Brevet FR2544385A1 — publié le 19841019

L'invention concerne une machine retative sans frettement périphérique,à piston cylindrique diamètral à un ou plusieurs diamètres se déplaçant dans une @n@@inte mobile de formes apprepriées afin de constituer des capouli@@@s à volume variable.Elle peut être adaptée en p@@pe,@@mpr@@@@ur ou moteur. Dans les machines connues de ce genre,le nouvoment du piston par rapport à son enceinte est impecé,transmis ou transformé par des systèmes à bielle ou à came d@squels découlent en général des efforts tendant à @valiser les surfaces fonctionnelles.Il en résulte des pertes de rondement mécanique et de 1 'usure. Dans ces systèmes connus l'équilibrage des pièces mobi le. est souvent imparfait et cause de vibrations ot de bruit.Dans ces machines chaque piston est généralement aussi à simple effet et de ce fait,pour une capacité donnée, l'encombrement qui est nécessaire est relativement important. Dans une autre réalisation telle que le moteur Anglais Robert Karoll,il est utilisé un cylindre rotatif dans lequel se déplacent suivant des directions diamètrales du carter deux pistons cylindriques à double effet.Dans cette réalibation le premier piston eert an pompage et 1. seeend de "puissance"présente une phase active pour chaque trasla- tion.L'ensemble fonctionne en moteur à combustion intorne suivant le cycle à deux temps.Un gros inconvénient de cette solution est le frottement périphérique des cylindres sur le carter et l'étanchéité difficile à réaliser b et on- droit faisant office de oulasse et où se situent aussi les canaux de transfert. Comme dans la plupart des moteurs rotatifs,les pistens sont b la foie centrés sur le vilebrequin et guidés par rap- port au carter.Il résulte une solution de liaisons hyperstatiques qui,pour satisfaire aux conditions de fonctionne ment,exige une très grande précision de fabrication. Dan. le domaine des moteurs k combustion interne,diver- ses techniques de suralimentation ont été expérimentées et avec l'augmentation considèrable du coùt de l'énergie,les recherches se justifient et sont poursuivies. Il est connu notamment d'utilisor l'énergie résiduelle des gas d'échappement afin d'entrainer un groupe turbe-conprosseur.Dans se cas le débit augmente en fonction du carré de la vitesse mais de ce fait cette solution est peu adaptée aux basses vitesses ou aux moteur@ à changemente fréquents de régime. Une autre solution utilise les ondes de pression des gaz d'échappement pour comprimer l'air au moyen d'un distributeur tournant.Copondant cette adaptation est délicate et un bon fonctionnement dépend très présisément des diagrammes de distribution du moteur servi. Une dernière solution enfin dont l'intérêt est de débiter dès que le moteur tourno et ce,avec un rapport volumètrique constant,est d'adjoindre au moteur un compresseur volumètrique.Il en résulte le bénéfice d'un couple important b bas régime.Sur certains véhicules cela permet de se dispenser des boîtes à cinq rapports qui se sont avérées parfois nécessaires avec des moteurs suralimentés à hauts régimes. Cette solution nécessite cependant pour entrainer le compresseur l'adjonction supplémentaire au moteur d'un mécani@@@ d'entrainement. L'invention présente une solution cinématique élimi- nant tous les précédents inconvénients.Elle permet l'agencement de machines parfaitement équilibrées statiquement et dynamiquement,d'un meilleur rendement mécanique,d'un encombrement relativement réduit d égalité de capacité.Elle per- met des agencements avec piston à un ou plusieurs diamètres, jouant simultanément les rôles de pompage et de puissance, sans que ne persistent des difficultés particulières d'étanchéité.Elle présente une solution globale simple rassemblant les avantages présentés par le compresseur volumètrique sans mécanisme supplémentaire d'entrainement.A ces particularités s'ajoute une simplicité de réalisation et on @onséquence un meilleur prix a. revient. Diverses autres particularités avantageuses apparaissent dans la description qui suit. Sans @mbi@llage,la chaîne cinématique est constituée par un piston tourillonnant sur le maneton de l'arbre vilobre- quin.Le cylindre est animé d'un mouvement de rotation uniforme autour d'un axe perpendiculaire à son axe principal. Le piston "lié" au maneton du vilebrequin par une double liaison "pivot glissant" tourne dans le même sens que le vilebrquin mais à une vitesse double.En fait le piston est animé d'un mouvement planétaire composé de rotations simultanées qui résulteraient par exemple d'une adaptation partioulière de l'ongrenage de La Hire. Le cylindre serait solidaire d'une roue d@ntée intérieure 14 de diamètre 2d et serait entrainé par un pignem 13 de diamètre d et solidaire du vilebrequin.Cette adaptation ferait en serte qu'au cours d'une révolution complète,le maneton du vilebrequin dont l'axe coincide avec une génératrice du diamètre primitif du pignon,déorirait un aller et reteur sur un diamètre de la roue dentée 14. Ces conditions cinématiques sont simplement obtenues par l'engrenage de La Hire qui donne le rapport +2 entre la vitesse ae rotation du piston et celle du cylindre.D'autres dispositions d'engrenages ou de systèmes à chaines sent @n- visageables.Le but est d'assurer antre le pisten et le cylindre,un mouvement relatif de translation rectiligme altermative.Le système étant réversible,la translation metries du piston par rapport au cylindr, obtenue par variation adéquete de la pression interne dans les chambres du capsuli@@@, engendre la rotation continue du vilebrequin. Une caractéristique importante de l'invention est que le piston ne travaille qu'axialement.Les surfaces frottante. ayant k assurer la fonction étanchéité ne support@nt aucun effort de guidage.L'action latérale nuisible du piston @@@tre les parois du cylindre imposée par l'inclinaison d'une bial- le ou l'action d'une cam@,est notamment supprimée.De ce fait les causes d'ovalisation et d'usure sont supprimées. Une autre caractéristique de l'invention est son parfait équilibrage statique et dynamique.L'ensemble fonctionne comme une masse rigoureusement équilibrés et animée d'un mouvelent absolu de rotation. Cet avantage est d'emblée assuré pour le cylindre qui constitue la masse mobile principale et qui tourne autour d'un de sos axes de symètrie.L'effet d'inertie centrifuge auquel est sou@is le piston est à compenser par au moins une masse judiciousoment située sur le vilequin. Suivant une autre caractéristique de l'invention il est à remarquer que le mouvement de translation rectiligne alternative du piston par rapport au cylindre est un mouvement relatif qui n'engendre pas les phénomènes de vibrat@ ons dé- coulant d'un somblable mouvemont absolu. Selon une autre caractéristique de l'invention,le ou les pistons peuvent être à un ou plusieurs diamètres,comporter une ou plusieurs faces de travail et on censéquence engendrer un ou plusieurs capsulismes.Tous les systèmes connus de distribution tels que lumières,clapets,robinets,valv@@, soupapes,tiroirs,peuvent être retenus et permettent une variété considèrable de combinaisons et déadaptations en ponpes,compresseurs ou moteurs. Suivant une autre caractéristique de l'invention la liaizon piston vilebrequin qui est théoriquement une liaison "pivot",est remplaçable par une liaison particulière qui autoriserait divers degrés de liberté supplémentaires de manièro à assurer un fonctionnement normal même avec un mécanisme dont la réalisation serait à cet endrcit ontachés de défauts dûs aux tolérances de dimoneions ou de pesitions géomètriques. D'autres buts,avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre d'un mode de réalisation non limitatif,faite au regard des dessins annexés. Les figures 1 et 2 sont des représentations schématiques d'un moteur à combustion interne suralimenté et fonctiennant suivant le cycle à deux temps. Les figures 3 et 4 sont des représentations schématiques d'une liaison"double pivot glissant" entre le piston et le vilebrequin. La figure 5 représente une simple liaison "pivot glissant" avec appui élastique entre le piston et le vilebrequin. Sur les figures 1 et 2,les chambres 7 et 8 constituent les capsulismes "compresseur".Dans cette représentation l'aspiration des gaz frais se fait par les lumières 6. Après sepiration le mélange carburé est tronsféré par les canaux 16 dans les chambres de combustion 9 et 10.L'ouvorture ou la fermature de ces canaux dépomdent de la position relative du piston dans le cylindre cemme dans un noteur classique. Après ce transfert,la compression se poursuit jusqu'à l'injection ou étincelle que l'on proveque à l'instant opportun. Une détente s'effoctue à chaque aller et retour du piston dans l@ cylindre et cola altornativement dans les ch@@- bres 9 et 10. Le moteur étant symètrique,on obtient d'un ceté du pieton les phases admission,détente,échsppement et de l'autre les phases compression. En fin de course l'échappement est assuré par les lumières II dont l'ouverture est tributaire d'un queleenque ob@ turateur 4 commandé par un appui adéquat 5 sur le cartor 3. De cet agencement il résulte les principales caractéristiques suivantes dont l'importance se souligne par comparaison avec les solutions classiques connues. Le remplissage des chambres est assuré de façon optimale par la précompression volumètrique que l'on peut choisir.Il dépend avant tout de la capacité des chambres. Le taux de compression peut être élevé grâce aussi à sette précompression. Le brassage du mélange est fonction des lunières d'admission pour lesquelles on dispose de tout le "bas de la cha@- bre"afin de choisir leur disposition et caractéristiques. Le balayage est du type "équicourant".La disposition des lumières admission pouvant se faire avec un maximum do liberté permet de choisir un balayage purement longitudinal ou bien hélicoidal généralement plus efficace.En outre u fait de la rotation du cylindr,une centrifugation des ges favorise leur cheminement. Le refroidissement de la tête du piston est assuré en premier lieu par un "lèchage" complet avec lesgas frais dont l'entrée peut être canalisée à volonté sur toute la périphérie du "bas de la chambre".Le refroidissement peut encore être amélioré par le choix du rapport course/alèsage qui n'est plus tributaire du système à bielle et qui en conséquense peut être de valeur optimals on ne considérant que les échanges calorifiques par les parois.Cet échange calerifique par les parois du cylindre est faverisé par les ailettes 18 qu'il comporte et sur lesquelles une oirculation for@és d'air frais est obtenue par contrifugation.L'onse@- ble du cylindre dans le carter joue le même rêls qu'un roter de pompe centrifuge.Les arrivées d'air frais sont anénagéss au veisinage de l'axe principal du moteur par les cuvertures 17.Leur évacuation s@ fait à la périphérie du carter par la sortie 15 de telle manière qu'ils entraine@t aussi sisultanément les gaz brulés. La lubrification du cylindre est à envisager à l'aide d'un apport d'huile avec le carburant puisque fonctionnant suivant le cycle à deux temps.Les parties paliers et engrenages peuvent être lubrifiées classiquement par barbotage ou circuit d'huile sous pression.Diverses solutions sont onvisageables selon que l'alimontation en gas frais se fait intérieurement ou extérieurement à la denture de la roue intérieure de l'engrenage. La régularité cyclique d'un monocylindre est comparable à celle d'un quatre cylindres à quatre tomps classique.Le bloc cylindre tournant régulièrement autour d'un de ses axes de symètrie constitue en outre un volant régulateur, Il est à romarquer partioulièrement que l'action des gaz résultant de l'explosion dans une chambre,est maintenue sur le maneton de vilebrequin pendant,théoriquement,une rot@- tion de 360 .Si pratiquement le temps d'ouverture des conduits de distribution correspond à un quart de tour,es qui est favorable pour les échanges,il reste néammeins une action motrice pendant 270 de rotation,Comme il y a deux explosions par tour il y à recouvrement des temps d'action et par conséquent une très bonno régularité du couple. L'équilibrage est parfait statiquement et dynamiquement pour le cylindre qui constitue la masse mobile principale. Ce même avantage est obtenu à l'aide de petites masses 12 placées judicieusement sur le vilebrequin pour componser l'effet d'inertie centrifuge agissant sur le piston.L'ensemble est alors à considérer comme une masse rigoureucement équilibrés et animés d'un mouvement abselu de rotation. Il est à rappeler que le mouvement de translation rectiligne alternative du piston par rapport au cylindre est un mouvement relatif qui n'engendre pas les phénomènes de vibrations découlant d'un même mouvement absolu. Si on admet par simplification que dans un moteur la vitesse linéaire moyenne du piston est proportionnelle à celle de détonte des gas,dans ce cas particulier pour un même rayon de manivelle on peut alors affirmer qu'elle est divisée par deux. En ce qui concerne les capacités,pour un même rayen de manivelle,à égalité de section du piston,la cylindrée est multipliée par deux.A égalité de capacité pour une chambre de combustion,les sections des lumières et condui@s sont doublées et facilitent d'autant les écoulements des gas. Le rendement mécanique de l'agencement décrit est particulièrement amélicré en ce sons que tous les efferts nuisibles sont supprimés.Le piston ne travaille qu'axialement. Les surfaces frottantes ayant à assurer la fonction éterchéité ne supportent aucun effort de guidage.L'action latérale déplorable du piston contre les parois du cylindre,imposée par la bielle inclinée est notamment supprimée.En conséquences toutes les causes d'usure et d'ovalisation @@pre- chables aux moteurs classiques n'existent plus. Pour les moteurs de grosse capacité les contacts frottants de l'engrenage représenté peuvent être remplacés par des galets roulants et augmenter en conséquence leur rendement mécanique. En remplaçant le pivot glissant thécrique par un double pivot glissant entre le piston et le cylindre on obtient une liaison représentée par les figures 3 et 4 qui auterise certains degrés de liberté supplémentaires facilitant le montage et le fonctionnement du mécanismé.A@nsi sur la fi- gure 3 apparait la liberté Ta de translation pour conpenser une imprécision sur la valeur du rayon de sanivelle.Sur la figure 4 la liberté Ra de rotation pernet de compenser un défaut de perpendicularité entre les axes du @@@@ton et du piston. Il s'ensuit évidemment une réduction des exigonces de fabri cati on que demanderait la solution du pivot glissant simple. Ces degrés de liberté supplémentaires de débattements relativement faibles peuv@nt aussi s'envisager à l'aide d'une liaison élastique E comme le montre la figure 5. L'étanchéité est assurée par des solutions éprouvées. Le piston étant à quatre effets il est à escompter en outre un rôle favorable de la contre pression. La puissance est proportionnelle à trois facteurs de valour relativement élevée: - La cylindrée totale Vc dépendante du gres diamètre du piston. - La pression moyenne effective Pme élevés du fait de la double compression. - La grande vitesse de rotation N possible du fait du parfait équilibrage. Or en fonction de ces trois facteurs la puissance s'axpri Vc # Pme # N me comme suit : P = 900 Les principes classiques d'allumage peuvent être retenus avec l'avantage dans ce cas d'utiliser la nobilité des bougies dans le rôle d'un rupteur ordinaire avec tous les règlages désirés.Pour un fonctionnement suivant le cycle Diésel on peur recourir à une préinjection ou à un allumage par point chaud facile à entretenir par un simple frotteur périphérique. L'invention est adaptable en pompe,compresseur ou moteur. En tant que moteur à combustion interne elle peut aussi bion être utilisée sur des véhicules qu'on pestes fixes. Sa réalisation ne pose aucun problème particulier d'usinage ou do prioiion. A égalité de caractéristiques,le nombre de pièces d'un tel moteur est sensiblement à diviser par trois et en conséquence les temps d'usinage. Un arbre simple à excentrique,guidé sur deux paliers rem place un vile@requin à quatre manetons et cinq palier@. Un piston biétagé remplace quatre piston@et quatre bielles. Le bloc cylindre, sans chemisage nécessaire,rofroidi par air, peut être conçu en seulement deux ou trois pièces. Le gain en nombre de pièces et @n simplicité est encer@ plus évident si l'on compare les mécani@@es asourant la fonction de distribution. Le carter statique constitue ,ossentiellement un palier à l'ensemble mobile.Ce palier est habillé par une enceinte 3 fermée dont la fonction est de canaliser l'air de refreidissement et les gaz d'échappement.Cette onceinte est donc de constitution légère du type spirale de ventilateur. Tous ces facteurs considérés,à égalité de capacités et de fiabilité,avantages sur la fonction globale,simplicité générale,gain de matériaux,gain de temps et de main d'oeuvre, il est possible à torme asses court,de prévois par rapport aux solutions classiques une réduction du prix de revient d'un moteur,suffisante pour une réforme importante de la planification des productions futures. Avant tout rustique,un moteur selon cette invention est à tous points de vue avantageux et d'un très bas prix de revient. Il est évident que la présente invention n'est nullement limités aux modes de réalisation décrits et représontés. D@ nombreuses variantes sont accessibles à l'homme de l'art suivant les applications envisagées,sans pour cela s'écarter de l'esprit de l'invention. REVENDICATIONS : 1. Capsulisme rotatif adaptable on pompe,compresseur ou moteur caractérisé par l'absence de frott@ment périphérique, par un piston cylindrique dia@ètral teurillennent sur le maneton de l'arbre vilebroquin et se déplaçant dans un cylindre tournant de formes appropriées afin de censtituer un ou des volumes variables grâce à un mouvement rolatif de translation rectiligne alternative résultant d'une combi maison de neuvements absolus de rotation par l'inter@édiaire d'engrenage ou de chaines. 2.Capsulisme suivant la revendication 1 caractérisé par une chaine cinématique sans embiollage et des lisisons solon les figures 3,4 et 5 telles que le pist@n ne travaille qu'axialenent sans action nuisant au romdement mécanique. 3.Capaulisne selon les revendications 1 et 2 caractérisé par le fait que le pisten à un ou plusieurs dianètros engendre une ou plusieurs chambres de travail et qu'il peut comme dans les représentations des figures 1 et 2 remplir @i@ulta- nément divers effets tels que pompage,compression et ou transmission d'un effort moteur résult@nt de la pressien d'un fluide.