Brevet FR2487001A1 — publié le 19820122

MOTECRS A FLUIDES GAZEUX A HAUT RENDEMENT? ECONOMIQUES La présente invention concerne tous les moteurs dont l'énergie est fournie par un fluide gazeux compressible et décompressible. en permettant une augmenta- tion de l'effort exercé sur le piston mobile; alternatif où rotatif, par une augmentation de la section recevant la pression interne du gaz ( ou de la vapes au fur et à mesure de la détente. Actuellement tous les moteurs à fluide à variation de pression, qu'il s' agisse de moteurs à vapeur où à ait comprimé ( cycle à 2 temps ) où de moteurs thermiques à axplosion, à Diésel où semi-diésel du cycle à 4 temps où du cycle dit à 2 temps qui est impropre puisque 2 temps s'effectuent sous le piston et les 2 autres temps sur le dessus du piston, sont soit des moteurs à pistons al- ternatifs soit des moteurs dits rotatifs. Dans tous ces moteurs quelq qu'ils soient la puissance est déterminée par 3 éléments qui sont : A ) la vitesse seconde du mobile B ) la pression au centimétre carré qui diminuant au fur et à mesure de la course est évaluée en pression moyenne C ) la section du mobile recevant la pression. Or, dans tous les cas, depuis des générations qui remontent à CUGNOT et à DENIS PAPIN, tous ces éléments mobiles que l'on appelle les pistons présentent à toua moments de leur effort une section unique et égale, et il en résulte que les éléments fixes de ces moteurs , parois et culasses redoivent à égalité de pression un effort neutre de beaucoup supérieur à l'effort utile. exerce, sur le mobile quel qu'il soit. Le dispositif selon la présente invention permet d'éviter ce qui avait jusqu'à ce jour été considéré comme une nécéssité. En permettant une augmentation croissante de la section du mobile au fur et à mesure de son déplacement pendant la-produrtion de l'effort moteur on obtient non pas une pression mais une ACTION motrice beaucoup plus importante que dans tous les moteurs actuels. Il n'y à aucun phénoméne de modification de la pression du fluide en détente, l'élément physique est inchangé le pression-moyenon du fluide étant à multiplier non paa par une section constante mais par une section moyenne entre la minima et la maxima du même mobile. Le dispositif de l'invention ne peut etre réalisé que par une machine à piston tournant offrant plusieures possibilités de réalisation suivant le fluide moteur utilisé, suivant qu1il s'agit de produire des petits moteurs où des gros groupes industriels et suivant qu'il s'agit de réaliser un cycle à 2 temps pour la production de force par la vapeur où l'air comprimé, où de réaliser des moteurs thermiques à 4 temps. par I Ceci est exprimé différents schémas qui sont: j Figure 1 - Un cycle à 2 temps par tour. Dans un stator (1) tourne en excen I trement un rotor (2) fixé sur un arbre central (3) Un écran d'étanchéite (6) qui peut être une palette commandée de l'extérieur par un moyen mécanique est en contact permanent avec où sans segmentation à la fois sur la paroi du rotor et sur la paroi interne du stator formant ainsi une séparation mobile étanche. Le fluide est introduit dans une chambre (8) dont le volume correspond aur taux de détente que l'on désire obtenir à la fin de la rotation du mobile compte tenu du volume de vide entre stator et rotor entre le point (A) de l'écran de séparation et le point (B) de jonction tangentielle du rotor. La section de mobile recevant l'effort est d'une longueur A-B . L'effort exercé par le fluide est 100% positif jusqu'à ce que ce point tangentiel du rotor se trouve à 180 de rotation du point (a') et ne commence qu'à ce moment à être soumis à un effort nég@tif de conte pression d'autant plus minime que la détente s'est partiellement opérée, la résultante restant positive jusqu'au point d'ouverture d'échappement indiqué par une fléche ( ECH ) La figure 2 représente le même processus a 2 cycles au tour pour rotor les effets de la contrepression et augmenter la course en produisant 2 f@ia l'effor sur le rayon de manivelle qui est égal à celui de l'excentrement du rotor (2) par rapport à l'arbre (3) Ces 2 premiéres figures sont également valables pour le cas d'un @@teur du cycle à 4 temps, la chambre (8) devenant une chambre de combustion dans laquelle sont introduits sous pression totale où partielle les gaz admis et précomprimés soit dans un appareil similaire @u présent moteur mais décalé angulairement sur le même arbre, soit par tout autre moyen mécanique connu suivant l'importance et les caractéristiques du moteur, essence, Diésel, (bpar exemple simple piston dans un cylindre, soit une sou@flerie où tout autre moyen dosant trés exactement le volume de gaz à admettre en fonction du tauz de compression que l'on désire utiliser et qui est indépendent du ara do la detente a obtenir Les figures suivantes représentent des moteurs réalisant par leur rotation l'augmentation de la section de travail sans @ucun excentrement et donnant des possibilités de régimes élevés que les 2 premiéres solutions ne permettent pas d'obtenir car leur vitesse est limitée par la vitesse de propogation du fluide utilisé, d'est ainsi que par exemple un rotor de 0,20 centimétres de diamétre ayant une circonférence de 63 centimétres environ @e permettrait qu'une vitesse de rotation d'environ 48 tours seconde si l'on envisage une vitesse de propagation de la flamme d'un moteur à explosion à 30 métres seconde. Même dans le cas de la figure 2 qui donne 2 temps moteurs par tour, ce régime ne sera pas dépassé car les 2 tours se suivent sur la même révolution. La figure 3 représente un moteur à rotor sans excentrement qui présente 3 faces de travail. Le stator (1), le rotor (2) pivotant autour de 1(arbre central (3) à pour chaque face de travail son propre écran où palette (6), son propre échappement ( ECH ) et la segmentation est tangentielle à un point constant. Le travail utile se fait seulement entre le point (A) respectif de chaque phase et ne se termine par l'effet de la rotation qu'en (B) ouverture de l'echappement, situé plus où moins loin de son point d'explosion suivaut la coatrepresi * sion que l'on veut admettre. Les parois tangentielles du rotor ayant contact avec le stator sont préférablement suffisemment larges pour obturer au P.M.H. ( Point Mort Haut ) le débouché de la chambze (8) où @@ produit l'explosion où dont le volume est exactement su d@sage du taux de compression où de l'admission du fluide ( vapeur ) avec commande de la distribution de ceux-ci. Dans cette figure les 3 phases s@mlutanément. Il y à en fait 3 moteurs par tour ce qui permet avec une meme limitation de la vitesse d'écoulement du fluide où de la propagation des gaz brulés d'avoir une vitesse de rotation égale à 3 fois celle du fluide, donc d'améliorer le rapport puissance poids-encombrement et en outre d'équilibrer la masse en mouvement circulaire et les efforts éxercés à tout moment sur l'arbre qui se trouvent neutralisés par leur propre action La figure (4) à les mêmes caractéristiques que la figure 3, mais il est indiqué ici 4 faces de travail, le nombre de ces faces n' étn--t pas pouvant etre de 5, 10 cù plus suivant la machine fonctionnant selon le principe de l'invention qui permet de réduire de plus de 80% le poids et l'encombrement à égalité de puissance des machines à vapeur par exemple. qui sont encore utilisées à ce Jour. Dans cette figure, l'importance du profil des parois du rotor est démontrée sur la phase figurant à g@uche du rotor. Plus le profil est incurvé sur l'extérieur plus la résultante des efforts (fléchel) se rapproche du centre de ,pivotement de l'arbre (3) diminuant ainsi le bras de levier qui est est un facteur déterminant la puissance Si au lieu d'un arc on profile une corde ù profil droit, la résultante ( fléche 2) augmente le bras de levier et si l'on bpeut profiter d'un src rentré, la résultante t flèche 3 ) augmente encore ce bras de levier. Les 4 figures précédentes sont des schémas décrivant la base de l'invention toutes combinaisons de disposition des éléments en ligne sur le même urbre où en paralléle sur 2 où plusieurs arbres synchroni@és sont faciles à réaliser. L'étanchéité latérale des rotors est as@urée par des segments circulaires logés dans les / flans latéraux de ceux-ci et l'étanchéité circonférentielle par des segments droits logés sur les rot@rs à chacun de leur point de tangente quelle gue soit leur forme, dwune part, et également sur les extrémités des par lettes (6) formant écran aux gaz et dont le mouvement est commande soit par res- sort soit par un mécanisme extérieur propre à chaque cas afin de maintenir contact constant avec le rotor. La figure 5 est une variante du sché-a de la figure l, le rotor remplit les mêmes fonctions mais n'est# plus animé d'un mouvement circulaire -conti. Ceci permet de diminuer les efforts centrifuges à corriger par des contrepoids, et de supprimer presque totalement les frottements de glissement des segments circon- férentiels.Une camme circulaire est fixée (13) sur l'arbre (3) et forme chemi@ de roulement pour un roulement à aiguilles ( où à billes ) (14) logé à l'intérieu du rotor (2) lequel 'est plus animé que d'un mouvement de translation minime de gauche à droite et de haut en bas par rapport au point de pivotement, Les segments circonférentiels (16) n'ont pour fonction que d'assurer l'étanchéite entre le point de contact tangentiel du rotor quelle que soit la position due à son mouvement et le point de contact suivant où précedant. - Les gaz comprimés ont pénétré par la lumiére (8) dans la chambre de combustioa qui est constituée par un évidement dans la paroi du stator (1), la paroi du rotor (2) et la palette (6) Le premier segment circonférentiel qui assurait l'étanchéite en position de PMH ( Point. mort.Haut ) à droite de la palette dans le sens de la rotation mais le segment suivant est on fonction d'étanchéite et les gaz brulés qui commencent à passer au dessus du premier segm@nt sont enfer lies par le suivant et il en est ainsi pendant toute la révolution jusqu'au point d'échappement(17) . La palette écran (6) est solidaire et fixe sur le rotor (2) et coulisse dans un logement ménagé dans une masse circulaire (11) pivotant dans son logement approrpié ménagé dans le stator. L'étanchéité est ainsi totalement assurée sans commande de mécanisme de palettes puisque c'est le rotor lui-même qui commande le mouvement de va et vient, mais cette ré@lisation n'est possible qu'avac l'emploi de rotors absolument cylindriques. | La figure 6 est une transposition du mouvement précédent avec les mêmes avantages, mais pour obtenir 2 cycles par tour où plus, chaque cycle se suivent mais ne pouvant pas etre simultanés sur une même révolution. La seule sodifica, tion par rapport à l'exemple précédent est la fixation de la palette qui n'est pas rigidement fixée sur le rotot, mais encastrée en (18) dans celui-ci de ma- niére à avoir un léger mouvement de pivotement provoque par un point de centrage unique vers lequel sont dirigées les 2 palettes opposées. La figure 7 est un schéma résumant et décomposant les efforts exercés sur un rotor Il est supposé ici un cycle de travail sur un demi tour de moteur soit un cycle sur une demi circonférence. La division en 12 degrés de rotation égaux n'est que figurative et peut etre déterminée à volonté lors de l'étude pour le taux de détente que l'on désire obtenir. Cette figure suppose donc un taux de. détente d'un volume égal à 12 fois le volume de la chambre de combustion s'il s' agit d'un moteur à explosion où du volume admis sous pression s'il s'agit dune machina à vapeur, à air comprimé où autre fluide. La pression de départ est supposée à 20 Kgs/cm2.L'effort éxercé sur las parois du rotor pendant les 150 premiers degrés d'une course de 180 O est de : chaque phase étant supposée ds UN centimétre de longueur circonférentielle ) Pression en fin Pression Moyenne Nombre de phases sur TOTAL de phase lesquelles agit la P.X 1 Ph. 20 kg 20 Kg X 1 ;;;;;;;;;;;;...... 20 @ge 2 Phase 10 Kg 7, 5 Kg X 2 ................. 15 " 3 Phase 7, 5 8, 75 X 3 ................. 26,75 4 " 5 " 6, 25 X 4 ................. 25,00 5 " 4, 37 4, 59 X 5 ................. 22,95 6 " 3, 75 4, 06 X 6 ................. 24,36 7 " 3, 13 3, 44 X 7 ................. 24,18 8 " 2, 5 2, 82 X 8 ................. 22,56 9 " 2, 32 2, 41 X 9 ................. 21,69 0 " " 2, 14 2, 23 X 10 ................. 22,30 11 " 2, 01 2, 07 x 11 .................. 22,77 12 n 1, 88 1, 95 x 12 ................. 23,40 Effort Total en Kilos .......... 285, 96 Effort Moyen au cm/2 285,96 : 12 = 23, 83 Kgs. A titre indicatif, la pression moyenne d'un fluide détendu à 12 fois son volume sous une pression d'admission de 20 kilos n'est que de 4 Kilos 61 au cm/2 Le dispositif objet de l'intention peut Outre utilisé dans tous les cas où fluidecompressible et décompressible peut faire fonctionner un moteur en transformant son énergie caloriques chimique où physique en énergie mécanique. et tout particuliérement lorsqu'il s'agit d'utiliser de la vapeur d"eau où autre, de l'air comprimé, des matiéres chimiques dont le mélange avec d'autres matiéres où éléments tels que l'air où l'eau produisent une augmentation de volume en même temps qu'une élévation de pression, comme c'est la cas avec des hy- drocarbures mélangés à ltair par eremple non limitatif. Indépendemment de l"économie que le procédé permet de réaliser, en carburan où en combustible, les moteurs produits avec ce procédé sont à puissance égale beaucoup plus économiques aussi en poids, en matière premiére, en usinage et d'oeuvre ainsi qu'en encombrement, et peut de cet ensemble de faits être utilisé pour faire mouvoir tous mobiles, terrestres, nautiques, aériens où industriels. son utilisation dans tous ces domaines est susceptible de modifier l'orien- tation de la production de tous mobiles et rend possible en outre l'utilisation de déchets où de toutes sources chaudes meme aqueuses, en rendant l'utilisation de la vapeur des comme source d'énergie rentable. R E V E N D I C A T I O N S . le.- Dispositif permettant d'améliorer considérablement l'effort reçu par un piston rotatif en obtenant une augmentation de sa section où surface de tria, vail au fur et à mesure de sa rotation par le moyen d'un excentrement quelconque permettant le déport de la composante des efforts hors de l'axe de pivotement. 2 .- Dispositif selon la revendication 1 et caractérisé par le fait que le moyen destiné à augmenter cette surface consiste à utiliser un rotor circulaire excentré par rapport à la rotation d'une part, et par l'obtention dune étan chéité au moyen d'un écran où palétte en un point fixe du stator assurant un point de contact permanet avec le rotor d'autre part. 3 . - Dispositif selon la revendication 1 et caractérisé par le fait que le moyen destiné à augmenter cette surface consiste à utiliser un rotor de profil circulaire sans excentrement sur l'arbre, cet excentrement étant obtenu d'une part par le profil du rotor que présente des cordes droites où incurves et com- plété d'autre part par un écraa où palette placé en point fixe du stator de telle sorte que la composante des efforts soit toujours déportée par rapport à l'axe de rotation 4 .- Dispositif @elon les revendications 1,2 et 3 et caractérisé par le fait que l'on peut obtenir toutes combinaisons d'assemblage de ces éléments de motel par des dispositions en couple,en multiples assemblés en ligne sur le même arbre où en par lléle sur 2 où plusieurs arbres différents, synchronisés où non. 5 .- Dispositif selon les revendications 1,2, et 3 et caractérisé par le fait que l'effort Exercé sur le piston est à tout moment supérieur à celui d'une six ple pression du fluide, l'effort moyen augmentant à chaque dégre de rotation en raison de l'augmentation de surface malgré l'abaissement progressif de la pression moyenne interne du fluide qui reste soumise aux memes lois de détente que tous les moteurs thermiques subissent. 6 .- Dispositif selon la revendication I et caractérisé par le fait que le taux de détente désiré conditionne le volume à admettre, le volume admis étant soit égal, soit inférieur, soit supérieur à ce tant dé detente suivant la des tination d'utilisation du moteur. i 70. Dispositif selon les revendications 1,2,3,4,5, et 6 et caractérisé par le fait qu'il peut être utilisépôur tous fluides aussi bien du cycle à 2 temps par exemple, vapeur où air comprimé, que pour les moteurs du cycle à 4 temps.