Brevet FR2689564A1 — publié le 19931008

La présente invention concerne les moteurs à combustion rotatifs à pistons rattrapants c'est-à-dire des moteurs dans lesquels les chambres de volume variable sont délimitées dans une enceinte de révolution (cylindrique ou partiellement sphérique) par des cloisons (pistons) qui tournent dans cette enceinte à une vitesse moyenne identique mais qui ont un mouvement cylindrique de battement relatif. Ce battement est assuré par une liaison mécanique des cloisons entre elles réalisées au moyen de pignons dentés à courbe primitive différente d'un cercle. Ce type de moteur est décrit dans de nombreux documents. On citera pour mémoire le document US-A-3.730.654 et le document WO 86/05548. Il n'a cependant jusqu'à ce jour jamais été construit car l'asservissement mécanique des pistons entre eux n a jamais donné pleinement satisfaction. Depuis quelques années, on sait réaliser des accouplements mécaniques de ce type qui sont satisfaisants car présentant les mêmes qualités de transmission de couple, de capacité, de continuité dans la conduite et de résistance que les engrenages circulaires à denture classique droite ou hélicoïdale à profil en développante de cercle. L'invention a pour objet une chambre de combustion pour un moteur rotatif à pistons rattrapants qu'il soit ou non à allumage commandé. Cette chambre étant délimitée par une enceinte stationnaire de révolution autour d'un axe et par deux pistons de cloisonnement rotatifs, écartés l'un de l'autre dans ltenceinte d'un secteur angulaire de volume variable cycliquement lors de la rotation des pistons autour de l'axe de l'enceinte. Selon l'invention au moins l'une des parois mobiles de la chambre comporte, au voisinage de l'enceinte, une cavité ouverte dont le volume détermine sensiblement le volume de la chambre de combustion en fin de compression.On crée ainsi un volume de confinement du mélange combustible à enflammer qui d'une part est très ramassé donc qui peut être rapidement parcouru par le front de la flamme lors de l'allumage et dont d'autre part on maîtrise la forme afin d'imprimer tant à la compression que pendant la phase de combustion, un mouvement au gaz favorisant l'homogénéité du mélange et la propagation de l'inflammation. On supprime ainsi l'un des inconvénients majeurs de ces pistons qui tient à la forme de la chambre de combustion en secteur angulaire dont la pointe située à proximité de l'axe de rotation des pistons est éloignée de l'organe d'allumage et donc n'est pas facilement atteinte par le front de flamme. Cette forme non favorable de chambre de combustion engendre une production d'imbrûlés qui n'est plus admissible du fait de son caractère polluant. De manière préférée, la cavité est ménagée à proximité d'une arête extérieure du piston, son ouverture sur la chambre principale de combustion étant disposée sensiblement à la place de cette arête. Par cette réalisation la cavité possède une ouverture immédiatement au voisinage de la paroi stationnaire de l'enceinte c'est-à-dire de celle qui porte soit l'organe d'allumage dont on commandera le fonctionnement sur les moteurs à allumage commandé soit l'injecteur pour les autres au moment du passage de l'ouverture à sa proximité. De manière preférée, la cavité est ménagée dans la paroi avant de la chambre dans le sens de rotation du moteur. Dans ce cas l'autre piston, dépourvu de cavité, peut être prolongé par un bec de fermeture partielle de cette ouverture en fin de compression. Ce bec pourra être pourvu d'une échancrure préservant une communication entre le volume interne de la chambre et l'organe d'allumage ou d'injection, la longueur de cette échancrure étant telle que la communication entre le volume interne de la chambre et cet organe soit préservée pendant un temps suffisamment long et ce, quelle que soit la vitesse de rotation du moteur. Afin d'améliorer la pénétration du combustible à l'intérieur de la cavité, cette dernière peut comporter une ou plusieurs tuyères établies entre la partie principale de la chambre de combustion et la cavité, ces tuyères étant de section convergente en direction de la cavité et étant dirigées sensiblement tangentiellement à la surface interne de la cavité et en balayage du débouché de la première ouverture dans le même sens que celui de rotation des pistons. Le rôle de ces tuyères est de créer un entraînement des gaz à l'intérieur de la cavité et tourbillonnaire, afin d'améliorer le remplissage de celle-ci et de créer une turbulence d'homogénéisation du mélange en fin de phase de compression. Dans un mode de réalisation simple, la cavité est cylindrique, c'est-à-dire parallèle à l'axe de rotation des pistons, ce qui permet de recouvrir aisément sa paroi interne d'une chemise réfractaire pour limiter l'échauffement des pistons dont le refroidissement demandera des dispositions constructives particulières. Enfin on mentionnera une variante de réalisation dans laquelle la chambre de combustion présente deux cavités ménagées chacune dans un piston au voisinage de son arête extérieure et le moteur comportant , s'il est à allumage commandé, deux organes d'allumage angulairement distants l'un de l'autre pour réaliser l'allumage du combustible contenu dans chacune des cavités. D'autres caractéristiques et avantages ressortiront de la description d'exemples de réalisation donnée ci-après à titre non limitatif. Il sera fait référence aux dessins annexés dans lesquels - la figure 1 est une vue schématique d'un moteur conforme à l'art antérieur auquel s'applique l'invention, - les figures 2 à 7 sont des vues schématiques de la chambre de combustion selon l'invention dans diverses configurations avant la fin de la phase de compression qui correspond à la figure 6 et après cette phase de compression comme illustré à la figure 7. - la figure 8 est un schéma montrant une variante de réalisation à deux cavités par chambre de combustion, A la figure 1 on a représenté schématiquement une machine volumétrique qui peut être, conformément à l'art antérieur cité dans le préambule ci-dessus, utilisée comme un moteur à combustion interne. Cette machine comporte une enceinte cylindrique délimitée par les traits mixtes 1 et 2 symbolisant un carter fixe à l'intérieur de laquelle sont logés les secteurs 3, 4, 5 et 6. Chaque secteur solide porte de manière étanche sur les parois périphériques et frontales de l'enceinte. Les secteurs 3 et 4 sont solidaires, à l'opposé l'un de l'autre, d'un premier arbre 7 qui débouche au travers d'une paroi de l'enceinte.Les secteurs 5 et 6 sont quant à eux solidaires d'un second arbre 8 qui est représenté coaxial de l'arbre 7 et logé dans celui-ci. Les secteurs 3 à 6 constituent des éléments de cloisonnement de l'enceinte 1, 2 divisant cette dernière en quatre chambre 9, 10, 11 et 12. En faisant osciller l'un des arbres par rapport à l'autre, on peut faire varier le volume des chambres ; les chambres diamétralement opposées 9 et 11 varient dans le même sens et dans le sens inverse des chambres 10 et 12. L'un des arbres peut être fixe et l'autre oscillant par rapport à cet arbre fixe ou les arbres sont tous les deux tournants, l'oscillation étant relative dans ce mouvement tournant d'ensemble. Il s'agit alors d'un battement, chacun des arbres ayant une vitesse variable autour de la vitesse moyenne de rotation de l'ensemble. Cette vitesse variable de chacun des arbres peut être identique à celle de l'autre arbre mais déphasée par rapport à celle-ci d'une valeur déterminée par le mécanisme d'accouplement qui relie les deux arbres 7 et 8.On notera que les éléments de cloisonnement possèdent des évidements 3a, 3b tels que lorsque deux éléments consécutifs sont adjacents l'un de l'autre, il reste un volume résiduel qui constitue, comme dans le cas du document FR-A-1.005.309 le volume en fin de phase de compression d'une chambre de combustion. Aux figures 2 à 7 on retrouve certains des éléments décrits en regard de la figure 1 et notamment le secteur 3 et le secteur 6. Le sens de rotation commun de l'ensemble des secteurs est noté par la flèche A sur les figures. La chambre de combustion est constituée par l'espace 12 séparant le secteur 3 du secteur 6 auquel s'ajoute une cavité 13 ménagée dans le secteur 3 qui, à l'instar de l'espace résiduel défini par les évidements 3a et 3b de la figure 1, constitue un volume incompressible et indépendant de la position relative des secteurs 3 et 6. Cette cavité 13 est ménagée dans le secteur 3 au voisinage de son arête supérieure arrière dont l'emplacement est noté 14 sur les figures (si cette arête existait encore), la cavité 13 s'ouvrant justement sur la partie principale 12 de la chambre de combustion par une ouverture 15 qui est sensiblement à la place de cette arête 14.L'ouverture 15 est plutôt tournée vers l'enceinte 1,2 stationnaire de manière à se trouver immédiatement en regard d'un organe d'allumage 16 que comporte, de manière connue, l'enceinte stationnaire 1,2. Dans le cas d'un moteur Diesel, l'organe d'allumage est remplacé par un injecteur. Ainsi dans les figures suivantes, pour un moteur à cycle Diesel on remplacera organe d'allumage ou bougie par injecteur. Par ailleurs, sous l'ouverture 15, dans la cloison du secteur 3 qui sépare la cavité 13 de la partie principale 12 de la chambre de combustion, une ou plusieurs ouvertures 17 sont ménagées pour assurer une communication entre cette partie 12 et la cavité 13 ces ouvertures 17 étant en forme de tuyère dont la section est convergente en direction de la cavité 13, et sont orientées de manière à aboutir sensiblement tangentiellement à la paroi de cette cavité 13 afin que le gaz qui les parcourt en provenant de la partie 12 de la chambre de combustion lors de la réduction de volume de cette chambre pendant la phase de compression du mélange gazeux qu'elle contient, débouche dans la chambre de manière tangentielle afin de créer une turbulence rotative dans le sens B marqué aux figures 1 à 6 et qui est identique au sens A de rotation de l'équipage mobile, et de balayer le débouché de lrouverture 15 dans la cavité 13 afin de créer à l'endroit de cette ouverture un phénomène d'entraînement des gaz qui proviennent de la partie principale 12 de la chambre de combustion pour les engouffrer dans la cavité 13 à l'encontre de la retenue que forme le frottement de ces gaz sur la surface interne de l'enceinte stationnaire 1,2. La figure 2 est l'illustration schématique de l'état de la chambre de combustion selon l'invention autour de la phase de compression du cycle de ce moteur, et ce 250 d'angle moyen de rotation de l'ensemble de l'équipage mobile avant l'instant où cet équipage mobile est dans une position de fin de phase de compression (fig. 6.). L'angle moyen de rotation repère sur les figures le plan radial médian de la chambre de combustion. A cet instant, l'organe d'allumage 16 n'est pas encore découvert par le secteur 3. En revanche à la figure 3, c'est-à-dire 50 de rotation plus tard, la bougie 16 entre en action ce qui correspond à une avance à l'allumage d'environ 20 , valeur classique sur de nombreux moteurs à combustion interne.La partie initialement enflammée du mélange est conduite comme le montre la figure 4 plutôt à l'intérieur de la cavité 13 par les courants de gaz qui résultent de la réduction de volume de la partie principale 12 de la chambre de combustion puisque l'on est toujours pendant la phase de compression. A la figure 4, la position représentée correspond à 150 avant la compression maximale, l'organe d'allumage 16 commençant à être isolé par un becquet 18 que comporte le secteur 6 au voisinage de son arête supérieure avant dans le sens A de sa rotation. Ce becquet 18 a pour fonction de refermer le plus possible la cavité 13 lorsque l'on arrive à l'instant final de la phase de compression (ce qui correspond au point mort haut d'un moteur alternatif classique). L'intérêt de ce becquet est d'isoler la paroi de l'enceinte stationnaire des hautes températures régnant dans la chambre de combustion et de confiner au maximum le volume comprimé au cours de la phase initiale de combustion. Pour tenir compte cependant de la nécessité de conserver un temps d'allumage suffisant (dans le cas d'un moteur à allumage commande) notamment au régime élevé du moteur, le becquet 18 peut comporter une échancrure 19 qui préserve la communication entre la chambre de combustion - essentiellement la cavité 13 -, et l'organe d'allumage 16, pour parfaire cet allumage. La figure 5 illustre la position relative des secteurs 3 et 6, 100 avant le "point mort haut du moteur". La figure 6 est l'image de la position relative des secteurs 3 et 6 dans l'enceinte stationnaire en fin de phase de compression, l'allumage étant à ce moment totalement réalisé et la combustion pratiquement achevée à l'intérieur de la cavité 13, combustion très nettement améliorée par les mouvements turbulents qui ont été engendrés lors de la fin de la phase de compression du mélange. La figure 7 est l'illustration de la position relative des éléments tournants 300 après le "point mort haut" la chambre de combustion subissant alors la détente des gaz brûlés. Dans la mesure où l'ensemble du moteur est de section droite identique, la cavité 13 peut être réalisée par un forage cylindrique de chacun des secteurs (ou pistons) du moteur au voisinage de son arête arrière. La réalisation en est donc extrêmement simple et simple est également le chemisage de cette cavité par un manchon 20 réfractaire formant un écran d'isolation entre la cavité 13 et le piston dont on sait qu'il est une partie difficile à refroidir du moteur. En variante, il est tout à fait possible de prévoir sur chacun des secteurs ou pistons du moteur deux chambres de combustion, l'une 13 au voisinage de son arête supérieure arrière et l'autre 23 au voisinage de son arête supérieure avant. La cavité 23, lors de la compression du mélange gazeux, a une tendance beaucoup plus naturelle que la cavité 13 à recueillir les gaz qui s'y engouffreront selon un mouvement naturel tourbillonnant dans le sens contraire de la turbulence réalisée dans la chambre 13. Le partage des flux gazeux tels que le montre la figure 8 au cours de la phase de compression et pour un moteur à allumage commandé implique de mettre préférentiellement en oeuvre deux organes d'allumage 16 et 21, l'organe 21 servant à enflammer le mélange qui sera finalement contenu dans la cavité 23. La figure 8 illustre cette disposition de manière schématique, alors que les éléments mobiles sont à une position correspondant à 200 avant la fin de la phase de compression. Notamment dans le cas d'une double cavité 13 et 23 par chambre de combustion, il est possible de réduire la longueur de chaque cavité qui ne s'étendrait plus que sur une partie de l'épaisseur de chaque piston dans lequel elle est creusée. L'un des intérêts principaux de cette cavité où s'effectue la majeure partie sinon la totalité de la combustion du mélange, réside dans le fait que l'on supprime la production d'imbrûlés qui ne manquerait pas de se produire si l'on tentait de créer la combustion dans une chambre possédant une partie éloignée de l'organe d'allumage et étroite, dans laquelle le front de flamme ne pourrait pas se propager correctement. La cavité 13 est ci-dessus décrite comme étant sensiblement cylindrique. Cette définition n'est pas strictement obligatoire et pour généraliser l'application de l'invention à des moteurs dans lesquels l'enceinte fixe ne serait pas elle-même cylindrique mais par exemple formée d'une portion de sphère, la cavité pourrait ne pas avoir de génératrice rectiligne tout en conservant des sections droites sensiblement circulaires afin que les gaz combustibles au cours de la phase de compression et au cours de la phase de détente, soient animés d'une turbulence rotative. REVENDICATIONS 1. Chambre de combustion pour moteur rotatif à pistons (3,6) rattrapants, délimitée par une enceinte (1,2) stationnaire de révolution autour d'un axe et par deux pistons (3,6) de cloisonnement rotatifs, écartés dans l'enceinte (1,2) d'un secteur angulaire (12) de volume variable cycliquement lors de la rotation des pistons autour de l'axe de l'enceinte, caractérisée en ce qu'au moins l'une des parois mobiles (3) de la chambre comporte, au voisinage de l'enceinte (1,2), une cavité ouverte (13) dont le volume détermine sensiblement le volume de la chambre de combustion en fin de phase de compression. 2. Chambre de combustion selon la revendication 1, caractérisée en ce que la cavité (13) est voisine d'une arête (14) extérieure du piston (3), son ouverture (15) sur la partie principale (12) de la chambre de combustion étant disposée sensiblement à la place de cette arête (14). 3. Chambre de combustion selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisée en ce que la cavité est ménagée dans la paroi avant (3) de la chambre de combustion dans le sens de rotation du moteur. 4. Chambre de combustion selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le piston (6) dépourvu de cavité est prolongé par un bec (18) de fermeture partielle de l'ouverture (15) de la cavité (13) en fin de compression. 5. Chambre de combustion selon la revendication 4, caractérisée en ce que le bec (18) est pourvu d'une échancrure (19) préservant une communication entre le volume interne de la chambre de combustion et un organe d'allumage (16) ou d'injection implanté de manière fixe dans l'enceinte (1,2). 6. Chambre de combustion selon la revendication 2, caractérisée en ce que la cavité (13) est reliée à la chambre principale (12) par au moins une tuyère (17) de section convergente en direction de la cavité, et dirigée sensiblement tangentiellement à la surface interne de la cavité et en balayage du débouché de la première ouverture (15) dans le même sens (B) que celui (A) de rotation des pistons. 7. Chambre de combustion selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la cavité (13) est sensiblement cylindrique, d'axe sensiblement parallèle à l'axe de rotation du moteur. 8. Chambre de combustion selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comporte une seconde cavité (23) ménagée dans la paroi arrière de la chambre, dans le sens de rotation du moteur. 9. Chambre de combustion selon la revendication 8, caractérisée en ce que l'enceinte (1,2) qui la délimite possède un second organe d'allumage (21) destiné à enflammer principalement le mélange s'engouffrant dans la seconde cavité (23).