Brevet FR2475126A1 — publié le 19810807

Perfectionnement aux moteurs volumétriques rotatifs. La présente invention a pour objet un perfectionnement aux moteurs volumétriques rotatifs. Parmi les moteurs thermiques qui transforment l'énergie thermique fournie par le carburant en énergie mécanique, il faut distinguer deux grandes classes de moteurs: - les moteurs à flux continu du type à turbine à gaz qui fonctionnent suivant le cycle de Joule. - les moteurs volumétriques o la compression et la détente sont obtenues par variation de volume et qui fonctionnent suivant le cycle Beau de Rochas (moteurs à essence) ou Diesel. Aucun des moteurs appartenant à ces 2 classes n'est parfai- tement satisfaisant. - les moteurs à flux continu ont sur les autres l'avantage de la légèreté, ce qui les fait généralement préférer pour les moteurs aéronautiques, mais ont une consommation spécifique élevée, de l'ordre de 200 g par cheval/heure pour les grosses turbines à gaz, chiffre qui peut monter à 300, voire plus, pour les turbines à gaz de petites dimensions. - les moteurs volumétriques à essence et Diesel sont lourds et encombrants, inconvénient grave mais généralement accep- table pour les moteurs terrestres du fait de leur consom- mation spécifique faible (les moteurs Diesel peuvent avoir des consommations spécifiques de l'ordre de 150 g par cheval/ heure). Lesdifférences de consommation spécifique entre les moteurs à flux continu et volumétrique dont il est fait état ci-dessus correspondent au régime maximum continu des deux types de ma- chines. Ces différences sont encore augmentées si on considère les régimes partiels o les moteurs à flux continu ont une consommation spécifique qui augmente rapidement lorsqu'on di- minue la charge, les moteurs Diesel, au contraire ayant une consommation spécifique peu différente et quelquefois m9me améliorée, lorsqu'on diminue la charge. L'analyse à laquelle s'est livrée la demanderesse à ce sujet a abouti aux remarques suivantes d'o découle l'invention. Une des premières raisons de la faible consommation des moteurs volumétriques est justement que la compression et la détente se font volumétriquement, ce qui. fait que les rendements de compression et de détente sont très voisins de 1. En première approximation du reste, on considère généralement que la com- pression et la détente sont isentropiques. En revanche, la com- pression et la détente dans un moteur à flux continu se font avec un rendement nettement différent de 1. Malgré les progrès effectués depuis la naissance des turbomachines, le rendement de compression est de l'ordre de 86% et celui de la détente de l'ordre de 90%. Ces chiffres ne sont du reste valables que pour les turbomachines de grande dimension (et pour une plage étroite de leur fonctionnement), alors que les petites turbomachines (ou les grosses en dehors de cette plage) ont des rendements encore plus éloignés du rendement unité de compression et de détente presque atteint par les moteurs Diesel. C'est un premier but de la présente invention que la compression et la détente se fassent volumétriquement, afin de bénéficier des rendements très proches de l'unité permis par ce type de compression ou de détente. D'autre part, la faible consommation des moteurs volumétriques est due également au fait que la température efficace à prendre en considération dans le cycle est pratiquement très proche de la température stoechiométrique. Cette température est acceptable pour les pièces voisines (cylindre, culasse et pistons) du fait notamment q.e cette température est une température maxi- male atteinte pendant une très petite fraction de la durée du cycle complet de sorte que les pièces, mobiles ou fixes d'ailleurs, n'ont pas le temps de s'échauffer pendant cette fraction du temps et tendraient, même en l'absence de refroidissement, à prendre une température beaucoup plus basse. Pour les moteurs à flux continu, au contraire, et du fait que des pièces, fixes et surtout mobiles, sont en permanence soumises à la température du flux qui les baigne (au lieu d'être soumises à des températures variées avec une pointe très élevée mais de courte durée, et une température va- riable mais toujours beaucoup plus basse en quasi-permanence), on est forcé de limiter, dans l'état actuel des connais- sances métallurgiques, la température maximale de fin de chambre de combustion. Même si localement la température stoechiométrique est atteinte dans la chambre de combustion, la température efficace, c'est-àdire celle qui conditionne le rendement du cycle, est beaucoup plus basse. C'est un des buts de la présente invention de permettre en permanence une température efficace du cycle voisine de la température stoechiométrique. Les deux avantages de l'invention énoncés ci-dessus exis- tent déjà dans d'autres moteurs, notamment les moteurs Diesel. Mais ceuxci ont l'inconvénient d'être lourds et encombrants comme cela peut être apprécié par les remarques ci-après. Un moteur Diesel classique comporte notamment un em- biellage qui transmet les efforts venant soit des gaz sur le vilebrequin (c'est l'effort moteur pendant la détente), soit l'effort du vilebrequin sur les gaz (c'est l'effort pour la compression durant cette phase). Considérés sur le même cylindre, ces efforts sont décalés dans le temps et il est nécessaire de calculer la résis- tance-des pièces (bielles, maneton de vilebrequin, etc..) pour les efforts maximaux sans-compensation possible, donc de les dimensionner pour ces efforts maximaux bien qu'en fait ils soient successivement dirigés en sens inverse l'un de l'autre. On pourrait également dire que pour un multicylindre le dimensionnement des pièces doit tenir compte de l'effort maximal isolément pour chaque ensemble - 10- -;cylindre, bielle, maneton, vilebrequin-sans--compensation possible pour alléger l'ensemble, bien qu'il y ait, en couple moteur (donc à la sortie du vilebrequin) une compensation puisque la compression donne un couple résistant. Chaque bielle notamment doit être calculée et dimensionnée pour l'effort maximal (au début de la com- busiion). C'est un des buts de l'invention, en conservant les avantages de cycle donc de consommation spécifique du moteur Diesel, d'éviter ces inconvénients par une disposition permettant que les efforts de compression et de détente se compensent d'une façon interne. Egalement, une des limites de la puissance disponible pour les moteurs volumétriques est due au problème de leur ali- mentation en air (carburé ou non), du fait de l'exiguïté relative des soupapes ou des lumières d'admission. Dans le cas des soupapes par exemple, elles sont généralement logées dans la culasse (en remarquant du reste que leur commande par arbre à came, le cas échéant tiges de culbuteurs, culbu- teurs eux-mêmes, augmente également la complication, l'encom- brement et la masse). Mais compte tenu du fait que la culasse doit aussi comporter le système d'allumage et/ou le système d'injection, la surface disponible pour les soupapes est généralement un critère limitant pour la vitesse de rotation du moteur. L'étranglement produit par les soupapes est d'ailleurs une des causes de la baisse de puissance qui se produit à vitesse de rotation élevée de tels moteurs. Les moteurs volumétriques de l'art antérieur ont donc, du fait de la difficulté d'alimentation, due à l'impossibilité d'augmenter les sections des soupapes d'admission, une masse importante par unité de puissance. C'est un des buts de la présente invention de fournir une solution à ce problème de l'alimentation grâce à une ad- mission de dimension beaucoup plus grande que les sections d'admission utilisées dans l'art antérieur. De plus, la demanderesse a effectué jadis des essais qui ont montré que le frottement des pistons et de leur garni- ture était plus élevé au point mort haut et au point mort bas qu'au milieu de la course pour les moteurs à pistons alternatifs. En fait, ce qui est en cause n'est pas que le piston soit à un point mort haut ou bas, c'est qu'il soit immobile par rapport au carter. Chaque fois qu'il est immo- bile, le film d'huile qui permet de réduire ces frottements (générateurs de perte et surtout d'usure) est rompu, ce qui limite, malgré tous les progrès effectués, la durée de vie des moteurs volumétriques de l'art antérieur. C'est un des buts de la présente invention de permettre à un moteur volumétrique de n'avoir, en fonctionnement, aucun arrêt momentané des pistons par rapport au carter extérieur. Enfin, il faut remarquer que les avantages de consommation spécifique des moteurs Diesel sur les moteurs à flux continu sous l'aspect consommation n'existent dans leur intégralité que dans le cas des moteurs Diesel quatre temps. Pour la comparaison des moteurs Diesel et de la présente invention, c'est donc ce cas qu'il faut considérer. Par exemple, pour un 4 cylindres Diesel, il y a deux temps moteurs par tour, ou, sous une autre forme, on peut dire que chaque cylindre comporte un temps moteur par 2 tours. C'est un des objectifs de la présente invention que de permettre, au bénéfice de l'encombrement, de la masse, du nombre de pièces, et du coût, qu'il y ait 4 temps mo- teurs par tour. On connaît par ailleurs des moteurs volumétriques rotatifs comprenant un carter fixe délimitant une chambre annulaire dans laquelle sont montés rotatifs dans le mgme sens des pistons qui sont reliés diamétralement par paire au moyen d'un bras et animés d'une variation de vitesse cyclique engendrant une variation de volume de l'espace délimité par les faces radiales des pistons, lesdits espaces entre les.pistons constituant des chambres d'un moteur fonction- nant suivant un cycle à quatre temps.. Toutefois les moteurs connus de ce type ne donnent pas entière satisfaction du fait que - dans tous les cas, le mécanisme de récupération de la puissance, par un système de bielles ou de.cames,est lourd et encombrant, notamment du fait que la compen- sation interne des efforts n'est pas ou n'est que par- tiellement assurée; - de plus, dans tous les cas, l'admission et l'échappe- ment d'air est étranglé dans des conditions analogues à celles des moteurs à piston alternatif - enfin, certains d'entre-eux comportent des carters tournants, et /ou deux chambres de travail au lieu de quatre,etc... Conformément à la présente invention, l'espace annulaire dans lequel se déplacent les pistons est délimité par le carter et une couronne rotative présentant des lumières dans lesquelles sont engagés les bras et qui permettent un débattement angulaire des bras pour le rapprochement et l'é- loignement des pistons, ladite couronne constituant l'arbre moteur de sortie ou étant reliée à celui-ci et étant reliée par un moyen de transmission aux arbres qui sont solidaires des bras portant les pistons. De cette façon, contrairement aux moteurs volumétriques rotatifs de l'art antérieur, l'en- semble du moteur selon l'invention est léger et d'encombrement réduit, et d'un fonctionnement sûr et sans coincement possible. A noter que l'arbre moteur peut être indifféremment d'un c8té ou de l'autre du moteur volumétrique rotatif. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre d'un mode de réalisation et en se référant aux dessins annexés, sur lesquels - la figure 1 est une vue en coupe transversale d'un mode de réalisation du moteur rotatif suivant l'invention - la figure 2 est une vue simplifiée en coupe longitudinale d'un mode de réalisation du moteur rotatif suivant l'in- vention; chaque sous-ensemble étant ramené dans le m9me plan; - - la figure 3 est une vue montrant schématiquement la dis- position dans le sens transversal des moyens de liaison entre les bras portant les pistons et les moyens de transmission de puissance. Aux figures 1 et 2, on a représenté un moteur volumétrique rotatif suivant l'invention qui comporte un carter 1 extérieur fixe limitant un espace annulaire, d'une part périphériquement, d'autre part sur ses faces avant et arrière. Le carter est représenté en un seul élément sur les dessins, dans un but de simplification, mais bien entendu, il comporte le nombre d'éléments nécessaires pour permettre le' montage. A l'intérieur du carter 1 est disposée une couronne rotative 2 qui délimite intérieurement cet espace annulaire dans lequel se déplacent en rotation dans le sens de la flèche F quatre pistons 3, 3a et 4, 4a. Les pistons 3, 3a sont symétriques et reliés au moyen d'un bras 5 et les pistons-4, 4a sont également symétriques et reliés de la même manière par un bras 6. Les bras 5 et 6 sont respectivement rendus solidaires des arbres 27 et 28 par une clavette (non représentée) ou tout autre moyen connu. L'espace annulaire dans lequel se déplacent les pistons, peut présenter une section transversale quadrangulaire comme indiqué sur la figure 2,ou circulaire, par exemple dans les cas les plus simples, ou toute combinaison de secteurs circulaires et de segments de droite notamment. Les faces radiales 7, 8 des pistons adjacents délimitent entre elles des espaces 9, 10, 11, 12 à volume variable qui corres- pondent aux chambres d'un moteur fonctionnant suivant un cycle àquatre temps. L'ensemble constitué par la couronne 2 et les pistons 3, 3a et 4, 4a est entraîné suivant un même mouvement général rota- tif suivant la flèche F, alors que les pistons 3, 3a et 4, 4a sont animés de plus, comme il sera expliqué plus loin, d'une variation de vitesse cyclique correspondant à un mouvement d'accélération et de ralentissement de chaque bras 5, 6 qui pro- voque un rapprochement et un éloignement alternatif des pistons 3, 3a et 4, 4a afin d'obtenir une variation de volume cyclique des espaces-au chambres 9, 10, 11, 12 permettant de réaliser un cycle à quatre temps. Dans la position représentée à la figure 1, la chambre 9 se trouve dans la phase d'admission, la chambre 10 dans la phase de compression, la chambre 11 dans la phase de détente et la chambre 12 dans la phase d'échappement. 24 75125 De cette façon, l'effort nécessaire à la compression qui s'exerce sur une face d'un piston est fourni par le travail de détente des gaz, qui s'exerce sur l'autre face du piston, donc passe directement de l'un à l'autre, ce qui évite l'aug- mentation de la masse et/ou de l'encombrement qui existerait si le dernier effort devait être transporté par la bielle et par le maneton correspondant puis par torsion du vile- brequin, par un deuxième maneton, etc... puis par une autre bielle au piston en phase de compression, comme cela se passe avec les moteurs volumétriques à pistons alternatifs. L'allumage du mélange combustible se produit lorsque l'une des chambres notamment la chambre 10 se présente en regard de la bougie d'allumage 13 qui est montée sur le carter 1. A noter que dans le cas o le moteur fonctionnerait suivant un cycle Diesel, la bougie 13 est remplacée par un injecteur de combustible. Le carter 1 présente aussi une lumière 14 pour l'admission du mélange combustible de gaz dans le cas d'un moteur à allumage ou de l'air frais dans le cas d'un cycle Diesel et une lu- mière 15 pour l'échappement des gaz brOlés. Afin de permettre le débattement angulaire des bras 5 et 6 pour le rapprochement et l'éloignement des pistons, la cou- ronne rotorique 2 comporte des lumières 16, 16a et 17, 17a. Pour assurer l'étanchéité entre le carter extérieur fixe 1 et la couronne intérieure rotative 2 et les faces latérales quand elles existent d'une part et les pistons 3, 3a et 4, 4a d'autre part, ceux-ci sont munis de joints d'étanchéité 18, 19. La figure 1 représente un seul joint à chaque extrémité des pistons mais bien entendu il peut y en avoir plusieurs en série. Dans le cas d'une section circulaire du carter le plan de joint entre la partie fixe 1 et la couronne rota- tive 2 est situé au diamètre moyen du tore. Dans le cas d'une section rectangulaire, le carter extérieur peut comporter trois faces et des segments d'étanchéité sont placés dans la 24 7 5126 1 0 zone de raccordement de la couronne rotative intérieure 2. Le débattement angulaire des pistons et leur longueur déve- loppée sont déterminés par le choix du taux de compression volumétrique à réaliser. On en déduit la dimension néces- saire des lumières 16, 16a, 17, 17a dans la couronne 2 pour le débattement des pistons. Les lumières d'admission et d'échappement peuvent avantageusement avoir la longueur développée correspondant à l'écartement maximal des pistons et la largeur maximale compatible avec le carter fixe. La puissance mécanique produite au niveau des pistons est récupérée sur un arbre lié à la couronne 2, par une "cage d'écureuil" 29, au moyen d'un dispositif de transmission qui comprend une couronne extérieure fixe 20 (voir figures 2 et 3) présentant une denture intérieure 21 avec laquelle engrè- nent deux pignons 22, 22a ayant un nombre de dents égal à la moitié de celui de la couronne 20. Ces pignons 22, 22a sont situés dans des plans différents et ils n'engrènent pas l'un avec l'autre. Sur la "cage d'écureuil" 29 solidaire de la couronne 2 sont prévus des axes 23, 23a diamétralement opposés sur lesquels sont montés rotatifs les pignons 22, 22a et auxquels est relié par un maneton 30, 30a un axe excentré 24, 24a sur lequel est articulée l'une des extrémités d'une bielle 25, 25a dont l'autre extrémité est articulée sur un autre maneton 26, 26a. Les manetons 26, 26a sont-respective- ment solidaires des arbres 27, 28 qui portent les bras 5 et 6 entraînés par les pistons 3, 3a et 4, 4a. A chaque phase active de combustion des gaz, durant laquelle les pistons s'éloignent, chaque pignon 22, 22a est entraîné par la bielle correspondante 25, 25a dans le sens de la flèche Fl. Les axes des pignons étant solidaires de la cou- ronne 2, et du fait de l'engrènement des pignons 22, 22a sur la couronne extérieure fixe 20, la couronne 2 tourne suivant la flèche F2 (donc dans le sens contraire de rotation des pignons 22 et 22a sur eux-mêmes), ainsi que l'arbre de sortie ?475126 auquel l'effort moteur est appliqué. Corrélativement, le système articulé du type à trois barres, constitué par les manetons 30, 30a, les bielles 25, 25a et les manetons 26, 26a est dimensionné de telle sorte que la rotation complète des manetons 30, 30a autour de leur axe 23, 23a entraîne un mouvement alternatif d'oscillation des manetons 26, 26a et donc des pistons entre deux positions extrêmes déterminées par le taux de compression volumétrique choisi. Du fait que les pignons 22, 22a ont un nombre de dents moitié de celui de la couronne 20, ce mouvement alternatif d'oscillation se produit deux fois par tour de la couronne rotative 2 (donc de l'arbre de sortie) produisant un mouvement de rapprochement et d'éloignement des pistons deux fois par tour. Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art au dispositif qui vient d'être décrit sans sortir du cadre de l'invention, et notamment en rempla- çant la couronne extérieure fixe 20, sur laquelle engrènent les deux pignons 22, 22a par une roue dentée fixe portée par le carter, sur laquelle engrèneraient deux pignons planétaires, ayant un nombre de dents moitié de celui de la roue dentée fixe et fixés en deux points diamétralement opposés à la couronne rotative 2. On peut également décaler la position moyenne des manetons 26, 26a par exemple à 90 au lieu qu'ils soient diamétralement opposés, dans leur position moyenne, comme figurant aux dessins annexés. REVENDICATIONS 1. Moteur volumétrique rotatif à combustion interne, compre- nant un carter fixe (1) délimitant un espace annulaire dans lequel sont montés rotatifs dans le même sens des pistons (3, 3a, 4, 4a) qui sont reliés diamétralement par paire au moyen d'un bras (5, 6) et animés d'une variation de vitesse cycli- que engendrant une variation de volume de l'espace (9, 10, 11, 12) délimité par les faces radiales (7, 8) des pistons (3, 3a, 4, 4a), lesdits espaces (9, 10, 11, 12) entre les pistons (3, 3a, 4, 4a) constituant les chambres d'un moteur fonctionnant suivant un cycle à quatre temps,-caractérisé en ce que l'espace annulaire dans lequel se déplacent les pis- tons (3, 3a, 4, 4a) est délimité par le carter (1) et une couronne rotative (2) présentant des lumières (16, 16a, 17, 17Ta) dans lesquelles sont engagés les bras (5, 6) et qui per- mettent un débattement angulaire des bras (5, 6) pour le rap- prochement et l'éloignement des pistons (3, 3a, 4, 4a), ladite couronne (2) constituant l'arbre moteur de sortie ou étant reliée à celui-ci et étant reliée par un moyen de trans- mission aux arbres (27, 28) qui sont solidaires des bras (5, 6) portant les pistons (3, 3a, 4, 4a). 2. Moteur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la couronne rotative (2) s'épanouit en une cage d'écureuil (29) et comporte deux axes (23, 23a) diamétralement opposés sur lesquels sont montés, rotatifs, deux pignons (22, 22a) longitudinalement décalés qui engrènent avec la denture inté- rieure (21) d'une couronne extérieure fixe (20), chacun des pignons (22, 22a) ayant un nombre de dents égal à la moitié de celui de la couronne (20), chacun des pignons (22, 22a) également portant un axe excentré (24, 24a) par rapport à son axe de rotation (23, 23a), et sur lequel est articulée l'une des extrémités d'une bielle (25, 25a) dont l'autre extrémité est articulée sur un maneton (26, 26a) solidaire de l'un des arbres (27, 28) portant l'un des bras (5, 6) reliant une paire de pistons (3 et 3a, 4 et 4a). 24'5126 3. Moteur suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte des organes assurant l'étanchéité entre le carter extérieur (1) et la couronne rotative (2). 4. Moteur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les pistons (3, 3a, 4, 4a) sont munis d'organes (18, 19) assurant l'étanchéité avec le carter extérieur fixe (1) et la couronne intérieure rotative (2). 5. Moteur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la section diamétrale de l'espace annulaire délimité par le carter (1) et la couronne rotative (2) est rectangulaire. 6. Moteur suivant la revendication 1, caractérisée en ce que la section diamétrale de l'espace annulaire délimité par le carter (1) et la couronne rotative (2) est circulaire. 7. Moteur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la section diamétrale de l'espace annulaire délimité par le carter (1) et la couronne rotative (2) est une combinaison de secteurs circulaires et de segments de droites. 8. Moteur suivant les revendications 3 et 6, caractérisé en ce que le plan de joint est situé au diamètre moyen du tore. 9. Moteur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le carter extérieur (1) comporte des lumières (14, 15) pour l'admission et l'échappement des gaz. 10. Moteur suivant la revendication 9, caractérisé en ce que les lumières (14, 15) pour l'admission et l'échappement des gaz ont la longueur développée correspondant à l'écartement maximal des pistons (3, 3a, 4, 4a) et la largeur maximale compatible avec le carter fixe (1). 11. Moteur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le carter (1) comporte un logement pour le montage d'un in- jecteur de carburant pour un moteur fonctionnant suivant le cycle Diesel. 12. Moteur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le carter (1) comporte un logement pour le montage d'une bougie d'allumage (13) pour un moteur fonctionnant suivant le cycle à allumage.