Brevet FR2652391A1 — publié le 19910329

La présente invention concerne une pompe à fluides à multirotors, réversible en turbine,utilisable en moteur à combustion interne 4 temps ou 2 temps. Il existe de nombreux modèles de pompes à fluides, mais celle ci 9 la particularité de former des chambres d'aspiration et de refoulement à débit et pression comparables à une pompe alternative classique, mais en n utilisant que des mouvements rotatifs, elle ne comporte absolument aucun mouvement alternatif. Son adaptation en moteur à combustion interne permet la réalisation d'un moteur parfaitement rotatif doté, de surcrort de rotors parfaitement equilibrés. Cette pompe rotative comporte plusieurs rotors(au minimum 3) tournant dans le même sens dans un stator formé du même nombre de cylindres que de rotors. La forme des rotors dépend de leur nombre, soit par exemple, 3 rotors d'aspect triangu laird dans un stator tricylindrique, ou 4 rotors d'espect ellipsoïde dans un stator quadricylindrique, ou X rotors dans un stator I rois cylindriques. t Dans un I décrirons la pompe à 4 rotors. Chaque rotor a la forme de deux segments circulaires accolés par leur corde. Ils tournent tous les 4 dans le même sens sur 4 axes équidistants dans un stator composé de 4 moitiés de cylindres1 dont le 1iemètre correspond à la corde des rotors, communiquent par leur jonction. Pour tourner tous les 4 dans le meme sens, chaque rotor est reliE en son centre à un pignon extérieur au stator, identique pour les 4 rotors, qui s'engrêne sur un cinquième central. Les 4 pignons peuvent également s'engrêner sur une couronne externe ou encore être entraînes par une courroie crantée avec galets tendeurs. Les ouvertures d'aspirations et de refoulements de cette pompe à 4 rotors peuvent occuper plusieurs positions: soit centrale et périphérique munies de clapets soit situées aux extrémités des rotors, ces ouvertures, dotées également de clapets, traversent l'intérieur des rotors et de leur axe pour communiquer avec ltextérieur. La figure I représente la pompe avec les rotors à 0 de rotation. La figure 2 rotors à t450 de rotation. La figure f: rotors à 900 de rotation. La figure +: I35 de rotation. La figure 7: 1800 de rotation. ) Sur ces 4 figures sont La figure 8: 2250 de rotation. # représentées les ouvertu La figure 9: 2700 de rotation. ras situées aux extrémi- La figure I0: 3I50 de rotation. tés des rotors. La figure 5 les 4 pignons des rotors qui stengrênent soit dans un cinquième central, soit dans une couronne péri phérique, ou les deux à la fois. La figure 6: les 4 pignons entraînés par une courroie crantée tendue par 4 galets tendeurs. La figure Il: l'ouverture centrale et les 4 périphériques. Sur les différentes figures, on reconnait les rotors ayant l'aspect de deux segments circulaires accolés par leur corde, le carter quadricylindrique, le pignon le chaque rotor, le pignon central, la couronne périphérique (fig 5), la courroie crantée et les galets tendeurs (fig 6). En passant de la figure I à la figure 4, on voit très bien que lors de leur rotation simultanée, les rotors restent toujours tangents-entre eux et tangents aux bords internes du stator, ce qui crée au centre de la pompe des variations de volume: quand les extrémités des rotors s'éloignent 4u centre de la pompe, il existe une augmentation du volume interne,inversement,quand ils s'en rapprochent (de la figu- re 3 à la figure I), il existe une diminution de volume allant jusqu'à sa disparition complète. En 3600 de rotation (c test à dire de la figure I à la figure IO), il se crée deux chambres d' aspiration-et deux chambres de refoulement. D'autre part, entre les rotors et le stator, se créent également des volumes qui eux varient en sens inverse des volumes centraux, c'est à dire que quand il se crée une aspiration au centre il se crée un refoulement en périphérie, et vice verça. Donc au total, en 5600 de rotation, se seront créées 4 chambres d'aspirations et 4 chambres de refoulement. Il est à remarquer: - les chambres qui se créent au centre et en p0riphérie ont exactement le même volume, - il n'y a aucun frottement interne car les rotors évo- luent toujours tangentiellement, ainsi avec des pièces usines au centième de mm, une bonne 2tanchéité devrait être obtenue, - 1' usure des pignons ne peut pas décaller les rotors, car ils tournent dans le même sens, l'usure entrainera un retard sur chaque rotor, mais le même retard pour chaque et des rqul;;ents rotor.D'autre part on peut utiliser des engrenagesxa rattrapage de jeu et d'usure automatique, à a 900 (fig 3) la réunion des faces externes des 4 rotors forme un cercle parfait, - il est possible de donner une autre forme aux 4 rotors du moment que lors de leur rotation, ils restent tangents entre eux et tangents au stator Les ouvertures d'aspirations et de refoulements des fluides peuvent occuper plusieurs positions:: I) Elles peuvent être centrale et ppriph4rique (fig II) - l'ouverture centrale est munie de deux clapets et permet le passage des fluides lors des phases d'aspiration et de refoulement, - les ouvertures périphériques sont au nombre de 4, situées à la jonction des 4 cylindres et ega lement munies de clapets. 2) Les ouvertures peuvent être situées aux extrémités des rotors (fig 7 à I0). Les fluides pour venir ou se rendre à l'extérieur de la pompe, traversent l'intérieur du rotor et de son axe par des canali sations. A signaler, que lors des phases d'aspira tion et de refoulement dans la partie centrale de la pompe, seules les ouvertures correspondantes se trouvent dans la chambre, ctest à dire les ouvertu res d'aspirations lors des phases d'aspiration, les ouverture s de refoulement lors des phases de refou lement, ce qui fait que si 1'on93;utilise que la par tie centrale de la pompe, aucun clapet n'est néces saire.Par contrs si on utilise également la péri phérie, les deux ouvertures se trouvent simultanement dans les chambres externes, ce qui oblige, dans ce cas là de doter toutes les ouvertures de clapets. Les mêmes principes stedqptent à une pompe "trirotor". La figure I2 représente une pompe trirotor à 0 de rotation. La figure I3: 300 de rotation. La figure I4: 600 de rotation. La figure I5: 900 de rotation. On voit que pour une pompe trirotor, les rotors ont une forme triangulaire arrondie, le stator est tricylindrique, il y a 3 pignons et un quatrième central (ou une couronne externe ou une courroie crantée), la rotation des rotors crée une chambre centrale et 5 an périphérie, les ouvertures d'aspiration et de refoulement peuvent être également disposées soit au centre et en périphérie, soit aux extrémités des rotors. Pour 5600 de rotation, il y a 6 chambres d'aspiration (5 centrales + 3 périphériques) et 6 chambres de refoulement (3 centrales + 3 périphériques), Il est à signaler que l'on peut réaliser une pompa à 5 rotors dans un stator à 5 cylindras, ou même encore plus, mais la réalisation deviendrait fort délicate .D'autre part à partir de 6 cylindres, il semble que l'on ne puisse plus obtenir de variations de volumescotd = rayon du cercle circon scrit) Cette pompe peut être utilisée dans de nombreux domaines industriels grace notamment à un certain nombre d'avantages:: - les formes des rotors et des stators sont relativement simples (les figures de la pompe à 4 rotors ont été uniquement tracées au compas), - les rotors sont symétriques et équilibrés, - les mouvements sont uniquement rotatifs, il n'existe pas de déplacement alternatif, - il n'y a pas de frottement interne du fait même des déplacements tangentiels, - la pompe est inversible, l'inversion du sens de rotation inverse le sens aspiration refoulement, - la pompe est réversible, c'est à dire quelle peut réagir en turbine, - l'association de 4 pompes en étoile (fig I6 et I7) n'additionne pas mais multiplie les chambres centrales, en effet les 4 rotors centraux communs aux 4 pompes créent 5 nouvelles chambres ( sur la figure 16::quatra en aspiration et une en refoulement, sur la figure 17: quatre en refoulement et une en aspiration), - on peut accoler 2 pompes face à face avec leurs rotors dUcallsss de 900 (pour un quadrirotor), ce qui éliminerait d'éventuelles vibrations, - au centre de la pompe, à la fin de la phase de refoulement, il n'y 9 pas d'espace mort, ce qui permet d' atteindre des pressions élevées, - en faisant varier le rayon des cylindres du stator, on obtient des formes légorement différentes de rotors, ce qui modifiera les caractéristiques de la pompe. La pompe multirotors décrite, nous allons aborder mainte nant l'étude du moteur à combustion interne multirotor à 4 temps et à 2 temps. Pour la réalisation de tels moteurs, il faut qu'il y ait une chambre d'explosion, ce qui ne peut pas se produire avec la pompe, car àltPXle volume central disparait. Cependant,à iM ,on peut créér un volume résiduel de 4 manièas:différantes: - en modifiant la partie pointue de chaque rotor en y créant une petite cavité (fig I9). Le rassemblement de ces quatre volumes àlAP formera la chambre d'explosion. - on ne modifie pas la forme des rotors, mais on menage dans le stator une ou plusieurs cavités qui serviront de chambre d'explosion. - la forme des rotors est modifiée. Sur la figure I8 est dessinée en trsit plein la nouvelle forme, et en pointillés la forme du rotor de la pompe quadrirotor, on voit qu'on lui a fait gagner en largeur ce qu'il a perdu en longueur. Les courbes des extrémités sont étudiées por conserver une tan geance constante entre les rotors et entre les rotors et le stator, à l'extrémité A, la courbe a pour rayon le rayon des cylindres (qui a été raccourci de 3C), à l'extrémité B, la courbe a pour rayon le rayon X qui a servi à tracer les co tés du rotor. D'autres formes sont possibles à condition qu'il y ait toujours tangeance. - an combinant plusieurs des solutions précédentes. La forme décrite à la figure I8 s'adaptent mieux à une segmentation, c'est sous cette forme que nous étudierons le moteur "quadrtrotor" à 4 temps. Les 4 temps du cycle beau de Rochas qui est à la base du moteur 4 temps classique se réalisent alors en 5600 de rotation (fig 20 à 27): de O à 900 admission, de 90 à I800 compression dans la chambre d'explosion précédemment décrite, de I80 à 2700 combustion détente, de 270 à 3600 échappement. Le fonctionnement de ce moteur ne nécessite pas de soupape, en effet l'admission et l'échappement peuvent se faire par des lumières ménagées dans les rotors, chaque lumière communique avec l'extérieur par des passages ménagés dans les rotors et leur axa. On voit qu'avec de telles dispositions des lumières, la distribution est logique: les lumières d'admission se découvrent au temps d'admission; durant les temps compression, combustion détente, aucune lumière n'est dans la chambre centrale; au temps échappement seules les lumières d'achappemant sont en présence de la chambre centrale. L'utilisation de soupapes est également possible, elles seraient alors directement commandées par des cames situées sur le cinquième pignon central. En une rotation de 5600, les 4 temps sont réalisés, et le temps moteur est de 900. Un tel moteur ne peut fonctionner que s'il v a étanchéité. Cette étanchéité est réalisée gracie aux segments d'extrémité et de côté. (voir également page Le segment d'extrémité a une forme arrondie en quart de cercle. Il est logé dans T'extrémité du rotor correspondant aux temps compression détente (l'autre extrémité n'est pas segmentée). La forme de ce segment est donné sur la fig.28 où est représenté en trait plein le segment, et en pointillés le rotor. Le segment est composé de deux parties s 'em- boitant l'une dans l'autre, deux ressorts internes ont tendance à les écarter en permanence. Le segment est mobile dans le rotor, c'est à dire qu il peut se déplacer latéralement, les déplacements latéraux sont toutefois limités gracie à se forme en 5 qui s'emboite dans la rotor. ee segment, peut être conçu à rattrapage d'usure automatique. quelques centième de mm, la segment a la dimension de son logement dans le rotor, ce qui lui permet de coulisser. Une segmentation complémentaire (fig.29) est prévue pour rendre étanche le segment. Le fonctionnement de ce segment d'extrémité est décrit sur las figures 52, 33, 34 qui représentent les rotors à I600, I800, 2000; à I600, la pression qui se produit dans la chambre de compression exerce une poussée sur le segment, l'ap pliquant ainsi sur le rotor tangeant et réalisant ainsi 1' étanchéité à I800 les 4 segments appuient sur les 4 rotors, la com bustion commence, à 2000, la pression dûe à la combustion exerce une poussée sur l'autre côté du rotor, ce qui fait coulisser les segments qui viennent réaliser ainsi l'étanchéité avec le rotor tangeant. Sur les figures 32 à 34, le Jeu a été intentionnellement agrandi, en fait le déplacement latéral des segments n'est que le quelques dixièmes de mm. L'étanchéité entre le stator et le segment circulaire est obtenue grâce à la pression des ressorts intérieurs au segment. Il est à signaler que la disposition et la forme des segments circulaires font que les effets néfastes de la force centrifuge sont annulés Etude du segment de côté: en fig.50, on voit que ce segsent (élastique) en gris, déborde légèrement le rotor (en pointillé), et qu'il s'articule avec le segment d'extrémité par une liaison étanche, erce à un petit segment monté sur ressort. La fig.3 I , montre en fait que le segment de côté est formé de deux segments qui s'emboitent l'un dans l'autre et qu'un ressort interne ainsi que des lames d'acier ondulé exercent constamment une force d'écartement, réalisant ainsi l'étanchéité entre les flancs du stator et les flancs des rotors.Un complètement d'étanchéité est obtenu par 2 seg- ments circulaires centrés sur l'axa des rotors (fig.50). quels sont les avantages d' un tel moteur rotatif par rapport au moteur alternatif classique: - nette diminution des pièces, élimination des soupapes, culbuteurs-, arbrs à cames, bielles, vilebrequin - il n'y a que des mouvements purement rotatifs, tout déplacement alternatif est supprimé, - les rotors sont facilement équilibrables, - à cylindrée égala, l'encombrement et le poids sont nettement diminués, - les lumieres d'admission et d'échappement sont largement dimentionnées t sont au nombre de 4 pour chacune, - les chambres en périphérie peuvent être utilisées comme compresseur, - les 2 premiers temps admission et compression se font sur une face des rotors, les deux autres temps sur l'autre face, - la périphérie peut être utilisée pour ventiler et re froidir les rotors, - la conjonction de ces deux derniers avantages permet d'augmenter le taux de compression sans accroître le risque d'auto allumage, - pour faire un cycle complet, les rotors n'ont effectués que 5600 de rotation, alors que sur un 4 temps classique, il en faut 720, -en associant 4 moteurs en étoile (fig I6 et I7), on multiplie les chambres centrales, donc les temps moteurs: 4 moteurs séparés donnent 4 temps moteurs pour 5600 4 moteurs en étoila donnent 9 temps moteurs pour 5600, - on peut associer 2 moteurs face à face calos à 900, ce qui donnerait un équilibrage parfait, - pollution? Comme on le voit le moteur "multirotor" réunit de nombreux avantages,son seul inconvénient est au niveau de son étanchéité et seule la réalisation 1' un prototype permettrait de la mesurer. Dans l' avenir, avec des pièces réalisées an céramique et ajustées au centième de mm, on devrait obtenir une bonne étanchéité.Rappelons qu'il n'y a aucun frottement sauf les segments interne et onc aucune usure, et que d'autre part l'usure des engrenages (qui tournent dans un bain d'huile) ne décale pas et des roulements les rotors, et qu'enfin on peut utiliser des engrenages # à rattrapage de jeu et d'usure automatique. En dernier lieu, signalons qu'un film dthuila devrait procurer une bonne étanchéité. Par rapport au moteur rotatif "Wankelt', le multirotor présente également des avantages: - il est purement rotatif, à 1' inverse du manuel qui est alterno rotatif: le rotor (qui a d'ailleurs la même forme que les rotors de la pompe trirotor), monté sur un excentrique, tourne en s'approchant et en s'éloignant de la périphé- rie du stator, - son stator a une forme beaucoup plus simple que l'épi- trochotle du Wankel, - pignons de plus grande robustesse, de moindre usure, et surtout usure sans influence sur le calage des rotors, ceci à l'inverse du gankel qui comporte des pignons nettement plus petits, surtout le pignon intérieurs, qui tourne d'ailleurs 3 fois plus vite que le rotor, ce qui provoque une usure rapide de l'engrenage, responsable de jeu dans le rotor et de nette diminution de l'étanchéité, - segmentation peut être plus facile. Ces éléments semblant donner l'avantage au multirotor, or le Wankel est toujours construit et est encore monté sur des voitures de marque étrangère (japonaise). Un dernier avantage sur le 4 temps classique et sur le XankeL est procuré par la possibilité qu'a le quadrirotor de tourner beaucoup plus vite, en effet, rien ne s'oppose a ce qu'il tourne à des régimes de rotation élavés, par exemple I0000 tours par minute. Le moteur multirotor peut également tourner en cycle 2 temps. Pour sa réalisation, on reprend les mêmes principes que pour le 4 temps sauf: - il faut modifier la deuxième extrémité du rotor pour qu'à 0 il y ait la même chambre d'explosion, en effet, en deux temps, il y a une explosion à chaque extrémité, - les lumières d'admission et d'échappement seraient si tuée s sur le flanc du stator comme il est indiqué sur la figure 37: les lumières d'échappement sont situées de telle manière qu'elles s'ouvrent juste avant celles d'admission. D'autre part, Les lumières d'admission sont reliées avec les chambres périphériques par des conduits ménagés dans la stator. Le cycle 2 temps, imaginé par Lenoir et clerc, se réalise en I800: figure 35: les rotors sont à 00, les gaz comprimés, on provoqua l'explosion, les gaz brûlent, la pression s' élève, figure 36: la détente amène les rotors à 450, figure 37: à 600, les rotors découvrent les lumières d'échappement, les gaz d'échappement s'échappant à l'exté- rieur. Dix degrés plus tard, soit à 700, les rotors découvrent les lumières d'admission, les gaz frais, préalablement comprimés à la périphérie, chassent les gaz brûlAs et les remplacent, ensuite, les gaz frais sont comprimés, et à I800, le cycle est achevé. Au total, en 5600 de rotation, il y a 2 temps moteurs. D'autres solutions sont envisageables pour l'admission et l'échappement: - les lumières peuvent être disposés dans les rotors comme indiqué sur la figure 18, mais ouverture dès 450, - lumière d'admission au centre même du moteur, ce qui balaiera les gaz brûlés (comme dans un moteur à charge stratifiée) la lumière étant commandée par une valve électronique, - lumière d'echappament commandée par une valve dlectro- nique, - on pourrait également commander l'admission et l'échap- pement par des soupapes qui seraient directement actionies par des cames situées sur le pignon central, l'admission se ferait au centre, et l'échappement plus en périphérie. Sur les mêmes principes que le quadrirotor, on peut éga- lement réaliser un trîrotor. Ce trirotor peut également fonctionner en 4 temps et en deux temps. En 4 temps, on obtient 3 temps moteurs pour 7200 de rotation, an 2 temps 3 temps moteurs par tour. Pour le reste des organes du moteur, on reprend évilem- ment les organes classiques d'allumage, de carburation, de refroidissement et de graissage (ou de mélange 2 temps). Revenons à la segmentation:la fig.39, en donne les détails. - le segment d'extrémité (a) coulisse dans le rotor selon la face sur laquelle s'exerce la pression (représentée par la flèche) dans la chambre centrale, - le segment de côté (b) a sa forme détaillée sur les figures 30 et 3I, la fig.39, représente l'ensemble de la segmentation vue de dessus (ou de dessous), en (c) sont represen- tées les lames élastiques (il y en a deux par rotor), qui exercent une force d'écartement entre les parties latérales du segment, ce qui les fait trés Légèrement déborder des rotors (figurés en pointillés), À-la figure 99, on est à 2000 de rotation, la pression de la détente s'exerce sur le segment d'extrémité qui vient appuyer sur le segment de côté dont l'élasticité permet un contact en douceur" entre ces deux segments. L'étanchéité dans la chambre d'explosion est donc obtenue: - entre rotors par le contact entre les segments de côté et d'extrêmité, - entre rotors et stator par la pression des segments de côté, - entre le segment d'extrémité et le segment de côté par le troisième petit segment (d) tendu par un ressort, - entre les rotors et leur axe par les segments cir cula iras. Gala fait beaucoup de frottements, et il faut évidemment trouver la tension des ressorts juste suffisante pour réaliser l'étanchéité. REVENDICATIONS 1) Pompes ou moteurs multirotors caractérisés en ce qu'ils comportent 3, 4 ou 5 rotors tournant dans le meme sens et à vitesse de rotation égale dans un stator composé respectivement de 3,4 ou 5 parties cylindriques de diamètre égal à la longueur des rotors, chaque rotor est monté sur un axe muni de roulements, chaque axe est monté sur un pignon, les pignons s'engrênent soit sur un pignon central et ou sur une couronne périphérique, soit sur une courroie crantée munie de galets tendeurs de sorte que lors de leur rotation, les rotors restent tangents entre eux et tangents aux bords du stator, créant ainsi des variations de volume dans la chambre centrale et dans les chambres périphériques, des lumières créées dans le stator ou dans les rotors permettant le passage des fluides. 2) Pompe multirotors selon la revendication 1 caractérisée en ce qu' elle comporte 4 rotors dont la forme s apparente à 2 segments circulaires accolés par leur corde évoluant dans un stator formé de 4 demi cylindres dont le diametre est égal à la corde des rotors. 3) Pompe multirotors selon la revendication 1 caractérisée en ce qu'elle comporte des rotors triangulaires arrondis évoluant dans un sta to r tricylindrique. 4) Pompe multirotors selon l'une quelconque des revendications 1,2 ou 3 caractérisée en ce que les ouvertures sont munies de clapets et sont disposée s: soit au centre du stator et à la jonction des cylindres de celui ci, soit dans les extrémités des rotors avec canalisations à l'intérieur des rotors et de leur axe, permettant le passage des fluides. 5) Moteurs multirotors selon la revendication 1 et 1' une quelconque des revendications 2 ou 3 caractérisés en ce que les rotors sont raccourcis en extrémité et épaissis latéralement de manière à laisser subsister un volume résiduel lorsque leur rotation les amène au centre du stator, pour y définir une chambre de combustion. 6) Moteurs multirotors selon l'une quelconque des revendications 1,2,3 et 5 caractérisés en ce que les extrémités des rotors sont pourvues d'un segment d'extrémité (a) de forme arrondie coulissant dans le rotor en fonction de la pression régnant dans la chambre centrale, ce segment lui meme étanché par des segments perpendiculaires est composé de deux parties s'emboitant l'une dans l'autre maintenues écartées par des ressorts internes, et en ce que les rotors comprennent également des segments de flanc constitués d'une part de deux segments de côté recouvrant les côtés et les bords du rotor, formés de lames élastiques (c) et débordant légèrement la largeur du rotor, et composés de 2 parties s'emboi- tant l'une dans autre maintenues écartées par des ressorts internes et s'articulant avec le segment d'extrémité (a) par un petit segment (d) tendu par un ressort, et d'autre part de deux segments circulaires centrés sur l'axe des rotors et appliqués sur les flancs du stator. 7) Moteur multirotors selon l'ensemble des revendications 1,5 et 6 caractérisé en ce qu'il comporte des lumières d'admission et d'échappement situées dans les extrémités des rotors, les gaz d'admission traversant l'intérieur des rotors et de leur axe pour arriver dans la chambre centrale, les gaz d'échappement s'échappant à ltextérieur par des conduits indépendants de l'admission traversant également l'intérieur des rotors et de leur axe. 8) Moteur multirotors appliqué à la réalisation d'un cycle deux temps selon les revendications 1,5 et 6 caractérisé en ce qu il comporte des lumières d'admission et d'échappement situées sur les flancs du stator les lumières d'échappement étant disposées de façon à ce qu'elles s'ouvrent juste avant celtes d'admission, les lumières d'admission étant reliées aux chambres périphériques par des conduits ménagés dans le stator. 9)Moteur multirotors fonctionnant selon un cycle 2 temps ou 4 temps selon les revendications 1, 5 et 6 caractérisé en ce qu'il comporte des lumières d'admission et d'échappement situées sur les flancs du stator, commandées soit par des soupapes actionnées par des cames incorporées au pignon central, soit par des valves électroniques. 10) Pompes et moteurs multirotors selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisés en ce qu'ils sont constitués de plusieurs moteurs ou pompes accolés en étoile ou face à face