Brevet FR2674571A1 — publié le 19921002

DESCRIPTION MOTEUR ROTATIF A CHAMBRES TORIQUES VARIABLES La présente invention concerne les moteurs thermiques à combustion interne à quatre temps ou à deux temps (à explosion ou à combustion) ainsi que les pompes à liquides ou à gaz. Les techniques existantes nécessitent (pour les moteurs thermiques à cylindre et piston) une transformation du mouvement linéaire en mouvement rotatif. Les frottements des pistons, bielles, manivelles et culbuteurs sont des inconvénients non négligeables. Le mouvement du piston étant guidé par le cylindre, toutes les surfaces sont en contact. D'autre part, la période du cycle corrrespondant à la plus haute température (début de détente au point mort haut) eat. longue, favorisant ainsi les pertes de chaleur et de pression alors que peu de travail est fourni à cette étape du cycle. Les volumes sont importants ainsi que les masses. La course du piston n'opère un travail que par l'une de ses faces. Cette description est celle d'un moteur à pistons rotatifs constitués par des secteurs de tore mâle solidaires (deux à deux et diamétralement opposés) de chacun des planétaires d'un différentiel dont les satellites entrainent un axe. Ces pistons se déplacent dans un tore femelle constitué d'une partie fixe périphérique et de deux parties mobiles solidaires des planétaires du différentiel. Les pistons décrivent ainsi un mouvement parfait défini par un axe et un rayon sans être guidé par le tore femelle, ainsi seuls les segments sont en contact avec le tore femelle. Des Zumières permettent l'admission et l'échappement. Des pignons satellites (de nombre variable) tournent sur des axes solidaires de l'axe principal, transmettant ainsi L'énergie à l'axe principal, centre de toutes les révolutions. Chaque mouvement de piston réalisant deux phases du cycle (compression et détente ou admission et échappement), les frottements se trouvent réduits,ainsi que le volume. Le travail dû à la détente produit directement un mouvement rotatif. Les pertes d'énergie dues à la transformation du mouvement linéaire en mouvement rotatif n'existent donc pas. Les planétaires ne peuvent tourner que dans un seul et même sens grâce à une roue libre, un système à ergots commandés ou à cliquets. Un dispositif de retenue ou de freinage des planétaires au moment de la compression permet d'obtenir, quelque soit la vitesse de rotation, la compression optimum, y compris pour le démarrage. Afin d'éviter des problèmes d'étanchéité et de permettre une bonne propagation de l'explosion ou de la combustion, les bougies ou injecteurs seront placés dans le piston. Leur alimentation sera déclenchée par la position des planétaires. les pistons peuvent être creux à une extrémité pour augmenter le volume utile et ménager une chambre de combustion ou d'explosion. L'étanchéité des chambres Sera assurée d'une part par des segments circulaires positionnés dans des gorges pratiquées autour des pistons et d'autre part par des segments circulaires situés entre les différentes parties du tore femelle. La lubrification des engrenages et des pistons sera assurée par la centrifugation du lubrifiant grace au mouvement rotatif lui-même. La circulation du lubrifiant est assurée grâce à un échappement qui permet un retour à I'axe moteur. La circulation de l'huile entre les segments s'opère sans roture grâce à des obturateurs de lumières rétablissant Ze tore femelle dans son entité. Ce dispositif dispense de l'obligation d'adjoindre une pompe à huile. Le dispositif de refroidissement équilibre les températures de détente et d'admission. La planche de dessin I décrit les phases du fonctionnement, les lettres majuscules se réfèrent au dessin I. La planche de dessin Il présente une coupe d'une réalisation possible, les chiffres entre parenthèses se réfèrent au dessin I I. Le dispositif comprend un carter (1) traversé par un axe (2) porté par deux roulements à billes (3). Cet axe est l'axe d'un différentiel composé de deux planétaires (4) et d'un axe porteur de satellites (4 bis). Deux roues-Zibres (5) n'autorisent qu'un seul et même sens de rotation aux planétaires. Le carter est constitué à sa périphérie par un tore femelle incomplet (6), ce carter est séparé en deux parties pflr soli milieu, les boutons (7) assemblent les deux parties. Deux autres parties distinctinctes (8) fixées chacune à un planétaire complètent le tore femelle. L'étanchéité entre les parties est assurée par les segments (9). Quatre pistons, secteurs de tore mâle (10) de diamètre légèrement inférieur à celui du tore femelle sont fixés deux à deux de manière à être dicmétralement opposés sur les parties ae tore femelle solidaires des planétaires. Ces pistons sont munis de deux jeux de segments d'étanchéité et racleurs d'huile. De part et d'autre du point (R9, un orifice UJ) permet l'admission du mélange ou de l'air et un orifice (N) permet l'échappement des gaz brûlés. Ces deux orifices ou lumières (ire) et (N) sont munis d'obturateurs permettant, lors du passage des pistons, de restaurer le tore femelle dans son intégralité, ces obturateurs sont commandés par Ze mouvement des planétaires. Un dispositif permet de freiner la rotation de l'un des planétaires jusqu'au point (K). Afin d'éviter toute discontinuité dans le tore femelle, l'allumage ou l'injection se fait par une bougie ou un injecteur situé dans le piston et produisant son effet dans la chambre de combustion. L'accès aux bougies et aux injecteurs se fait par les lumières. Leur alimentation se fait par le corps des planétaires. La lubrification s'opère par centrifugation de l'huile. Des échappements permettent la circulation de l'huile et son retour à l'axe du moteur. L'huile circule autour des pistons depuis des conduits pratiqués dans le corps des parties de tore femelle solidaires des planétaires puis entre les segments racleurs des pistons. Un échappement en fin de circonférence des pistons permet un retour de l'huile à l'axe. Une gorge (G) et un piton (H) déterminent les positions extrèmes relatives des deux planétaires. Le refroidissement se fait par air ou par eau. Les parties les plus chaudes transmettent la chaleur aux parties les plus froides. La pipe d'échappement peut être accollée à la partie la plus froide. Le fonctionnement de ce moteur se réfère aux ina'ications de la planche I des dessins. Les quatre temps du moteur sont simultanés et se produisent grace aux mouvements angulaires toujours positifs mais relatifs des pistons. Ces mouvements génèrent des chambres de travail à volume variable. Nous supposons que le moteur est lancé à une vitesse angulaire 0 ' de l'axe. Le piston A se trouvant en position initiale R, le piston B se déplace sous l'effet de la détente dans l'espace (A, B), l'axe du moteur tourne d'trin an- gle égal à la moitié de l'angle parcouru par le piston B. A ne pouvant reculer est fixe jusqu'au moment où la pression de détento devient égale à la pression de la compression en cours dans l'espace (D, A). Dès ce moment, A a tendance à se déplacer sous Z'effet de la compression mais oppose une résistance due à I'inertie de l'ensemble planétaire duquel il est solidaire. Inversement, le piston D ralentit son mouvement sous l'effet de la compression du gaz utilisant ainsi l'énergie cinétique du planétaire duquel il est solidaire. D et A vont se rapprocher jusqu'a obtenir le taux de compression optimum dans des conditions données de masse des planétaires, de rayon des planétaires et de vitesse de l'axe moteur. Lorsque le taux de compression optimum est atteint, l'espace (D, A) est minimum (vitesses égales des deux planétaires), l' explosion ou l'injection interviennent à ce stade (à l'avance près) provoquant une forte pression dans l'es- pace (D, A). Le piston D doit alors utiliser l'énergie cinétique résiduelle du planétaire duquel il est solidaire pour s'immobiliser en R. Le calcul mathématique permet de calculer Ze moment d'inertie I (fonction de la masse m et du rayon moyen r) pour une vitesse O 'de l'axe du moteur, conditions pour lesquelles le processus est réalisable, dans le cadre d'un fonctionnement selon le cycle de BEAU DE ROCHAS. Nous considérons l'énergie nécessaire pour réaliser la compression depuis le moment où les pressions de détente et de compression sont égales jusqutà la réalisation de la compression optimale, c'est une fonction de (D,A) notons la: F (D, A); d'autre part, nous considérerons l'énergie cinétique du planétaire D de vitesse 2 #' et de moment d'inertie I, ona:E = I (2 #') = 2 I #' Au moment où les vitesses des deux planétaires sont égales à o l'énergie cinétique des deux planétaires réunis est E' - ' (I O t2) + 2 (I #') = I #' Donc E - E' = I # L'énergie disponible pour réaliser la compression F (D,A) est égale à E - E' = 2 8 Si l'énergie de détente après ltexplosion ou l'injection jusqu'au point R est F' (D,A) et I'énergie résiduelle du planétaire portant D étant E'/ 2 = 1/2 I nous pouvons calculer à la fois le moment d'inertie I en fonction de O ' et le point idéal d'explosion ou d'injection. Les calculs précédents nous montrent que le taux de compression devrait croître avaec la vitesse et ainsi compenser l'inertie des gaz à l'admission pour des vitesses élevées. Ces calculs nous permettent ainsi de voir qu'un dispositif faisant varier Ze moment d'inertie des ensembles planétaires-pistons par un mouvement automatique de masses suivant les rayons des planétaires autorise une large plage de vitesse où la compression optimale est obtenue. Les masses et rayons moyens des planétaires seront tels que leur énergie cinétique soit toujours suffisante pour réaliser la compression et pour que D atteigne le point R. Si l'énergie cinétique est insuffisante pour réaliser ce processus (notamment lors du démarrage), un dispositif de retenue (par exemple la compression d'un ressort jusqu'en K) freine A jusqu'en K auquel cas l'énergie nécessaire à la compression est fournie par l'axe moteur. Au moment où D se trouve en R, la nouvelle détente provoque la diminution de l'espace (A,B) et provoque aussi à la fois l'aggrandissement de l'espace (B,C) donc une nouvelle admission et la diminution de l'espace (C,D) donc une nouvelle compression. Une variante à la description de la compression est la suivante: l'énergie cinétique disponible du planétaire en movement est différente de l'énergie nécessaire à la compression, l'explosion ou l'injection intervient dès Ze moment où le taux de compression est optimum, un dispositif entrainé par l'axe du moteur (celui-ci fournissant ou absorbant la différence d'énergie) force alors D à dre la position initiale R. Une autre variante est la suivante : l'énergie cinétique disponible du planétaire en mouvement est toujours supérieure à l'énergie nécessaire à la compression et un dispositif automatique variant selon la vitesse 0' (type régulateur a boules, ou courants de FOUCAULT) retarde Ze rapprochement de D et A afin que D s'immobilise en R. Quelques modifications des lumières et de l'allumage ou injection peuvent faire de ce moteur un moteur à deux temps et à l'inverse, lorsque l'axe principal est entrainé il devent une pompe à liquides ou à gaz selon le choix de l'emplacement et du nombre de lumières. Ce moteur est susceptible de remplacer les moteurs à pistons et biellesmanivelles dans toutes leurs utilisations avec pour avantage une réduction de la masse des moteurs et des frottements, donc des prix ainsi que de la consommation des carburants. La vitesse d'un planétaire ne se transmettant que pour moitié à l'axe moteur, ce moteur est lent, sa vitesse est donc proche des vitesses d'utilisation (ne nécessitant que peu de démultiplication). REVENDICATIONS 1 ) Moteur caractérisé en ce que ses pistons toriques (10) décrivent une révolution dans un tore femelle (6) èt (8), des pistons au nombre de quatre sont constitués par des secteurs de tore mâle (10) solidaires (deux à deux et diamétrale ment opposés) des deux planétaires (4), d'un différentiel dont les satellites (4bis) entrainent l'axe (2) du moteur, axe de toutes les révolutions. La révolution des pistons est défini par l'axe de rotation du différentiel et un rayon. 2) Dispositif selon la revendication 1) caractérisé en ce que le tore femelle est constitué d'une partie fixe (6) périphérique et de deux parties internes mobiles (8) (solidaires des planétaires du différentiel). 3 ) Dispositif selon la revendication 1) caractérisé en ce que l'admission et l'échappement topèrent par deux orifices pratiqués aux endroits M et N de la partie fixe du tore femelle (6). 4 ) Dispositif selon la revendication n 1) caractérisé par le fait que les planétaires (4) ne peuvent tourner que dans un seul et me me sens (ergots commandés par la position du planétaire, cli quets ou roue libre à billes anti-retour (5). 5) Dispositif selon les revendications précédentes caractérisé par un système de retenue ou de freinage du planétaire de R jusqu'en K destiné à obtenir la compression optlmnle quelque soit la vitesse du moteur et en particulier au démarrage. 6) Dispositif selon les revendications nO 1) à 4) caractérisé par un système faisant varier Ze moment d'inertie des ensembles planétaires-pistons par un mouvement automatique de masses suivant les rayons des planétaires afin d'obtenir une large plage de vitesses où la compression optimale est obtenue sans dispositif de freinage défini en 5). 7) Dispositif selon la revendication n0 1) caractérisé par le fait que bougies ou injecteurs se trouvent dans les pistons flO) dans lesquels sont pratiquées des chambres de combustion, leur alimentation est déclenclzée par la position des planétaires (4). 8 ) Dispositif selon les revendications n0 Il et 2) caractérisé en ce que l'étanchéité des chambres est assurée d'une part par des segments positionnés dans les gorges pratiquées sur la circonférence des pistons et d'autre part par des segments circulaires (9) situés entre les différentes parties fixes et mobiles du tore femelle. 9) Dispositif selon les revendications nO 1) et 3) caractérisé par un système de Zubrification utilisant la centrifugation de l'huile créée par Ze mouvement rotatif Zui-même et sa circulation grâce à un échappement situé après le passage sur les parties à Zubrifier, l'échappement permet un retour du lubrifiant à l'axe du moteur. Des obturateurs de lumières commandés par le passage du planétaire rétablissent le tore dans son intégralité afin d'éviter une rupture du circuit d'huile. 10) Dispositif de refroidissement selon t la revendication n 1) caractérisé en ce que les parties les plus chaudes transmettent la chaleur aux parties les plus froides. La pipe d'échappement peut être accollée à la partie la plus froide. 11) Procédé de fonctionnement du dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que les quatre temps du moteur sont simultanés et se produisent grâce aux mouvements angulaires toujours positifs mais relatifs des pistons. Ces mouvements génèrent des chambres de travail à volume variable. Nous supposons que Ze moteur est Zancé à une vitesse angulaire 0 ' de l'axe. Le piston A se trouvant en position initiale R, le piston B se déplace sous l'effet de la détente dans (A,B), l'axe du moteur tourne d'un angle égal à la moitié de Z'angle parcouru par Ze piston B. A est fixe jusqu'au moment où la pression de détente devient égale à la pression de la compression en cours dans l'espace (D,A). Dès ce moment, A a tendance à se déplacer sous Z'effet de la compression mais oppose une résistance due à l'inertie de l'ensemble planétaire duquel il est solidaire. Inversement, le piston D ralentit son mouvement sous l'effet de la compression du gaz, utilisant ainsi L'énergie cinétique du planétaire duquel il est solidaire.D et A vont se rapprocher jusqu'a obtenir le taux de compression optimal dans des conditions données de masse et de rayon moyen des pZané- taires et de vitesse de l'axe moteur. Lorsque te taux de compression optimum est atteint, l'espace (D,A) est minimum (vitesses égales des deux planétaires). L'explosion ou Z'injection interviennent à ce stade (à l'avance près) provoquant une forte pression dans l'espace (D,A). Le piston D doit alors utiliser l'énergie cinétique résiduelle du planétaire duquel il est solidaire pour s'immobiliser en R. Le calcul mathématique permet de calculer le moment d'inertie I du planétaire (fonction de la masse m et du rayon moyen r) pour une vitesse O de l'axe du moteur, conditions pour lesquelles le processus est réalisable, dans le cadre d'un fonctionnement selon le cycle de BEAU DE ROCHAS. Nous considérons l'énergie nécessaire pour réaliser la compression depuis Ze moment où les pressions de détente et de compression sont égales jusqu'a la réalisation de la compression optimale, c'est une fonction de (D,A) notons la: F (D,A) ; d'autre part nous considérerons l'énergie cinétique du planétaire portant D de vitesse 2 O ' et de moment d'inertie I. On a E = I (2 #') = 2 I #'2 Au moment où les vitesses des deux ptanétaires sont égales à o ', l'énergie cinétique des deux planétaires réunis est E' = 2 a o ss ) + 2 (I 0 2) = I #' Donc E - E' = I #' L'énergie disponible pour réaliser la compression F (D,A) est égale à E - E' , 2 Si l'énergie de détente après l'explosion ou l'injection jusqu'au point R est F '(D,A) et l'énergie résiduelle du planétaire portant D étant E '/2 = I #' , nous pouvons calculer à la fois Ze moment d'inertie I en fonction de O ' et le point idéal d'explosion ou d'injection. Les calculs précédents nous montrent que le taux de compression devrait croître avec la vitesse et ainsi compenser l'inertie des gaz à l'admission pour des vitesse élevées. Les masses et rayons moyens des planétaires seront tels que Zeur énergie cinétique soit toujours suffisante pour réaliser la compression et pour que D atteigne le point R. Si I'énergie cinétique est insuffisante pour réaliser ce processus (notamment lors du démarrage), un dispositif de retenue freine A jusqu'en K auquel cas l'énergie nécessaire à la compression est fournie par l'axe du moteur. Au moment où D se trouve en R, la nouvelle détente provoque la diminution de l'espace (A,B) et donc l'échappement du résidu de la détente précé dente (A,B) et provoque aussi à la fois Z'aggrandissement de l'espace (B,C) donc une nouvelle admission et la diminution de l'espace (C,D) donc une nouvelle compression. Une variante à la description de la compression est la suivante : L'énergie cinétique disponible du planétaire en mouvement est différente de l' énergie nécessaire à la compression, l'explosion intervient dès le moment où le taux de compression est optimum, un dispositif entrainé par l'axe du moteur (ce lui- ci fournissant ou absorbant la différence d'énergie) forçant alors D à atteindre la position initiale R. 12) Dispositif selon les revendications précédentes selon lesquelles quelques modifications des lumières peuvent faire de ce moteur, Lorsque l'axe principal est entrainé, une pompe à Ziquides ou à gaz, selon le choix de l'emplacement et du nombre de lumières.