Brevet FR2463852A1 — publié le 19810227

La présente invention a pour objet un mécanisme rotatif qui constitue un perfectionnement aux moteurs à combustion interne et aux compresseurs volumétriques, de type rotatif, comprenant une nouvelle combinaison d'éléments fonctionnels qui permettent d'éliminer -tout en simplifiant leur agencement- une grande partie des moyens techniques qu'on rencontre dans les engins traditionnels du type indiqué. Le but de cette invention est d'établir un mécanisme rotatif qui se substitue aux pistons, bielles et vilebrequins ou palettes glissantes dont sont dotés les moteurs à combustion interne et les compresseurs classiques. On connaît en général divers types de moteurs et compresseurs rota- tifs volumétriques, et l'on peut citer parmi eux ceux qui comprennent un rotor presque triangulaire tournant de façon excentrée en frottant par ses trois génératrices dans une carcasse de forme aplatie, sous l'action d'un vilebrequin et en réalisant un volume variable du fait de son mouvement excentré dans la carcasse. Parmi les compresseurs, on connait ceux formés par un rotor cylindrique -équipé de plusieurs palettes glissantestournant dans un cylindre non concentrique avec ce rotor grâce à la force centrifuge, les palettes effleurent le cylindre extérieur, en avançant ou en reculant en fonction de l'espace qui sépare les deux cylindres et en délimitant ainsi un volume variable. Les perfectionnements suivant la présente invention tendent à éli- miner une grande partie des éléments précités,ainsi qu'à réaliser des pièces de construction facile et de longue durée de service. A cet effet, le mécanisme se limite à un cylindre qui fait office de rotor, tournant dans un autre cylindre fixe concentrique au premier et qui sert de carcasse; entre les deux cylindres tournent au moins deux rouleaux cylindriques creux de petit volume, serrés entre le rotor et la carcasse. Pour qu'un volume variable puisse être engendré entre les rou- leaux, il est nécessaire qu'au moins l'un d'entre eux reste immobile, ce que l'on obtient lorsque dans le cylindre extérieur ou carcasse on réalise une ou plusieurs gorges cannelées tout le long d'une génératrice intérieure de celui-ci; comme les rouleaux sont serrés entre les deux cylindres, quand le rotor tourne, ils sont obligés de tourner eux aussi par friction mais en face de la gorge le serrage disparaît et le rouleau patine contre le rotor en restant ainsi immobile, pendant que le ou les autres rouleaux continuent à tourner. La délimitation latérale du volume est assurée par les deux chapeaux ou flasques de la carcasse, lesquels servent aussi d'appui à l'axe du rotor et de moyens de fixation de la carcasse à une embase. On prévoit au moins deux rouleaux ou plus car on peut réaliser dif- - férentes combinaisons pour obtenir soit les cycles d'un moteur à combus- tion interne, soit tout simplement ceux d'un compresseur. Pour éclaircir les explications ci-dessus, on considèrera d'abord le cas d'application à un compresseur d'air, et l'on examinera ensuite les variantes que l'on doit introduire dans le cas d'un moteur. (A) Pour obtenir un compresseur il suffit de deux rouleaux et d'une seule gorge, car lorsque le rotor tourne sous l'effet d'un moteur, un rouleau reste coincé dans la gorge tandis que l'autre tourne entre le rotor et la carcasse en délimitant ainsi entre eux deux chambres qui varient en même temps, savoir: - celle d'admission qui communique avec l'extérieur au moyen d'un orifice constamment ouvert réalisé sur le flasque de la carcasse ou sur celle-ci elle-même, juste à côté de la gorge qui coince le premier rouleau - celle de compression qui communique avec le réservoir d'air comprimé au moyen d'une soupape de rétention pour éviter que l'air ne se ré-expande. Cette soupape peut être située sur le flasque de la carcasse ou sur la carcasse elle-même à côté de la gorge, mais à l'opposé de l'ou- verture d'admission. Au fur et à mesure que le second rouleau s'approche de celui qui est resté fixe, il se produit d'une part une aspiration d'air et de l'autre une compression de l'air qui a pénétré pendant le cycle précédent. Finalement le rouleau tournant touche celui qui est resté fixe et le fait sortir de la gorge en restant lui-même coincé dans celle-ci au moment o il passe sur elle. Pour éviter un choc direct entre les deux rouleaux, il convient de régler la retenue du rouleau se trouvant dans la gorge, par le moyen d'un loquet actionné par un ressort réglable, de telle façon que la compression de l'air elle-même fasse échapper le rouleau coincé dans la gorge. Ce loquet aide la gorge à arrêter le ou les rouleaux situés le long d'une génératrice de la carcasse, parallèle et proche de la gorge. Ce loquet peut être remplacé par un butoir rigide fixé à la carcasse le long de sa génératrice et proche de la gorge cannelée, de façon à ré- duire le rayon de cette carcasse en empêchant le rouleau coincé de sortir de la-gorge; dans ce cas, l'ensemble rotor-rouleau supporte toute la déformation au moment de passer sur ce-petit butoir qui dépasse de la gorge. Le rouleau qui reste coincé dans la gorge sert aussi à maintenir l'étanchéité car, bien que n'étant pas serré comme celui qui tourne, il reste appuyé contre la gorge, cette dernière se trouvant tout au long de la génératrice et contre le rotor o glissent les deux surfaces en contact. Le loquet n'affecte en rien l'étanchéité du volume à condition que ses dimensions ne soient pas trop grandes car il est placé sur une géné- ratrice de la carcasse proche de la gorge et la communication du guide du loquet avec l'extérieur est déterminée par la vis réglant à volonté la pression du ressort. Pour éviter les fuites à travers les extrémités du rotor on dispose sur celles-ci des anneaux cylindriques anti-friction d'une section trans- versale adéquate afin de maintenir l'étanchéité malgré l'usure produite par le frottement contre les flasques de la carcasse. On doit les munir de butoirs pour éviter leur glissement contre le rotor car seules les surfaces en contact avec les flasques précités doi- vent être soumises à l'usure. De même, pour éviter les fuites à travers les rouleaux il faut pla- cer des éléments soit élastiques, soit rigides anti-friction, actionnés par des ressorts dans les deux extrémités de chaque rouleau o il existe un frottement contre les flasques de la carcasse. Il y a lieu de lubrifier les surfaces assujetties à un glissement on y parvient en faisant circuler de l'huile à l'intérieur du rotor -celui-ci étant creux- ce qui permet de lubrifier les paliers de ce der- nier ainsi que les anneaux; de petites quantités d'huile passent à tra- vers ces anneaux et permettent de lubrifier la surface des rouleaux et le rotor; la friction entre le rotor et le rouleau qui reste fixe n'est pas très grande car, comme on l'a déjà vu, le serrage n'est pas excessif, et aux extrémités des rouleaux il est préférable de disposer des éléments rigides anti-friction actionnés par des moyens élastiques. Ce mécanisme'réduit à lui seul la vitesse du moteur entraînant le compresseur car à chaque tour de rotor, le rouleau ne parcourt pas toute la surface du cylindre extérieur, mais seulement une partie de celle-ci en permettant ainsi de régler ladite réduction par modification des dia- mètres du rotor et des rouleaux. Il est évident que le compresseur peut s'adapter à toutes sortes de fluides ou travailler comme une pompe à vide, et dans le cas o l'on injecte une fluide sous pression par l'ad- mission, on obtient un travail moteur sur l'axe, ce qui rend superflues les soupapes de rétention. Pour obtenir un serrage adéquat des rouleaux entre la carcasse et le rotor, on peut disposer deux pièces coniques glissantes sur l'axe de ce dernier, leurs embases étant fixées au cylindre du rotor, de telle façon que lorsqu'on applique les ressorts respectifs sur les pièces glissantes, celles-ci agissent comme des cales-et serrent les rouleaux entre le rotor et la carcasse; cette compression est fonction directe de la force des ressorts et de l'angle de la surface conique. Pour obtenir la transmission de l'effort de torsion entre l'axe et le cylindre formant le rotor, on réalise une jonction striée entre les deux organes, avec le jeu nécessaire pour permettre aux pièces coniques d'agir. Cette solution est adéquate dans le cas d'un moteur à combustion interne o de hautes températures se produisent entre les rouleaux, la carcasse et le rotor. Dans le cas d'un compresseur on peut arriver à des solutions plus simples, o le rotor est la seule pièce rigide avec son axe, toute la déformation de compression retombant sur les rouleaux qui doivent avoir une certaine souplesse au moment de serrage afin qu'ils ne patinent pas contre le rotor et que l'on obtienne une bonne friction de roulement. Le matériau des rouleaux doit dans ce cas s'accorder au fluide à comprimer et peut aller des caoutchoucs synthétiques jusqu'aux aciers à haute élasticité. (B) Dans le cas d'un moteur à combustion interne à quatre temps -soit cycle Otto, ou Diesel- on peut avoir recours à un mécanisme suivant la présente invention; il-existe cependant plusieurs possibilités qu'on détaillera ci-après, plus particulièrement pour un cycle Otto. (1) Cas de deux rouleaux Du point de vue schématique, celui-ci est identique à un compres- seur auquel on ajoute une soupapge d'admission et une autre d'échappement -toutes les deux commandées- plus un distributeur électrique, le tout étant actionné par l'un des deux loquets montés sur ce dispositif et qui sont situés tout près de la gorge qui coince l'un des.7deux rouleaux, cha- cun de ces loquets se trouvant d'un c8té ou de l'autre de ladite gorge. La fonction du loquet est d'éviter le recul du rouleau coincé lors- que l'explosion du combustible se produit et en plus, ce loquet sert pour commander les soupapes et le distributeur car il est relié à l'extérieur et actionne une came qui à son tour agit sur les soupapes. La bougie est logée sur la gorge de la carcasse. En outre on doit associer à l'axe du rotor un volant -nécessaire dans tout moteur- ainsi que le circuit électrique pour faire jaillir l'étincelle dans la bougie au moment précis; l'admission doit être reliée à un carburateur adapté aux dimensions du moteur. Comme dans le cas d'un compresseur, on a deux chambres variant si- multanément, et si par "tour" on entend une révolution complète du rouleau sur toute la surface du cylindre qui fait office de carcasse (révolution qui, comme sus-indiqué, ne coïncide pas avec un tour du rotor) les opérations simultanées réalisées à chaque tour sont les suivantes: aspiration4vacuation, aspiration-compression, explosioncompres- sion, explosion1vacuation; c'est-à-dire qu'il s'agit de deux cycles complets déphasés d'un temps, ce qu'on obtient en commandant les soupapes d'une façon adéquate. En supposant que le rotor tourne dans le sens des aiguilles d'une montre et que la gorge qui coince le rouleau se trouve dans la partie su- périeure, on a du côté gauche de cette gorge la soupape d'échappement et le loquet de rétention de commande, tandis que sur le côté droit l'on trouve la soupape d'admission et le loquet régulateur de la compression, ce dernier étant identique à celui qu'on a vu dans le cas d'un compres- seur et qu'on peut appeler tout simplement: loquet de compression. Pendant le premier tour du côté droit le mécanisme aspire le combustible du carburateur et de l'autre côté il évacue les gaz brûlés. Au deuxième tour, du côté droit il continue à aspirer et de l'autre il comprime ce qui a été aspiré le tour précédent. Au troisième tour du côté droit il fait exploser le combustible comprimé précédemment et de l'autre côté il comprime ce qui a été aspiré pendant le deuxième tour. Au quatrième tour, du côté droit il fait exploser le combustible comprimé au tour précédent et de l'autre il évacue les gaz produits pendant l'explo- sion du troisième tour. Le cycle se renouvelle une fois de plus et ainsi de suite. Le rapport de compression de ce moteur peut se régler par la pro- fondeur de la gorge et cela à volonté en faisant varier la pression du ressort*qui actionne le loquet de compression. Au moment o l'explosion se produit, le rouleau qui est resté coincé dans la gorge ne peut pas reculer à cause du loquet de rétention de commande, de la réaction du rotor et de la friction qui pousse celui-ci contre le rouleau vers le côté opposé à la force d'expansion des gaz. Par contre le rouleau en mouvement, au moment o il reçoit la pres- sion des gaz produits par l'explosion, transmet au rotor un travail moteur, car on ne doit pas oublier que ce rouleau reste serré entre la carcasse et le rotor, et que la friction de roulement est très élevée cette friction disparaît dès que le rouleau pénètre dans la gorge de la carcasse. (2) Cas de trois rouleaux Dans ce cas on prévoit deux gorges diamétralement opposées sur la carcasse, ce qui veut dire qu'il y a en permanence deux rouleaux coincés et un seul en mouvement. De cette manière on parvient à une grande simplicité car on n'a besoin ni de soupapes ni d'aucun mécanisme pour leur actionnement du fait que les ouvertures d'admission et d'échappement se trouvent constamment ouvertes; on a seulement besoin du distributeur avec le circuit électrique pour faire jaillir l'étincelle sur la bougie. Tout près de la gorge sur laquelle on place cette bougie, on ins- talle deux loquets, comme pour le moteur à deux rouleaux; mais dans ce cas il n'y a pas d'ouvertures avec soupapes. Par contre, dans l'autre gorge il y a seulement un loquet comme dans le cas d'un compresseur, tandis que d'un c8té de cette gorge se trouve l'ouverture d'admission branchée au carburateur et de l'autre celle d'échappement, les deux cons- tamment ouvertes. En supposant alors que le rotor tourne dans le sens des aiguilles d'une montre, que la gorge disposant d'une bougie se trouve dans la partie supérieure et que l'on se trouve en état de fonctionnement, c'est-à-dire qu'on a déjà effectué plusieurs tours, si l'on commence le cycle quand un premier rouleau sort de la gorge inférieure, celui-ci aspire derrière lui et comprime devant lui le mélange déjà aspiré pendant le tour précédent, au fur et à mesure qu'il s'approche d'un deuxième rouleau coincé dans la gorge supérieure munie de la bougie; quand le rouleau arrive à la gorge, le loquet de rétention actionne le distributeur et l'étincelle jaillit en faisant exploser le mélange comprimé, ce qui repousse le deuxième rouleau qui se trouvait dans la gorge supérieure, le premier qui a comprimé le mélange prenant sa place. Il convient que l'étincelle jaillisse juste au moment o le premier rouleau entre dans la gorge, c'est±dire après avoir dépassé le loquet, pour éviter son recul au moment o se produit l'explosion. Ce deuxième rouleau qui reçoit derrière lui la force de l'explosion est celui qui transmet au rotor le travail moteur, et à son tour il évacue devant lui les gaz produits durant le tour précédent à travers l'ouverture d'échappement au fur et à mesure qu'il s'approche du troisième rouleau qui se trouve coincé dans la gorge inférieure. Quand il arrive à cette gorge, ce deuxième rouleau reste coincé et c'est le troisième qui se met en mouvement en faisant recommencer le cycle, c'est-à-dire en aspirant d'un côté et en comprimant de l'autre le mélange aspire par le premier rouleau. Dans les moteurs à cycle Diesel on peut aussi réaliser les opéra- tions avec le mécanisme de la présente invention, mais dans ce cas on remplace le distributeur et la bougie du cycle Otto par la pompe à injec- jection et l'injecteur, cette pompe étant actionnée par le loquet de ré- tention de commande déjà mentionné dans les cas 1 et 2. Le dessin annexé, donné à titre d'exemple, permettra de mieux comprendre l'invention, les caractéristiques qu'elle présente et les avantages qu'elle est susceptible de procurer. La figure A est une coupe transversale du mécanisme de l'invention appliqué dans le cas d'un compresseur. La figure B est une coupe transversale de ce mécanisme appliqué dans le cas d'un moteur à trois rouleaux. La figure C est une coupe longitudinale du moteur de la figure B. Dans toutes les figures les mêmes chiffres de référence indiquent des pièces identiques ou correspondantes. Si l'on considère la construction et le fonctionnement, la réfé- rence 1 désigne le rotor cylindrique tournant dans la carcasse 2, elle aussi cylindrique; les rouleaux 3 sont ceux qui roulent entre le rotor et la carcasse. La gorge 4 de cette dernière coince l'un des rouleaux 3 par l'intermédiaire des loquets ou butoirs 5 et 6, 5 étant celui appelé de compression et 6 celui de rétention ou de commande, ce dernier appa- raissant seulement dans le cas d'un moteur. La délimitation latérale du volume est assurée par les flasques 7 de la carcasse qui servent de sup- port à l'axe 8 du rotor. Ces flasques s'ajustent contre le rotor 1 par l'intermédiaire des anneaux 9 et contre les rouleaux 3 au moyen des pièces anti-friction 10. L'ouverture d'admission 11 et celle d'échappement 12 se trouvent à proximité de la gorge 4, la soupape 13 étant celle de rétention dans le cas d'un compresseur. Le distributeur 14 est actionné par le loquet 6 qui fait jaillir l'étincelle sur la bougie 15. Les flasques 7 comportent une ouverture 16 par laquelle on fait circuler l'huile qui lubrifie les paliers 17 de l'axe 8 du rotor 1, les anneaux 9 et les pièces anti-friction 10. Pour éviter les fuites d'huile vers l'extérieur on place des joints de rétention 18. Dans le cas d'un moteur, les flasques 7 servent à fermer la chemise d'eau 19 servant à refroidir la carcasse 2. Il doit d'ailleurs être entendu que la description qui précède n'a été donnée qu'à titre d'exemple et qu'elle ne limite nullement le domaine de l'invention dont on ne sortirait pas en remplaçant les détails d'exécu- tion décrits par tous autres équivalents. R.E V E N D I C A T I 0 N S 1. Engin rotatif du genre des moteurs à combustion interne et com- presseurs volumétriques, caractérisé en ce qu'il comprend un cylindre qui fait office de rotor et qui tourne dans un autre cylindre concentrique qui fait office de carcasse fixée à une embase et munie de flasques latéraux servant de supports à l'axe du rotor, et en ce qu'entre les deux cylindres roulent au moins deux rouleaux cylindriques creux de petite taille comprimés entre le rotor et la carcasse, de telle façon que lorsque le rotor tourne, il transmet par friction le mouvement aux rouleaux et vice-versa de sorte que si le rouleau reçoit une poussée il transmet par friction ce mouvement au rotor, la surface intérieure de la carcasse comportant au moins une gorge cannelée tout au long d'une génératrice, de telle sorte que lorsqu'un des rouleaux passe sur elle, il n'est plus comprimé entre le rotor et la carcasse et reste coincé dans la gorge, tandis que dans cette opération intervient au moins un loquet situé sur au moins un c8té de la gorge, les autres rouleaux continuant à tourner en accompagnant le mouvement du rotor, la disposition qui précède étant capable d'établir entre la carcasse et le rotor deux chambres simultanément variables, reliées à l'extérieur par leurs ouvertures correspondantes situées de façon convenable, ce mécanisme pouvant être adapté pour effectuer les opérations nécessaires d'un cycle moteur Otto ou Diesel, ou tout simplement au cas d'un compresseur ou d'une pompe. 2. Engin suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les lo- quets participant à l'arrêt d'un rouleau sont remplacés par des butoirs rigides fixés à la carcasse tout le long de sa génératrice proche de la gorge cannelée et qui réduisent le rayon de la carcasse en faisasnt sup- porter de ce fait toute la déformation par l'ensemble rotor-rouleau lors- que celui-ci passe sur ces butoirs. 3. Engin suivant l'une quelconque des revendications 1 et 2, carac- térisé par le fait que les rouleaux sont rigides et que la liaison entre le cylindre rigide et l'arbre du rotor est élastique, mais permet en même temps de transmettre un effort de torsion et d'atteindre une compres- sion adéquate des rouleaux entre le rotor et la carcasse. 4. Engin suivant l'une quelconque des revendications 1 et 2, carac- térisé par le fait que les rouleaux sont élastiques et que le rotor cons- titue un ensemble rigide.