et lb le rotor a tourné, le vilbrequin a tourné en sens inverse et le piston du cylindre 2 a comprimé l'air contenu dans le cylindre, et Sur la fig.lb une injection de carburant est effectuée en 10 dans l'air comprimé du cylindre. Entre la fig.lb et lc le rotor a tourné très légèrement, et Sur la fig.lc une étincelle est provoquée à la bougie 1 qui enflamme le mélange de gaz comprimé et de carburant, accroissant ainsi de façon considérable la pression dans le cylindre. Entre la fig.lc et 1d le gaz sous pression a agi en se détendant sur le piston pour le rapprocher du rotor, se faisant a fait tourner l'arbre-moteur d'un certain angle, l'arbre-moteur ayant fait lui-même tourner le rotor d'un autre angle en sens inverse. Ainsi pendant que les opérations précitées relatives au cylindre 2 se sont déroulées, le cylindre 3 a successivement "échappé" (la), "admis" (lb), "comprimé" (tic) et va bientôt subir une injection (Id), et le cylindre 4 a successivement subi la détente des gaz (la), "échappé" (lb) et (lc) et se trouve en début d'admission (nid). Sur les fig.3 et 4 un moteur des figures précédentes comporte, avec les mêmes références, un certain nombre d'éléments ou organes déjà cités : on y remarque en outre particulièrement la constitution de ltembiellage comprenant une bielle-maîtresse 21 sur le pied-de-bielle de laquelle sont articulées des biellettes 41 et 41' des pistons des cylindres 3 et 4 respectivement ; la bielle maîtresse 21 est articulée par l'intermédiaire d'un roulement à aiguilles 24, sur l'axe de bielle 23 de l'arbre 8 conformé en vilbrequin (comme cela est mieux visible sur la fig.4).Deux mannetons 25 et 26 servent de supports à l'axe de bielle et constituent des masselottes d'équilibrage pour les deux demi-arbres 8' et 8" sur lesquels ils sont calés respectivement ; l'ensemble de ltembiellage et du vilbrequin conte titue des moyens, dits plus haut, premier, pour transformer le mouvement alternatif des pistons, en un mouvement continu de rotation de l'arbre. On remarque encore particulièrement sur les fig.3 et 4 et notamment sur la fig.3, une pignonerie ou engrenage comprenant un pignon de commande 31 calé axialement sur l'arbre 8, une couronne dentée intérieurement 32 solidaire du rotor 1, et un groupe de trois pignons intermédiaires 33 so- lidaires du stator par leurs axes tels que 34 ; cet ensemble de pignons constitue les moyens, dits plus haut, seconds pour entrainer le rotor en rotation et placer les cylindres en glissement contre la surface 5 ; il est clair que, l'allumage étant provoqué avec un léger retard sur le passage de la bielle 21 à l'aplomb de la bougie 11, la descente du piston entrainera une fuite de l'axe de bielle 23dans le sens de la flèche 35 et en conséquence une rotation de l'arbre dans le sens de la flèche 36, qui lui même engrenant sur les pignons intermédiaires 33 les fera tourner en sens inverse ; les pignons 33, d'axe fixe, engrenant sur et à l'intérieur de la couronne 32 la feront tourner dans le même sens qu'eux ; ainsi le rotor 1 solidaire de la couronne tournera dans le sens inverse de arbre 8.De plus si le rapport du nombre de dents de la couronne à celui du pignon de commande est de trois, un demi-tour de l'arbre-moteur entrainera un sixième de tour de la couronne en sens inverse, c'est-àdîre replacera le rotor dans une situation équivalente vis à vis de l'autre moitié du stator puisque un sixième de tour sépare des situations équivalentes du rotor par rapport au stator. De plus il semble que la cinématique particulière des pistons (très faible "trainée") soit tout à fait favorable à une utilisation optimale de la détente du gaz chauffé par explosion. On remarque aussi sur les figures précé- dentes à l'extrémité des cylindres voisine de la surface cylindrique la présence d'un segment "flottant" 37 destiné à assurer l'étanchéité du glissement du cylindre contre la surface. On remarque aussi sur ces figures la présence d'ailettes 47 dont sont pourvues les faces extérieures du stator, et 48 dont est pourvu la face latérale du fond 49 du carter ; les ailettes extérieures sont destinées à augmenter la surface d'échange de chaleur du stator avec l'air ambiant, tandis que les ailettes intérieures sont destinées plus spécialement à favoriser la turbulence à l'intérieur du stator ; on remarque aus si que les cylindres sont également pourvus d'ailettes comme cela est classique dans les moteurs refroidi à l'air. On remarque encore sur lafig.4, que le stator est constitué d'un carter cylindrique fermant avec son fond 49 une pièce unique alésée axialement pour permettre le passage du demi arbre 8", et d'un flasque 85 s'emboîtant sur le carter et alésé lui aussi pour permettre le passage du demi arbre 8'. On remarque enfin sur cette figure la présence de segments circulaires 86 et 87 logés chacun dans une rainure de chacune des faces latérales du rotor 1 ; grâce à ce segment la cavité intérieure du rotor est isolée de l'espace dans lequel se déplacent les cylindres, et peut ainsi constituer un carter pour l'huile de lubrification de l'embiellage et de la pignonerie ; de préférence les segments circulaires 86 et 87 sont légèrement décentrés par rapport à l'arbre. Sur la fig.5 un segment flottant tel qu'un segment 37 des figures précédentes, est pourvu d'un bord supérieur 40 dont la forme lui permet d'épouser la surface de glissement ; deux segments circulaires 41 et 42 logés dans des gorges extérieures d'une partie tubulaire 43 sont destinées à venir en appui contre la surface intérieure d'un cylindre de moteur ; une collerette circulaire 44 sert de butée au segment pour lui éviter de glisser dans le cylindre et de surface d'appui du segment flottant au démarrage ; avantageusement des guides tels que 46 de positionnement angulaire du segment flottant par rapport au cylindre peuvent être supportés par la collerette pour être logés dans des évidements correspondants ménagés dans l'é- paisseur du cylindre. Sur la fig.6 un moteur 50 tel que celui des fig.3 et 4 par exemple, est représenté accompagné de ses accessoires de fonctionnement, tel que par exemple il pourrait être utilisé dans une automobile ; ainsi sur le demi-arbre arrière 51 sont montés successivement une couronne de lancement formant volant inertie 52 pouvant être entraînéepar un lanceur 53, un mécanisme d'embrayage 54 et une boite de vitesse 55 à double sortie 56 en direction des roues motrices ; le demi-arbre avant 57 entraine une pompe d'injection 58, un générateur d'électricité 59 et un distributeur d'allumage 60 ainsi qu'une pompe à huile 61 ; on rappelle que la pompe à huile 61 est destinée à faire circuler de l'huile de lubrification à l'intérieur du rotor ; avantageusement, un ventilateur 62 pulse de l'air frais sur le carter du moteur 50 ; il y a lieu de signaler le faible encombrement d'un moteur de l'invention dont la hauteur en particulier ne dépasse pas celle d'un moteur classique mais dont l'encombrement sur l'axe est très réduit. Sur les fig.7a et 7b un moteur à cylindre axial ou à barillet se compose d'une partie fixe ou stator 71 et d'une partie mobile ou rotor 72 ; la partie fixe comporte une plaque circulaire 73 dont la face intérieure 74 constitue une surface de glissement formant culasse pour des cylindres tels que 75 supportés par le rotor ; dans le cas de figure la plaque 73 est pourvue d'une première pluralité de trois groupes de lumières telles que d'admission 76, d' injection 77, d'allumage 78 et d'échappement 79 au droit desquels se déplace une seconde pluralité de quatre cylindres tels que 75 ; dans un tel moteur l'arbre 80 pourra être par exemple entrainé directement par le rotor ; on remarquera enfin qu'un tel moteur atteint également les buts proposés par l'invention. Bien que des exemples de réalisation aient été donnés à titre illustratif, il doit être compris que la portée de l'invention n'est pas limitée à ces réalisations mais qu'elle s'étend à la généralité de l'invention définie par les revendications qui suivent. REVENDICATIONS 1.- Machine pour la transformation reversible d'une pression de fluide compressible en un moment de counle, ladite machine comportant : un carter fixe appelé stator et dans le stator une pièce de rotation appelée rotor, ledit rotor supportant au moins un cylindre pour contenir ledit fluide sous pression, ledit cylindre étant fermé d'une part par un piston mobile en translation axiale alternative dans le cylindre, les mouve ments du piston dans le cylindre correspondant successive ment aux phases ou temps d'un cycle, et d'autre part par une surface de glissement pourvue d'au moins un groupe de lumiè res d'admission et d'échappement, ladite surface servant de "culasse continue" au dit cylindre, ladite machine comportant en outre des moyens dits premiers pour transformer reversi blement le mouvement de translation du piston dans le cylin dre en un mouvement de rotation d'un arbre, et des moyens, dits seconds, pour déplacer ledit cylindre au moins contre ladite surface au droit des dits orifices en synchronisme avec les temps d'un cycle, caractérisée:: - en ce que ledit carter fixe, ou stator, est pourvu inté rieurement et extérieurement d'ailettes et en ce que ledit cylindre est aussi pourvu d'ailettes, d'où il résulte que la chaleur dévelop pee dans le cylindre peut être transmise de façon optimale à l'extérieur du carter, les ailettes intérieures du carter étant destinées aussi bien à augmenter la surface d'échange qu'à favoriser la turbulance, et - en ce que ledit cylindre au moins est pourvu à son extrémi té voisine de la culasse d'un segment flottant dont un bord dit extérieur épouse la surface formant culasse, et dont un bord dit intérieur est emboité à l'extrémité du cylindre et est pourvu d'au moins une rainure pour loger au moins un seg ment d'étanchéité d'emboitement d'où il résulte que grace à l'étanchéité permanente ainsi réalisée, ledit cylindre au moins peut n'être supporté par le rotor qu'd son extrémité la plus éloi gnée de la surface ce qui autorise au mieux le transfert de la chaleur depuis le cylindre jusqu'à la face extérieure du carter ; 2.- Machine selon la revendication 1, caractérisée en ce que ledit segment flottant est en outre pourvu d'une collerette servant de butée au segment pour lui éviter de glisser dans le cylindre et de surface d'appui lors du démarrage 3.- Machine selon la revendication 2, caractérisée par des guides de positionnement angulaire du dit segment flottant par rapport au cylindre, lesdits gui des étant avantageusement supportés par la collerette pour etre logés dans des évidements correspondants ménagés dans l'épaisseur du cylindre ; 4.- Machine selon la revendication 2, caractérisée par des ressorts pour appliquer le segment flottant contre ladite surface de glissement ; 5.- Machine selon la revendication I, et dans laquelle l'axe des cylindres est perpendiculaire à l'axe commun du rotor, -du stator et de l'arbre moteur, lesdits cylindres étant montés "en étoile" par rapport à l'axe de l'arbre-moteur, caracté risée en ce que l'arbre-moteur,comportant deux demi-arbres,est supporté par le stator alésez axialement pour permettre le passage des demi-arbres, d'où il découle que le rotor est calé en rotation sur des mannetons de l'arbre-moteur 6.- Machine selon la revendication 5, caractérisée par un segment circulaire logé dans une rainure d'au moins une face du rotor, ledit segment cArculai- re étant destiné à isoler une cavité intérieure du rotor con tenant l'embiellage, de l'espace dans lequel se déplacent les cylindres 7.- Machine selon la revendication 6, caractérisée = en ce que ledit segment circulaire est un logement excentré par rapport à l'axe de l'arbre-moteur 8.- Machine selon la revendication 6, caractérisée par une pompe à huile destinée à faire circuler de la lubrification dans ladite cavité du rotor, d'où il résulte que grâce au segment cir culaire assurant une bonne étanchéité de la cavité intérieu re du rotor, l'huile de lubrification peut être injectée sous pression, d'où il résulte finalement que le rotor peut être supporté en rotation directement par les mannetons de l'arbre-moteur ; 9.- Machine selon la revendication 1, caractérisée en ce que ladite surface de glissement est en outre pourvue d'une lumière dite d'injection située entre la lumière d'admission et la lumière d'échappement, d'où il résulte que la machine peut cons tituer un moteur à combustion interne du type "à injection" 10.- Machine selon la revendication 1, caractérisée en ce que ledit carter fixe ou stator est constitué par un carter cylindrique formant avec son fond une pièce unique, et par un flasque emboitable sur ledit carter, ladite surface de glissement étant ainsi la surface cylindri que intérieure du carter, d'où il résulte que le rotor peut être re tiré facilement du stator ; 11.- Machine selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'axe du dit cylindre au moins est parallèle à l'axe de l'arbre-moteur, d'où il résulte que ladite machine peut constituer une machine du type "à barillet".