Brevet FR2698660A1 — publié le 19940603

DISPOSflF DE TRANSFORMAON DE L'ENERGIE DE DNE D'UN FLUIDE SOUS PRESSION DANS UN ENSEMBLE DE CYLINDRES EQUIPES DE PISTONS EN UN MOUVEMENT CIRCULAIRE La transformation de la détente d'un fluide sous pression en un mouvement circulaire s'obtient traditionnellement: - soit a l'aide d'une turbine -soit a l'aide d'un systéme piston-cylindre-bielle-manivelle. Des systèmes comportant des cylindres a plusieurs lobes dans lesquels tournent des pistons de forme appropriée ont été développés et ont donné lieu a des applications industrielles (par exemple le systéme WENKEL) Certains auteurs ont également proposés des systémes de transformation de mouvement basés sur le principe de l'epicycloïde de rapport 1/2 associée à un ensemble piston-cylindre. Eiifin, des systèmes à cames ont èté proposés. L'un des plus récents a èté mis à la connaissance du public en juin 1991 ( brevet français N 8916142). La turbine a en elle même un éxellent rendement et une masse faible pour une puissance donnée.Mallieureusement,pour beaucoup d'applications, il faut lui associer un réducteur de vitesse; on perd alors en rendement et en masse. Le systéme piston-cylindre-bielle-manivelle est exploité avec succès dans les moteurs à combustion interne classiques. Ce systéme présente malgrés tout plusieurs inconvenients: -il est généralement volumineux, -le cycle de combustion-détente est conditionné par la rotation de la manivelle, -pour être utilisé sur des véhicules terrestres (adaptation du couple et de la puissance), il est associé à une boite de vitesse qui augmente la masse et diminue le rendement. il en est de même pour les applications des cylindres a plusieurs lobes qui présentent en outre des difficultés de réalisation (joints d'étanchéité). Les systémes basés sur le principe de l'épicycloïde de rapport 1/2 n'ont pas connu de développements pratiques notoires. Enfin, les systèmes qui mettent en oeuvre des cames n'ont pas connu de développement significatif. Le dispositif objet de l'invention permet de réaliser des matériels extrêmement compacts dont le diagramme couple-puissance permet de s'affranchir dans un trés grand nombre d'applications, de l'usage d'une boite de vitesses ou d'un réducteur. On obtient de ce fait un systéme de faible masse pour une puissance donnée. Il permet en outre de réaliser un diagramme de combustion-déten1:e indépendant de la rotation. Cela permet d'optirniser le rendement mécanique et le rendement de la combustion. Le dispositif objet de l'invention comprend pour l'essentiel trois parties; figure 1: -un corps central A avantageusement fixe, qui porte en son centre une ouverture circulaire d'axe E. -une partie mobile B qui recouvre le corps central A et porte une came C et qui tourne autours de l'axe de révolution E. La joncliofl mécanique D du corps central A et de la partie mobile B s'effecùie par tous moyens classiques (roulements...), -un boisseau de distribution F solidaire de la partie mobile B et qui tourne selon le même axe de révolution E. L'ensemble est avantageusement fermé par un carter Q solidaire du corps A. Le corps central A (figure 2) est percé d'alésages G dans des plans perpendiculaires à l'axe de rotation E. l'axe de ces alésages fait un angle alpha avec le rayon issu du centre O. Le nombre d'alésages, leur dimentions et l'angle alpha sont définis en fonction des contraintes opérationnelles imposées au dispositif. Chaque alésage G est équipé d'un piston H (figure 3) solidaire d'un poussoir I. Le piston H se déplace avantageusement dans tin cylindre K monté dans l'alésageG. On notera que la section du piston H peut avoir une forme quelconque, on choisira la forme la mieux adaptée aux contraintes opérationnelles imposées au dispositif. Un ou plusieurs chambrages L sont avantageusement ménagEs dans l'alésage G pour permettre la circulation d'un fluide de refroidissement autour du cylindre K. Le cylindre K, le piston H et le boisseau F délimitent une chambre de compression. Au moins lm orifice M est pratiqué dans le cylindre K pour mettre la chambre de compression en communication avec l'extérieur. Le boisseau de distribution F est percé d'orifices N de mamere à ce que ceux-c,i puissent déboucher en face des allésages G au cours de la rotation de la partie mobile B. Le boisseau de distribution F tourne dans l'ouverture centrale du corps A en assurant une étanchéité suffisante avec les ouvertures des alésages lorsque les orifices N ne sont pas au niveau des alésages. L'arbre qui délivre le mouvement circulaire utile est solidaire de la partie mobile B et a avantageusement pour axe E. On remarquera que la distribution du fluide comprimé peut-être réalisée à l'aide de nombreux dispositifs classiques. Le boisseau rotatif figurant parmi les plus simples, il est utilisé pour la description. Le dispositif selon l'invention peut étre utilisé fondamentalement de deux manières que l'on peut appeler en résumé mode 1. et mode 2; ces deux modes peuvent être associés et combinés pour produire des variantes adaptées à des besoins spécifiques. Selon le mode 1, en régime stabilisé, le dispositif selon l'invention fonctionne comme suit. Un fluide sous pression est injecté dans le boisseau de distrilvution F . L'orsqu'lm orifice N se trouve au regard d'un alésage G, le piston H correspondant est poussé vers l'extérieur du dispositif; ; le poussoir I transmet l'effort à la came C qui, à son tour, entraine en rotation la partie mobile B et le boisseau F hli même. le cylindre G cesse d'être alimenté en fluide comprimé au moment opportun. Tandis que le piston H poursuit sa course, il viens à découvrir l'orifice M ; le fluide comprimé peut alors s'échapper. La rotation de la came C provoque la remontée du piston H par l'intérmédiaire du poussoire I. Lorsque la remontée du piston est complète, le cycle peut recommencer. Le dispositif selon l'invention est avantageusement animé par un gaz soeis pression fourni par un dispositif approprié tel que, par exemple, un compresseur, une machine de STIRLING, une turbine, ou une chaudière. Selon le mode 2, en régime stabilisé, le dispositif selon l'invention fonctionne comme suit pour réaliser un moteur à combustion interne. Lc cycle se déroule dc manière analogue à ce qui précède. Lorsque le piston H est à son point mort bas (déplacement maximum vers l'extérieur du dispositif) il découvre la lumière M, permettant ainsi l'échappement des gaz brillés. Au début de l'échapperr.e,nt, un orifice N du boisseau F vient en regard de l'allésage G. Le comburant sous pression remplit alors la chambre et finit de chasser les gaz bru lès au travers de l'orifice M.La rotation de la came C provoque la remontée du piston H par l'intérmédiaire du poussoire I. Ucutrée du comburant dans le cylindre est interrompue en temps opportun par la rotation du boisseau F. Le carburant est injecté dans la chambre au travers de l'orifice J dont l'ouverture est avantageusement pilotée par la came C. Lorsque le piston atteint le voisinage de son point morl: haut, ltexplosion ( ou la combustion du mélange a lieu (qu'elle soit provoquéc ou non ). Le.piston se déplace alors vers son point mort bas. Le cycle peut recommencer. Le second mode de réalisation du dispositif selon l'invention présente deux avantages pariculiers: ;le profit de la came C permet d'adapter trés précisément le déplacement du piston au cycle de combustion ( ou d'explosion ) du carburant utilisé de manière à obtenir une combustion aussi compléte que possible et un meilleur rendement. - les roles des pistons peuvent-etre différenciés. En effet, certains pistons-cylindres peuvent-être agencés pour brûler une seconde fois (ou "n" fois ) les gaz d'échappement des autres pistons-cylindres. On obtient ainsi une combustion en deux phases qui permet de réduire au maximum les émissions de gaz nocifs. Cette seconde combustion peut ètre réalisée de trois manières selon la nature du carburant utilisé et le cycle imposé par la came C: - soit les gaz sont broyés à nouveau sans autre adjonction, - soit on admet un supplément de comburant pour relancer la combustion, - soit on admet un supplément de comburant et on injecte une légére quantitée de carburant On notera que le second combustible peut être différent du premier pour provoquer une réaction chimique visant à éliminer (ou transformer) les produits nocifs issus de la premiere combustion. Les deux premiers cas se déduisent par simplification du troisième cas dont le cycle est le suivant: soit P1 le groupe de cylindres dans lesquels se déroule la première combustion et P2 le (ou les) cylindre dans lequel se déroule la seconde combustion. Le piston P2 étant à son point mort bas, découvre une lumière d'échappement qui permet d'évacuer le gaz bilé, on provoque l'entrée de comburant frais par l'intermédiaire du boisseau F. le piston P2 continue sa remontée vers le point mort haut sous l'action d'une came spécifique tandis que l'entrée du comburant frais est arrêtée. Le transfert des gaz d'échappement des cylindres P1 s'effechle vers le cylindre m. Dans la dernière partie de la course, le piston P2 finit La combustion (ou l'explosion) a lieu lorsque le piston P2 est au voisinage de son point mort haut. Le piston p2 se déplace alors vers son point mort bas en imposant un mouvement à la came qui est avantageusement différente de celle (celles) des pistons P1. On peut résumer comme suit les principales caractéristiques du dispositif selon l'invention: Des ensembles cylindres-pistons sont disposés à l'intérieur d'une couronne circulaire, autour de son axe de révolution et sont rendus solidaires entre eux de manière que les têtes des pistons soient orientées vers le centre du dispositif. Le périmètre interne de la couronne circulaire porte au moins un profil en saillie dont le motif se répète avantageusement périodiquement, un nombre entier de fois pour constituer une came qui tourne à l'intérieur d'un carter solidaire de l'ensemble des cylindres. Les mouvements centrifilges des pistons engendrés par la détente du fluide sous pression provoquent la rotation de la couronne circulaire par l'intermédiaire de la came et qu'inversement la came provoque les mouvements centripetes des pistons alternativement lorsque la couronne circulaire est en rotation. Le fluide sous pression est distribué par le centre du dispositif dans chacun des cylindres à l'aide d'un organe approprié qui assure alternativement l'ouverture et la fermeture de chacun des cylindres en synchronisme avec le mouvement de la couronne circulaire extérieure. Le dispositif qui distribue le fluide sons pression est avantageusement constitué d'un boisseau rotatif solidaire de la couronne circulaire extérieure. Lorsque chaque piston approche de sa position la plus éloignée du centre du dispositif, un organe approprié commandé par le mouvement de la couronne circulaire extérieure découvre une lumière d'échappement qui permet au fluide comprimé de finir de se détendre. L'organe de commande de l'échappement est avantageusement constitué du piston luirmême qui découvre une lumiè,re pratiquee dans le cylindre. Lç mouvement de la couronne circulaire extérieure commande avantageusement un dispostif d'injection de carburant dans chaque cylindre aucours du mouvement centripète du piston correspondant afin de constituer avec le fluide sous pression un mélange inflammable dont la combustion augmente la pression sur le cylindre au cours du mouvement centrifuge de celui-ci. Les rôles des ensembles cylindres pistons sont avantageusement différenciés de façon à ce que les gaz d'échappement de certains ensembles pistons-cylindres soient introduits dans d'autres ensembles pistons-cylindres pour y subir une combustion supplémentaire. Les deux modes de réalisation de dispositifs selon l'invention (mode 1 et mode 2) se prêtent particulièrement bien à la réalisation d'un générateur d'énergie électrique. En effet, le carter Q peut-e,tre utilisé comme un stator tandis que la partit mobile B peut être utilisée comme rotor. n convient alors d'équiper le stator Q et le rotor B des éléments appropriés selon la technique actuelle. De la mcme manicre, le stator Q et le rotor B peuvent être équipés des éléments nécessaires pour constituer lm moteur électrique; et réaliser ainsi un démarreur pour le dispositif selon le mode 2. En résumé, la couronne circulaire extérieure qui constitue lm rotor et le carter enveloppe qui constitue un stator sont avantageusement équipés des organes propres à constituer un moteur électrique et un générateur électrique. Le dispositif selon l'invention peut donc être utilisé comme moteur de façon directe ou pour produire de l'électricité. Le dispositif selon l'invention peut aussi être utilisé en tant quc rédacteur pour réaliser des synthèses chimiques Dans la plus part des applications, l'emploi d'un simple poussoir pour entrainer la came sera suffisant Pour certaines applications, deux difficultés peuvent se présenter: - le poussoir subit un effort transversal trop important - le poussoir martelle la came. 1 - Le poussoir subit un effort transversal trop important. deux solutions peuvent etre apportées soit l'extrémité du poussoir est guidée; soit on met en place deux cames contra rotatives * l'extrémité du poussoir est guidée un alésage ou une rainure est pratiqué dans une partie fixe A selon l'axe du piston. * deux cames contra rotatives Deux cames tournant autour du même axe de façon synchrone mais en sens contraire positionnées de manière à ce quelles coïncident exactement au point mort haut. 2 - Le poussoir martelle la came Le poussoir comporte un embrèvement de manière à chevaucher la came. L'admission du fluide comprimé dans les chambres peut être réalisée simplement par la rotation du boisseau de distribution. Pour certaines applications, il peut-être avantageux d'adjoindre une soupape dont l'ouverture et la fermeture est commandée par la rotation de la partie mobile B à l'aide d'une came spécifique. il en est de même pour l'échappement. Le dispositif objet de l'invention apporte de nombreux avantages par rapport aux solutions existantes ou décrites précédemment. Nous ne citerons que les avantages qui découlent directement du fait que les têtes des pistons qui entrent dans le dispositif sont dirigées vers le centre de celui-ci * La couronne circulaire extérieure qui supporte la came C de transformation entoure les cylindres. De ce fait, sa longueur développée L est importante. Elle peut donc supporter X répétitions du motif de base de la came qui régit le cycle de chaque piston. Ainsi, un temps important peut être consacré aux phases d'échappement et de balayage qui sont essentielles pour le rendement * Chacun des N pistons bat X fois alors que la couronne circulaire qui supporte la came réalise une rotation de 360 . On obtient ainsi par combinaison une adéquation du régime de rotation aux applications spécifiques sans adjonction de mécanismes supplémentaires. * Le couple moteur obtenu est approximativement le produit scalaire de la force appliquée (par le piston) lors de la détente par le rayon de la couronne. Le gain est de l'ordre de 5 par rapport aux systèmes précités toutes choses étant comparables par ailleurs. * Dc nombreux pistons de petit diamètre battant à une fréquence élevée peuvent être mis en oeuvre pour obtenir une puissance élevée sans compliquer la réalisation mécanique et sans provoquer d'usure précoce. On peut remarquer que le dispositif, selon le mode 2, constitue un moteur à combustion interne à trois temps: Combustion - détente, balayage, compression. Enfin, on remarquera que, selon le mode 1, la fonction de dispositif est reversible. L'entrainement du dispositif par un mouvement rotatif, permet de comprimer le gaz. Le dispositif selon l'invention, dans son premier mode permet de récupérer l'énergie de nombreux fluides comprimés qui sont aujourd'hui perdus dans l'industrie. il s'agit plus généralement de gaz d'échappement ou de vapeur d'eau. Il peut également être utilisé comme compresseur (chantier...) Le dispositif selon l'invention, dans son second mode, fournit un moteur léger, puissant et souple pour la plus part des véhicules, terrestres, aériens ou aquatiques. Il peut être également utilisé comme générateur électrique de chantier. REVISNDICATIONS ) Dispositif de transformation de l'énergie de détente d'un fluide sous pression dans un ensemble de cylindres mimis de pistons en un mouvement circulaire caractérisé en ce que les ensembles cylindres -pistons sont disposés à l'intérieur d'une couronne circulaire mobile autour de son axe de révolution et s( > nt rendus solidaires entre eux de manière que les têtes des pistons soient orientées vers le centre du dispositif. 2) dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que le périmètre interne de la couronne circulaire porte au moins un profil en saillie dont le motif se répète avantageusement périodiquement, un nombre entier de fois pour constituer une came qui tourne à l'intérieur d'un carter solidaire de l'en;embîe des cylindres. 3) dispositif selon les revendications 1 et 2 caractérisé en ce que les n mouvements centrifuges des pistons engendrés par la détente du fluide sous pression provoquent la rotation de la couronne circulaire par l'intermédiaire de la came et q'inversement la came provoque les mouvements centripetes des pistons alternativement lorsque la couronne circulaire est en rotation. 4) Dispositif selon les revendications 1 à 3 caractérisé en ce que le fluide sous pression est distribué par le centre du dispositif dans chacun des cylindres à l'aide d'un organe approprié qui assure alternativement l'otverture et la fern teture de chacun des cylindres en synchronisme avec le mouvement de la courc rnue circulaire extérieure. 5) Dispositif selon les revendications 1 à 4 caractérisé en ce que lorsque chaque piston approche de sa position la plus éloignée du centre du dispositif, un organe approprié commandé par le mouvement de la couronne circulaire extérieure découvre une lumière d'échappenkent qui permet au fluide comprimé de finir de se détendre. 6) Dispositif selon les reventications 1 à 5 caractérisé en ce que, le mouvement de la couronne circulaire extérieure commande avantageusement un dispositif d'injection de carburant dans chaque cylindre aucours du mouvement centripète du piston correspondant afin de constituer avec le fluide sous pression un mélange inflanunable dont la combustion augmente la pression sur le cylindre au cours du mouvement centrifuE ,e de celui-ci. 7) Dispositif selon les renvendications 1 à6 caractérisé en ce que les rôles des ensembles cylindres pistons sont avantageusement différenciés de façon à ce que les gaz d'échappement de certains ensembles pistons - cylindre soient introduits dans d'autres ensembles pistons-cylindres pour y subir une combustion supplémentaire. 8) Dispositif selon les revendications 1 à 7 caractérisé en ce que la couronne circulaire extérieure qui constitue un rotor et le carter enveloppe qui constitue un stator sont avantageusement équipés des organes propres à constituer un moteur électrique et un générateur électriqueX 9) Dispositif selon la revendication 5 caractérisé en ce que l'organe de commande de l'échappement est avan1ageusem(nt constitué du piston lui-même qui découvre une lumière pratiquée dalis le cylindre. 10) Dispositif selon la revendication 4 caractérisé en ce que le dispositif qui distribue le fluide sous pression est avantageusement constitué d'un boisseau rotatif solidaire de la couronne circulaire extérieure.