Brevet FR2609753A1 — publié le 19880722

La présente invention concerne un moteur à combustion interne à piston rotatif, comprenant au moins un cylindre creux dans lequel ledit piston tourne en contact étanche avec la surface interne du cylindre en contribuant à délimiter une chambre formant chambre de travail de volume variable et se déplaçant angulairement lors de la rotation du piston en variant en volume entre un volume minimal donnant lieu à l'allumage d'un mélange air-carburant contenu dans la chambre et un volume maximum, pendant chaque tour du piston, des lumières d'échappement des gaz brûlés et d'admission de l'air ou du mélange, situées dans la face interne du cylindre à des emplacements angulairement décalés de façon à être successivement découvertes et obturées par le piston en vue de l'évacuation des gaz brûlés et de l'admission de l'air ou dudit mélange. Des moteurs de ce type sont déjà connus. Par exemple les moteurs du type wankel possèdent un cylindre dont la surface intérieure a une forme complexe à plusieurs lobes et est traversée par un arbre excentrique portant le piston de forme troncoldale adapté à la surface interne du cylindre. Ces moteurs connus ont pour inconvénient majeur qu'en raison de la forme compliquée du cylindre et de son rotor le problème par exemple de l'étanchéité est pratiquement pas maitrisable d'une façon satisfaisante. La présente invention a pour but de proposer un moteur à combustion interne à piston rotatif qui ne présente pas les inconvénients des moteurs connus. Pour atteindre ce but, le moteur selon l'invention est caractérisé en ce que le cylindre présente un espace interne de section transversale circulaire, ledit piston est agencé pour constituer un premier piston uniformément rotatif autour de l'axe du cylindre, qu'un second piston est monté variablement rotatif autour de l'axe du cylindre, en contact étanche avec la surface interne de celui-ci et angulairement décalé par rapport au premier piston de façon à délimiter avec ce dernier et la surface interne du cylindre ladite chambre de travail, que les pistons présentent une section transversale perpendiculaire à l'axe du cylindre avantageusement en forme d'un segment de cercle coaxial au cylindre, et en ce qu'il comprend un variateur de la vitesse rotative des pistons, adapté pour que le premier piston tourne à une vitesse plus élevée que le second dans sa partie de course circulaire, située entre ledit premier emplacement angulaire et un second emplacement angulaire prédéterminé, en aval de la lumière d'échappement, et que le second piston tourne à une vitesse plus élevée pendant la partie restante de la course circulaire du premier piston dans le même sens que celui-ci de façon que la chambre de travail ait à nouveau son volume minimal audit premier emplacement angulaire. Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, le variateur de vitesse est adapté pour assurer l'immobilisation du second piston pendant la première partie précitée de la course du premier piston. Selon encore une autre caractéristique avantageuse, le variateur de vitesse comprend un pignon entraîné en rotation par l'arbre du premier piston et engrenant une denture prévue au pourtour d'un organe oblong comprenant une partie médiane rectiligne et à ses deux extrémités une partie semi-circulaire, cette organe comprend un évidement central rectiligne, qui s'étend dans l'axe de l'organe et forme un chemin de guidage pour le déplacement en translation relative non rotative d'un élément avantageusement de section transversale rectangulaire, solidaire en rotation de l'arbre du second piston, ce dernier étant immobile tant que le piston engrène les parties rectilignes de la denture dudit organe et entraîné en rotation lorsque le piston engrène les parties semi-circulaires de la denture dudit organe. Selon encore une autre caractéristique avantageuse de l'invention, deux cylindres, chacun à deux pistons, sont combinés en ménageant entre eux une chambre s'ouvrant dans l'espace interne des deux cylindres au niveau du premier emplacement angulaire de la chambre dans chaque cylindre, les premiers pistons comme les deuxièmes pistons de deux cylindres sont reliés entre eux pour tourner de façon synchrone, par des moyens appropriés tels qu'un engrenage. Selon encore une autre caractéristique avantageuse de l'invention, l'un des pistons d'un cylindre est rendu solidaire en rotation d'un premier arbre sur une partie telle que la moitié de sa longueur et entoure coaxialement l'autre partie en laissant subsister un espace annulaire, et en ce que l'autre piston est monté solidaire en rotation d'un second arbre tubulaire monté coaxial au premier arbre dans ledit espace annulaire, les deux arbres étant sortis du cylindre au moins à une extrémité de celui-ci pour être reliés cinétiquement entre eux par le variateur de vitesse précité. L'invention sera mieux comprise, et d'autres buts, caractéristiques, détails et avantages de celle-ci apparattront plus clairement au cours de la description explicative qui va suivre faite en référence aux dessins schématiques annexés donnés uniquement à titre d'exemple illustrant un mode de réalisation de l'invention, et dans lesquels - la figure 1 est une vue en coupe médiane axiale du bloc-cylindre d'un moteur selon la présente invention - la figure 2 est une vue en coupe transversale selon la ligne II-II de la figure 1, les pignons de chaque cylindre occupant leur position angulaire de formation du volume minimum de la chambre de combustion - la figure 3 est une vue en perspective, avec arrachement de la partie centrale III du bloc-cylindre selon la figure 1, après enlèvement des parties extrêmes semi-sphériques du cylindre - la figure 4 représente un segment d'étanchéité utilisé dans un cylindre selon la présente invention - la figure 5 est une vue schématique en perspective et en coupe partielle d'un variateur de vitesse selon la présente invention - les figures 6 et 7 sont des vues schématiques destinées à illustrer le fonctionnement du variateur de vitesse selon la figure 5, et - les figures 8 à 11 illustrent de façon schématique le fonctionnement d'un moteur selon la présente invention, en le représentant à quatre instants différents d'un cycle moteur selon la présente invention. Les figures montrent un moteur à combustion interne selon la présente invention, dont le bloc-cylindre comporte deux cylindres 1 et 2, la partie centrale 3 reliant ces deux cylindres sur au moins une partie de leur extension axiale est conformée pour délimiter une chambre 4, avantageusement de forme parallélépipédique, qui s'ouvre à ses deux extrémités dans les espaces internes des cylindres 1 et 2. Dans le mode de réalisation représenté du moteur selon l'invention, l'espace interne de chaque cylindre présente une section transversale circulaire et comporte une partie centrale cylindrique 6 fermée à ses extrémités par des éléments 7 et 8 de forme semi-sphérique. Comme le montre la figure 1, l'élément semi-sphérique supérieur 7 est réalisé séparément et peut être fixé à la partie centrale 6 par tout moyen rapproprié représenté en 9.Deux pistons 11 et 12 sont montés dans l'espace interne de chaque cylindre, rotatifs autour de l'axe de celui-ci. Les deux pistons sont angulairement décalés et ont une section transversale présentant la forme générale d'un segment d'un cercle ayant un rayon légèrement inférieur au rayon de la section transversale de la surface interne cylindrique du cylindre correspondant. Comme le montre la figure 1, chaque piston est conformé de façon à présenter une section transversale axiale telle que sa surface périphérique épouse la surface interne de son cylindre sur pratiquement toute son extension pour assurer un contact étanche entre la surface interne du cylindre et les pistons lors de leur rotation dans ce dernier. Concernant l-e montage des deux pistons 11 et 12 dans leur cylindre, on constate qu'un arbre 14 traverse celui-ci axialement. Le piston 11 est solidarisé en rotation de cet arbre 14 sur sensiblement la moitié 15 de sa longueur axiale interne, tandis que sur la partie restante 16 de sa longueur, il est en retrait de l'arbre 14 pour laisser subsister un espace partiellement annulaire 17. Le piston 12 est solidaire en rotation de l'arbre creux 18 monté coaxial'à l'arbre 14 dans ledit espace 17. Les arbres 14 et 18 sont sortis tous les deux à l'extrémité supérieure du cylindre et reliés à l'extérieur de celui-ci cinétiquement par un variateur de vitesse 20 qui sera décrit plus loin, de façon détaillée. Les arbres 12 de rotation des pistons 11 des deux cylindres 1 et 2 sont cinétiquement reliés par un dispositif à engrenage 21. Un dispositif à engrenages 22 du même type relie cinétiquement les arbres de rotation 18 des pistons 12 des deux cylindres. La chambre 4 dans la partie centrale du bloc-moteur est aménagée pour constituer la chambre de combustion du moteur. A cette fin elle comprend les moyens d'allumage tels que des bougies, représentées schématiquement en 50, et, le cas échéant, un injecteur non représenté. Comme l'indique la figure 2, la paroi de chaque cylindre 1, 2 est traversée par des canaux constituant des lumières d'échappement 24 des gaz brûlés et d'admission 25 de l'air ou d'un mélange air-carburant. Ces lumières sont équipées de soupapes, telles que des soupapes à simple ressort, non représentées. On constate que les lumières 24 et 25 sont angulairement décalées dans la paroi interne des cylindres, la lumière d'échappement se trouvant plus proche de la chambre de combustion ou d'explosion 4 que la lumière d'admission. Ces lumières sont obturables par les pistons 11 et 12. Pour assurer l'étanchéité entre la surface périphérique des pistons et la surface interne des cylindres, des segments d'étanchéité 26, tels que représentés à la figure 4, sont logés dans des rainures 27 pratiquées dans la surface périphérique des pistons, suivant une génératrice. Pour que les segments d'étanchéité 26 soient constamment retenus dans leurs rainures 27 et appliqués contre le fond de celles-ci, on a prévu par exemple à la mi-hauteur de la chambre 4, dans l'ouverture de l'espace interne du cylindre dans la chambre, des barrettes d'appui 30, qui assurent la retenue des segments d'étanchéité 26 dans leurs rainures 27 pendant l'intervalle de passage devant lesdites ouvertures. Pour assurer le refroidissement du cylindre, la paroi de ceux-ci est pourvue de canaux ou espaces internes 31 d'un système de refroidissement par circulation forcée d'un fluide tel qu'un liquide.De plus, la surface externe du cylindre peut porter des nervures ou ailettes 32 de refroidissement par l'air ambiant. En se référant aux figures 5 à 7, on décrira ci-après le variateur 20 de la vitesse rotative des pistons 11 et 12 d'un cylindre 1 ou 2. On constate que l'arbre de rotation 14 du piston 11 transmet sa rotation par jeux de pignons 35 à un pignon 36 qui engrène la denture prévue au pourtour d'un organe de forme oblongue 38. La partie médiane 39 de celui-ci est de forme parallélépipédique, tandis que les extrémités 37 sont de forme semi-cylindrique. Ainsi les côtés de la partie médiane 39, sont conformées en forme de crémaillères rectilignes. L'organe 38 comprend un évidement 40 de forme à section rectangulaire, qui s'étend dans l'axe longitudinal de l'organe 38 et forme un guidage pour un élément 41 à section transversale carrée. Cet élément est solidaire en rotation de l'arbre 18 de rotation du piston 12.L'évidement 40 et l'élément 41 sont dimensionnés de telle manière que ce dernier ne puisse effectuer dans l'évidement 40 qu'un mouvement de translation. En raison de cette configuration et de la disposition relative des différents éléments composant le variateur de vitesse, l'organe 38 effectue un mouvement rectiligne tant que le pignon 36 engrène un des côtés latéraux 39 formant crémaillères rectilignes et un mouvement de rotation lorsque le pignon 36 vient en prise avec une des parties de forme semi-circulaire 37. Pour réduire les forces de friction que doit vaincre l'organe 38 lors de son mouvement complexe, celui-ci prend appui sur un palier à billes 42, ces billes étant réparties sur toute la surface que balaie l'organe 38 pendant son mouvement.Il est à noter que l'évidement présente une longueur telle que l'axe de rotation de l'évidement 41 se confond avec le centre des parties arrondies 37, lorsque l'organe 38 se trouve dans une position extrême de son mouvement rectiligne. Pour compléter la description de la structure d'un moteur selon la présente invention, il est encore à noter que le variateur de vitesse 20 ainsi que les pignons des dispositifs d'engrenage de transmission 21 et 22 sont situés à l'intérieur de bottes étanches à bain d'huile, tels que le boîtier 43 entourant le variateur de vitesse 20 ou les bottiers indiqués en 44 montés sur le bloc-cylindre en haut et/ou en bas des cylindres. En se référant notamment aux figures 6, 7 et 8 à 11 on décrira ci-après le fonctionnement du moteur selon la présente invention, qui vient d'être décrit. Au départ d'un cycle moteur, les positions des pistons 11 et 12, sont celles représentées aux figures 2 et 8. Les pistons se trouvent dans leur position angulaire la plus rapprochée, au niveau de la chambre 4 ménagée dans la partie centrale du bloc-moteur. La chambre de travail formée par la chambre 4 et l'espace 51 délimité entre les surfaces sensiblement radiales 46 et 47 des pistons 11 et 12, que l'on appellera par la suite la chambre de volume variable, a alors son volume minimal. Dans cette position relative de départ des pistons 11 et 12, l'organe 38 au pourtour denté, occupe la position indiquée à la figure 5 et celle qui est représentée en traits continus à la figure 6.Lorsque le mélange air-carburant se trouvant dans la chambre de volume variable est allumé, le piston 11, sous l'effet des forces engendrées par l'explosion tourne dans la direction de la flèche F1. Ceci entrasse la rotation du pignon 36 dans le sens de la flèche F2 (figure 5). Ce pignon étant en prise avec une des parties latérales à crémaillères rectilignes 39 de l'organe 38, cet organe effectue un mouvement rectiligne de sa position de départ a jusqu'à sa position b indiquée en traits interrompus à la figure 6. Ce mouvement purement rectiligne de l'organe 38 prend fin lorsque le pignon 36 commence à engréner la partie dentée 37 de l'organe 38 qui suit la partie crémaillère 39.Tant que l'organe 38 n'effectue pas de mouvement rotatif, l'élément de came 41 à l'intérieur de l'évidement de guidage 40 reste stationnaire, ce qui a pour conséquence que l'arbre d'entraînement 18 du piston 12 ne tourne pas et celui-ci reste dans sa position selon les figures 2 et 8. L'engrenage de transmission 35, le pignon 36 et l'organe 38 sont dimensionnés de telle manière qu'à la fin du mouvement rectiligne de l'organe 38, le piston 11 occupe la position indiquée à la figure 10, dans laquelle il découvre la lumière d'admission 25, après être passé par la position selon la figure 9. Dans cette position le piston 11 vient juste de découvrir la lumière d'échappement 24, ce qui permet l'évacuation des gaz brûlés par exemple par balayage, à condition bien entendu que la soupape d'échappement soit ouverte. Dans la constellation des pistons, représentés à la figure 10, l'admission de l'air ou d'un mélange air-carburant peut avoir lieu. Dès que le pignon 36 commence à engréner la partie dentée semi-circulaire 37 du corps 38, c'est-à-dire dès que le corps 38 ait atteint la position b (figure 6) il commence à tourner en entraînant en rotation l'élément 41, qui est solidaire en rotation de l'arbre 18 du piston 12. Celui-ci commence donc à tourner dans le même sens de rotation que le piston 11. Le rapport des engrenages de transmission du mouvement rotatif du piston 11 au piston 12 est choisi de telle façon que le piston 12 tourne à une vitesse plus élevée que celle du piston 11, telle qu'elle puisse rattraper ce dernier pour que se reproduise la constellation des pistons 11 et 12 représentés aux figures 2 et 8. Pendant cette phase de rattrapage la chambre de volume variable 48 diminue, ce qui provoque la compression de l'air ou du mélange contenu dans cette chambre.A la figure 8 la compression est maximale et on déclenche un nouveau cycle moteur par l'allumage du contenu comprimé dans la chambre 30. Il convient à répéter que dans la constellation de la figure 8, le corps 38 occupe à nouveau la position a suivant la figure 6, après avoir effectué une rotation selon un angle de 1800. Il est à noter que de nombreuses variantes d'exécution peuvent être apportées au moteur qui vient d'être décrit. Il n'est par exemple pas nécessaire d'utiliser deux cylindres agencés en couple. Un seul cylindre pourrait suffire et la chambre d'explosion ou d'allumage 4 serait alors conformée en conséquence. La forme des pistons peut être différente de celle ressortant des figures. Le mouvement de rattrapage du piston 12 peut débuter avant que le piston 11 ait atteint la position représentée à la figure 10, par exemple à partir de l'instant où le piston 11 ait découvert la lumière d'échappement 24 (figure 9). On comprend de ce qui précède, que dans le moteur selon la présente invention le piston 11 dans chaque cylindre tourne à une vitesse sensiblement constante. Ce mouvement est transmis à l'arbre de sortie du moteur par l'arbre représenté en 48 sur la figure 1. Par contre le piston 12 effectue un mouvement de rotation à vitesse variable, obtenu à partir du mouvement du piston 11 par l'intermédiaire du variateur de vitesse 20. L'utilisation du principe du ou des pistons à deux rotors n'est nullement exclusive au moteur à combustion interne et n'est donc pas exhaustive. Ce principe peut être adapté à la construction d'autres appareils mécaniques, par exemple des compresseurs, etc... REVENDICATIONS 1. Moteur à combustion interne à piston rotatif, comprenant au moins un cylindre creux dans lequel ledit piston tourne en contact étanche avec la surface interne dudit cylindre en contribuant à délimiter une chambre formant chambre de combustion et de travail et se déplaçant angulairement lors de la rotation du piston en variant en volume entre un volume minimal donnant lieu à l'allumage d'un mélange air-carburant contenu dans la chambre et un volume maximum, pendant chaque tour du piston, des lumières d'échappement des gaz brûlés et d'admission de l'air ou dudit mélange, situées dans la face interne du cylindre à des emplacements angulairement décalés de façon à être successivement découvertes et obturées par le piston en vue de l'évacuation des gaz brûlés ou de l'admission de l'air ou dudit mélange, et des moyens d'allumage dudit mélange situés à un premier emplacement angulaire du cylindre, auquel est formée la chambre de volume minimal, caractérisé en ce que le cylindre (1, 2) présente un espace interne de section transversale circulaire, ledit piston (11) est agencé pour constituer un premier piston uniformément rotatif autour de l'axe du cylindre, qu'un second piston (12) est monté variablement rotatif autour de l'axe du cylindre (1,2) en contact étanche avec la surface interne de celui-ci et angulairement décalé par rapport au premier piston de façon à délimiter avec ce dernier et la surface interne du cylindre ladite chambre de travail, que les pistons (11, 12) présentent une section transversale perpendiculaire à l'axe du cylindre avantageusement en forme d'un segment de cercle coaxial au cylindre, et en ce qu'il comprend un variateur (20) de la vitesse rotative des pistons (11, 12) adaptés pour que le premier piston (11) tourne à une vitesse plus élevée que le second (12) dans sa partie de course circulaire situé entre ledit premier emplacement angulaire et un second emplacement angulaire prédéterminé, en aval de la lumière d'échappement (24) et le second piston (12) tourne à une vitesse plus élevée pendant la partie restante de la course circulaire du premier piston, dans la même direction que celui-ci, de façon à ce que la chambre de travail délimitée par les deux pistons (11 et 12) ait à nouveau son volume minimal audit premier emplacement angulaire. 2. Moteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le variateur de vitesse (20) est adapté pour assurer l'immobilisation du second piston (12) pendant la première partie précitée de la course du premier piston (11). 3. Moteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que le variateur de vitesse (20) comprend un pignon (36) entraîné en rotation par l'arbre (14) du premier piston et engrenant une denture prévue au pourtour d'un organe (38) de forme oblongue comportant une partie médiane rectiligne (37) et à ses deux extrémités une partie circulaire (39), cet organe (38) comprend un évidement central (40) avantageusement parallélépipédique, qui s'étend dans l'axe de l'organe (38) et forme un chemin de guidage pour le déplacement en translation relative non rotative d'un l'élément (41) avantageusement de section transversale rectangulaire, solidaire en rotation de l'arbre (18) du second piston (12), ce dernier étant immobile tant que le piston (11) engrène les parties rectilignes (39) de la denture dudit organe (38) et entratné en rotation lorsque le pignon (36) engrène les parties semi-circulaires (37) de la denture dudit organe (38). 4. Moteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que chaque rotor (11, 12) comprend une surface périphérique conformée pour épouser la surface interne du cylindre (1,2) et en ce que ladite surface périphérique porte des segments d'étanchéité (26) s'étendant chacun le long d'une génératrice de façon à assurer l'étanchéité entre les surfaces coopérantes des pistons (11, 12) et du cylindre (1,2). 5. Moteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le cylindre (1,2) présente, axialement aligné, une partie centrale cylindrique (6) à section transversale circulaire, fermée à ses extrémités par des parties semi-sphériques (7,8). 6. Moteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que deux cylindres (1,2), chacun à deux rotors (11, 12) sont combinés en ménageant entre eux une chambre centrale (4) s'ouvrant dans l'espace interne des deux cylindres au niveau du premier emplacement angulaire précité des cylindres, que la chambre (4) est conformée en chambre d'explosion et comporte les moyens d'allumage (50) précités et en ce que les premiers pistons (11) comme les deuxièmes pistons (12) des deux cylindres (1,2) sont reliés entre eux pour tourner de façon synchrone, par des moyens appropriés tels que des dispositifs à engrenage (21, 22). 7. Moteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le premier piston (11) d'un cylindre (1,2) est rendu solidaire en rotation de l'arbre (14) traversant axialement le cylindre, sur une partie telle qu'avantageusement la moitié de sa longueur et entoure coaxialement la partie restante en laissant subsister un espace annulaire (17), et en ce que l'autre piston (12) est monté solidaire en rotation d'un arbre tubulaire (18) monté coaxial à l'arbre (14) dans ledit espace annulaire (17), les deux arbres (14, 18) étant sortis du cylindre au moins à une extrémité de celui-ci pour etre relié cinétiquement entre eux par le variateur de vitesse (20). 8. Moteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que des canaux de refroidissement (31) par circulation de préférence forcée d'un fluide tel qu'un liquide sont prévus dans les parois du cylindre (1,2). 9. Moteur selon l'une des revendications 4 à 8, caractérisé en ce qu'au moins une barrette d'appui (30) est prévue au niveau de l'ouverture de la chambre de combustion (4) dans l'espace interne d'un cylindre et adaptée pour pouvoir retenir le segment d'étanchéité (26) dans sa position de travail lors de passage de celui-ci devant ladite ouverture.