Brevet FR2571779A1 — publié le 19860418

CAPSULISME A PALETTES COUNDEES SUR ROULEMENTS POUR MOTEURS ET POMPES La présente invention concerne la construction de capsulisme à palettes mobiles, caractérisé en ce que les palettes sont à commande desmodromique et entièrement sur roulements à billes et à rouleaux, seuls, les segments d'é- tanchéité sont en frottement de glissement.Moyennant des arrangements de bougies, d'injecteurs ou de la forme du stator, ce capsulisme est destiné à concevoir des : moteurs à fluide compressible ou incompressible, compresseurs ou des pompes volumétriques mais principalement des moteurs thermiques. Les capsulismes des pompes à palettes libres à force centrifuge sont connues depuis plus de 4 siècles, ces appareils sont courament utilisés surtout pour la production de l'air comprimé, du vide, et en hydrolique. Les moteurs à palettes sont employés surtout en milieu explosif, outillage, et les machines de chantier. Cependant, l'emploi de ce capsulisme en moteur thermique (explosion ou à combustion interne) ne s'est pas développé, et dans ce domaine, c'est le moteur alternatif à piston et ensemble bielle manivelle qui est toujours largement utilisé. Les moteurs alternatifs à pistons sont encombrants et leurs rendements globaux ne dépassent rarement 38% de l'énergie consommée. Les perspectives d'amélioration du rendement des moteurs à pistons sont très limitées avec les matériaux actuels. L'emploi des matériaux nouveaux comme les céramiques peuvent contribuer à augmenter le rendement par l'élévation de la température de ces moteurs et la généralisation de turbines sur l'échappement, ce qui complique encore le système. Les moteurs "turbines" sont constitués essentiellement de 2 turbomachines, l'une génératrice (compresseur), l'autre réceptrice. Les turbomachines sont des machines non étanches (ouvertes) dans lesquelles est bien utilisée la grande vitesse des gaz mais à faible pression qui agit par déviation sur la turbine, laquelle presente des grands leviers actifs. Les turbomachines ont un rendement équivalent aux moteurs à pistons surtout dans les moyennes puissances, mais supportent mal les variations de puissance et de vitesse, qui sont nécessaires pour l'équipement des automobiles, des motocyclettes et des petites machines. Les moteurs à pistons rotatifs sont connus depuis le début du 20ème siècle. Ils sont constitués essentiellement d'un piston polygonal curviligne concave ou convexe animé d'un mouvement épicycloldal évoluant dans une enveloppe ; ces moteurs présentent les inconvénients suivants l'étanchéité est difficile à réaliser. le bras de manivelle est très petit, c'est un excentrique de quelques millimetres (10 à 20) cause de mauvais rendement, car la vitesse des gaz de détente est très mal employée. Le seul moteur thermique à piston rotatif qui a eu un développement industriel est le moteur à piston à base triangulaire convexe appelé WANKEL. Le rendement de ce moteur est inférieur au moteur alternatif à piston, principalement dû au fait qu'il est tres difficile d'obtenir un bon couple mécanique avec un excentrique. L'excentricité ou manivelle d'action du moteur h'ANKAL-COMOTOR n'est que de 14 mm. Nous disposons dans les moteurs à capsulisme d'une bonne pression des gaz de détente et d'une treks grande vitesse de ces gaz qui est peu et mal employée dans les moteurs à pistons et cela contrairement aux turbomachines ob l'on utilise bien la vitesse des gaz, mais les pressions sont faibles. De nombreux techniciens et inventeurs ont cherché à remplacer le piston alternatif et l'ensemble bielle manivelle, les brevets de moteurs rotatifs et à palettes sont tres nombreux. Certains brevets comme les nO : 919 280 M. FRANSIOLI - 1 310 002 M. LAPEYRE - 1 310 356 M. ROESCH - 1 326 628 M. GIOT 1 336 722 M. MICOINE - 1 351 278 M. CHAUVET - 1 447 299 M. LESEC - 1 564 572 M. OKSENHENDLER - 2 211 972 M. TORRO - 2 420 647 Sté PAU-LYN USA etc... mentionnent bien la commande des palettes par : la force centrifuge, des ressorts ou cames, mais cette disposition n'est pas démontrée de même que l'équilibrage, l'étanchéité et la réduction du frottement des palettes. L'invention nO 2501 783 de M. LEFEUVRE traite ces problemes mais les pales sont radiales, attelées entre elles par des bielettes, et évoluent dans un stator elliptique. Les moteurs thermiques à capsulisme à palettes se présentent comme le compromis d'avenir entre les moteurs à piston et les turbomachines car ils possedent les avantages du capsulisme et les grands leviers d'actions des turbines. La présente invention, décrite ci-après, réunit les avantages des moteurs à capsulismes à pistons et des turbomachines. Elle apporte les solutions pour : la commande des palettes, l'équilibrage, l'étanchéité, et la réduction du frottement des palettes, afin d'obtenir un rendement global important (supérieur aux moteurs actuels) sous un faible encombrement. Ces caractéristiques sont recherchées pour l'équipement des motocyclettes, automobiles et les machines mobiles. Les dessins annexés comportent 10 figures réparties en 7 planches. Fig. 1. Coupe longitudinale du capsulisme ou d'un moteur, la demi coupe BB est matérialisée sur la figure 3 et la demi coupe AA sur la figure 2. Cette figure indique principalement L'approfondissement des rainures du rotor 16. La forme de la palette 23. La disposition du porte galet 25 rapporté sur la palette > du galet de commande 63, et des cames fixes 28 et 29. Le guidage du pied de palette entre les galets 64 et 65. Le détail de l'axe rouleau d'appui de tete de palette 41-42. Les cales 37 pour rigidifier I'extrémité du rotor. Fig. 2. Coupe CC par l'axe du rotor indiquée sur la fig. 1, ce plan montre La position des bougies d'allumage 93 et des câbles à haute tension 91 dans le cas d'un moteur à allumage commandé. La forme de l'enveloppe (Stator) comprenant les chambres : admission - compression 11, explosion 12 et de détente 13. Les orifices d'admission 14 et d'échappement 15. Le tampon démontable 36 pour accès aux bougies d'allumage. Fig. 3. Coupe DD en alignement avec le flasque indiquée sur la fig. 1, montre: L'étanchéité latérale avec le flasque par les plaquettes d'angle 24 et les segments 53-54. La position des axes rouleaux d'appui de tête de palette 41-42. Le guidage de pied de palette entre le galet 64 et les galets adja cents 65. Fig. 4. Section FF de la figure 3 de détail des axes rouleaux d'appui de tête de palette. Fig. 5. Coupe EE montrant Le profil de la came 28, La disposition des porte-galets 25 et des galets de commande des palettes 63, Les angles de position de la bougie en fonction de l'avance d'allu mage. Fig. 6. Perspective des éléments d'étanchéité de chaque coin (angle) des chambres ; la plaquette d'angle 24 coopere avec les segments 51 52 et 53 - 54. Fig. 7. Détail de la distribution d'allumage, le rotor est à ce moment orienté de quelques degrés avant que le volume minimal de la chambre d'explosion ne soit atteint. Et également, le distributeur fixe, et les câbles haute tension 91 logés dans le rotor et dans le moyeu avant 30. Fig. 8. 1/2 Coupe longitudinale du moteur à injection à injecteurs radiaux 101 et circuit de récupération des fuites par les orifices 106, la canalisation centrale 107 et le raccord 113. - Le distributeur 111 alimenté par 1 seule arrivée des doses de com bustible 112 et les canalisations d'alimentations des injecteurs 103 et 104. Les bougies de préchauffage 109 ou d'allumage 93. Fig. 9. Coupe GG du moteur à injection avec 2 modes de nontages des injec teurs ; - Injecteurs radiaux 101 et circuit de récupération des fuites 106 107. - Injecteurs inclinés 102, dans ce cas, les fuites des injecteurs sont dirigées vers les palettes par les canneaux 108 pour assurer la lubrification des palettes et roulements. Fig. 10. Variante de moteur thermique dans lequel les chambres d'explosion 12 sont des évidements dans le rotor. - Une trappe 115 à commande mécanique ou électrique 116 peut être envisagée pour limiter le passage des gaz brulés de la chambre de détente 13 à la chambre d'admission. Ce capsulisme en version moteur à explosion fonctionne selon le cycle à 4 temps, mais dans 3 chambres différentes. Ces 4 temps sont obtenus par l'orientation du rotor 22, et de ses palettes 23 dans une enveloppe (stator) 21 qui est fermée par des flasques 26 et 27. Les palettes 23 accomplissent chacune 2 actions simultanément et assurent une distribution sans soupape. Ces 4 temps sont Aspiration du mélange air-essence provenant d'un carburateur classique par les orifices 14, ou de tout autre gaz. Compression lorsque la chambre 11 décroît de volume et transfert à la chambre d'explosion ; Explosion-combustion dans la chambre 12 provoquée par une étincelle élec trique à haute tension produite quelques degrés avant que le volume mini mal de la chambre d'explosion ne soit atteint. Puis, c'est le transfert vers la chambre 13 qui est la détente et le temps moteur. Il y autant de temps moteur que de palettes par tour du rotor. Chaque temps moteur théo rique est égal ou supérieur au 1/4 de tour du rotor pour un moteur a 4 palettes. Echappement des gaz par les orifices 15 ; c'est l'expulsion des gaz de la chambre de détente 13. Ce moteur est constitué d'un stator 21 dont l'alésage "enveloppe" comporte en plus du passage du rotor cylindrique 3 chambres successives Un lobe 11 dite chambre d'admission-compression adjacente du rotor. Une chambre d'explosion 12 qui est courbe autour du rotor. Un lobe 13, chambre de détente adjacente également du rotor. Variante : La chambre d'explosion peut être obtenue par un évidement dans le rotor fig. 10. Le stator peut comporter un tampon démontable 36 pour l'accès aux bougies d'allumage. L'enveloppe ou stator ne comporte aucun orifice périphérique communiquant avec les chambres autre que les orifices d'admission et d'échappement et eventuellement le tampon 36. Ce qui permet d'assurer l'é- tanchéité au passage des palettes contrairement à la disposition de nombreux brevets d'invention. L'accès aux bougies 93-109 ou injecteurs 101-102 peut se faire par les orifices d'admission 14 ou d'échappement 15 comme sur la fig. 9. Le rotor 22 est caractérisé en ce que les rainures pour palettes longitudinales sont approfondies dans le même plan à fond incliné 16, fig.1 et 3 de chaque côté du rotor, pour aboutir tangentiellement sur le diamètre extérieur de 2 galets à aiguilles 65 situés au centre des extrémités dudit rotor. Les galets centraux 65 seront d'un diamètre le plus petit possible. Le rotor comporte également Des alésages lamages de chaque côté des rainures de palette pour recevoir des rouleaux-axe 41-42 montés sur roulements à billes et à aiguilles 66-67. Les rouleaux 41-42 servent de roulement à la tête de palette. Fig.3 et 4. . Des alésages taraudages pour recevoir les axes des galets à aiguilles d'appui extérieur de pied de palette 65 fig. 1 et 3. Des perçages taraudages pour recevoir les bougies d'allumage 93, ou des bougies de réchauffage 109 ou des injecteurs 101-102. Fig. 2 et 7. Des rainures droites et courbes pour les segments d'étanchéité avec les palettes et les flasques. . Des cales 37 ou des vis rapportées dans les rainures des palettes assu rent avec la coopération des bagues intérieures des roulements à bille 61 la rigidité du rotor qui est affaibli par ses rainures profondes. Les palettes 23 sont caractérisées en ce quelles sont élargies par 2 ailes pour recevoir aux extrémités un porte galet 25 avec galet de came 63 de commande de palette, par le profil des cames creuses fixes 28 et 29, Fig. 1 et 5 . La longueur de chaque palette depuis la tête (partie située côté enveloppe) jusqu'à l'axe commun des 2 galets de commande 63 de la mâme palette, est supérieure au rayon du rotor, soit environ le double de ce rayon. L'ensemble palette plaquette d'angle 24, porte galet 25 et galet 63, est conçu en dimensions et densité des matériaux pour que le centre de gravité de cet ensemble mobile soit le plus près possible du centre du rotor. Les palettes comportent deux entailles avec coulisses aménagées en biai partant des angles de la tête de palette pour recevoir les plaquettes d'angle 24 qui assurent l'étanchéité des palettes avec les flasques. Fig. 1 et 6. Le moyeu avant 30 est centré sur l'extrémité du rotor et sur le roulement 61 ; il est fixé par la vis axe du galet 32. Il porte à l'extérieur la couronne isolante avec les câbles à haute tension 91 fig. 1 et 7, et éventuellement une poulie 96 pour l'entrainement des accessoires. Le moyeu ar rière 31 est centré sur le rotor et sur le roulement ; il est fixé par la vis axe du galet 33. Il porte à l'extérieur le volant avec couronne dentée du démarreur. Les 2 roulements 61 assurent la rotation de l'ensemble du rotor et moyeux. L'étanchéité aux vapeurs d'hile est obtenue par les joints des moyeux 62. L'assemblage de l'ensemble du moteur est assuré par des vis appropriées 71 et des goupilles de centrage 72. L'allumage et la distribution d'allumage est alimenté en haute tension par une source classique à allumeur par rupteur mécanique, ou à déclenchement électronique et est caractérisé par le fait que les bougies d'allumage 93 sont entièrement noyées dans le rotor et sont donc de forme utilitaire nouvelle, Fig. 2 et 7. Les injecteurs ou les têtes des bougies comportent des fentes ou des évidements polygonaux autour des électrodes pour y insérer un outil de démontage, après dépose du tampon démontable 36, ou par les orifices d'admission ou d'échappement fig. 9 . Les câbles à haute tension 91 ainsi que leur couronne isolante de liaison sont mobiles car ils sont incor porés dans le rotor et le moyeu avant 30, alors que le distributeur d'allumage est fixe 92.L'isolant du câble à haute tension sera perforé par la pointe de l'axe de l'électrode au moment du montage de la bougie. Selon la présente invention, l'étanchéité de chaque coin (angles) des chambres est assurée par la combinaison nouvelle et la coopération simultanée et permanente des éléments suivants * Une plaquette d'angle inclinée 24 qui se déplace dans les coulisses aména gées en biai dans la palette Cette plaquette assure l'étanchéité de la palette avec le flasque 28 ou 29, Fig, 1, 3 et 6. . Un segment de tête de palette 51 en 1 ou 2 éléments qui vient en appui ou traverse l'extrémité (la pointe) de la plaquette d'angle ; il assure l'é- tanchéité de la palette avec le stator 22 dit enveloppe, Fig. 2 et 6. Un ou plusieurs segment courbe en 2 éléments 53 et 54 d'étanchéité laté- rale du rotor avec le flasque. Les extrémités de ce segment sont en appui sur les plaquettes d'angle, Fig. 3 et 6. Un segment d'étanchéité du rotor avec la palette en 2 éléments 52 ; les extrémités de ce segment sont appuyées par le ressort central sur le seg ment courbe 53 ou 54. Fig. 2, 3 et 6. Dans ce moteur, les rotations et les mouvements alternatifs sont à roulement à billes, aiguilles ou à rouleaux, (sauf les frottements de glisse met des segments d'étanchéité) ce qui donne des frottements reduits d'où ce moteur ne necessite pas un graissage abondant. Ainsi, il est assuré par pulvérisation-injection ou par micro brouillard d'huile ou encore par le mélange d'air de carburant et d'huile, comme dans un moteur à deux temps classique, en faisant passer par l'intérieur du rotor tout ou en partie, le mélange gazeux nécessaire à l'alimentation du moteur. Cette dernière solution présente l'avantage d'assurer le refroidissement de l'intérieur du rotor, des pieds de palette, des roulements et des cames de commande.Les orifices 17 sont prévus pour l'entrée du graissage et l'orifice 18 pour l'aspiration des gaz et des vapeurs d'huile par le moteur lui-même. Le stator est refroidi par-air ou par eau. Dans le premier cas, il comporte des ailettes périphériques, dans l'autre, des chambres de circulation d'eau aménagées autour de 11 enveloppe Parmi les autres avantages de ce capsulisme ou moteur, il faut noter La possibilité de réaliser des enveloppes assymétriques pour, par exemple augmenter le temps de détente au détriment du temps de compression. Le mouvement des gaz se fait dans une seule direction, et il est quasi con tinu car les orifices d'admission et d'échappement ne sont jamais fermés tout comme dans le moteur à piston rotatif "WANKEL". Cette invention souffre de la difficulté de réaliser des moteurs de grande puissance, soit de grosse cylindrée unitaire (par rotor ou "Module"), à cause de la vitesse périphérique de frottement des segments d'étanchéité des palettes qui est limitée avec les matériaux courants actuels. Mais il est possible de coupler de façon permanente, ou non, plusieurs modules. Les moteurs à 1 seul rotor seraient suffisants pour équiper les motocyclettes et les automobiles économiques. Pour les machines, les automobiles de classe moyenne et des voitures de grosse puissance, l'équipement avec 2, 3 ou 4 modules est prévu. Cet équipement, dans le cas de couplage facultatif, permettrait de fonctionner à volonté avec 1 ou plusieurs modules selon le besoin : de puissance, d'utilisation ou de recherche d d'économie. REVENDICATIONS 1 - Capsulisme a palettes mobiles à commande desmodromique par cames creuses et galets caractérisé par la combinaison nouvelle en ce que la longueur de chaque palette (23) depuis la tête jusqu'à l'axe commun des 2 galets de commande (63) de la même palette, est supérieure au rayon du rotor dans lequel elles sont logées ; les palettes (23) ne sont donc pas en friction avec l'enveloppe (stator) dans laquelle elles évoluent, ni avec le rotor, seuls, les segments d'étanchéité sont en frottement de glissement car les palettes sont montées sur roulements à billes, aiguilles et rouleaux, soit entre 2 axes-rouleaux et douilles d'appui (41-42) pour la tête de palette, et entre le galet central (64) et des galets adjacents (65) pour chaque pied de palette. 2 - Capsulisme à palettes mobiles selon la revendication 1 caractérisé en ce que les rainures du rotor sont approfondies dans le même plan à fond incliné (16) de chaque côté du rotor, ces prolongements aboutissent tangentiellement sur le diamètre extérieur de 2 galets à aiguilles 65 situés au centre des extrémités dudit rotor. 3 - Capsulisme à palettes mobiles selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2 caractérisé en ce que chaque palette (23) est élargie par 2 ailes pour recevoir aux extrémités des porte-galets (25) avec galet de came (63) de commande desmodromique des dites palettes par le profil des cames creuses fixes (28 et 29). 4 - Capsulisme à palettes mobiles selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisé par le fait que l'étanchéité de chaque coin (angles) des chambres situés autour du rotor est assurée par la combinaison nouvelle et coopération simultanée et permanente des éléments suivants Une plaquette d'angle incliné (24) qui se déplace dans les coulisses aménagés en biai dans la palette (23). Cette plaquette assure l'étanchéi- té de la palette avec le flasque (26 ou 27). Un segment de tête de palette (51) en 1 ou 2 éléments qui vient en contact ou traverse l'extrémité (la pointe) de la plaquette d'angle (24), il assure l'étanchéité de la palette avec le stator (21). . Un (pu plusieurs) segment courbe en 2 éléments (53 et 54) d'étanchéité latérale du rotor avec le flasque. Les extrémités de ce segment sont en appui sur les plaquettes d'angle (24). Un (ou plusieurs) segment d'étanchéité du rotor avec la palette en 2 élé- orients (52). Les extrémités de ce segment sont appuyées par le ressort cen tral sur le segment courbe (53 ou 54). 5 - Capsulisme à palettes mobiles selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 caractérisé par le fait que la rigidité du rotor affaibli par ses rainures profondes (16) est assurée par des cales (37) rapportées dans ces rainures et la coopération de la bague intérieure du roulement du rotor (61). 6 - Capsulisme à palettes mobiles selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 caractérisé en ce que les arrangements de bougies (93), d'injecteurs (101-1 02) ou de forme de l'enveloppe, permettent d'obtenir des moteurs, des pompes ou des compresseurs volumétriques. 7 - Capsulisme ou moteurs thermiques selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 caractérisé par le fait que les bougies d'allumage (93) ou les injecteurs (101 ou 102) sont entièrement noyées dans le rotor (22), et sont de forme utilitaire nouvelle. 8 - Capsulisme à palettes mobiles avec arrangement en moteur à explosion selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 caractérisé en ce que les câbles à haute tension d'allumage (91) sont mobiles car ils sont incorporés dans le rotor et dans le moyeu avant (30) alors que le distributeur d'allumage est fixe (92)* 9 - Capsulisme à palettes mobiles selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 avec arrangements en moteur à combustion interne caractérisé en ce que les conduits d'alimentation (103) des injecteurs (101 ou 102) sont aménagés dans la partie centrale du rotor, et les fuites de carburant des injecteurs sont dirigées vers les palettes par les canneaux (108) pour assurer la lubrification des dites palettes. L'extrémité avant du rotor (22) recevant le distributeur des doses de combustible (111) qui est alimenté par une seule source (112).. 10 - Capsulisme ou moteurs thermiques selon l'une quelconque des revendications 1 à 9 caractérisé en ce que les injecteurs (101-102) ou les têtes de bougies d'allumage (93) comprennent des têtes polygonales ou des fentes ou évidements polygonaux autour des électrodes pour y insérer un outil de démontage approprié