Brevet FR2702517A1 — publié le 19940916

Machine à pistons sans segment La présente invention concerne une machine à pistons sans segment. Les machines à pistons habituellement employées ont des pistons équipés de segments pour obtenir une étanchéité entre les pistons et les cylindres. Dans ce cas, les pistons sont guidés par leur cylindre. L'inconvénient majeur de l'emploi de segments est qu'ils sont soumis à des frottements qui engendrent la nécessité d'une lubrification à l'aide d'une huile qui doit être maintenue à un niveau de température tel que le refroidissement d'une partie de la machine s'impose. I1 s'en suit, en particulier dans les moteurs à combustion interne dont les pistons sont équipés de segments, qu'il n'est pas possible de créer des conditions de fonctionnement à des degrés de température comparables à ceux qui sont habituels dans les turbines à gaz par exemple.Pour y accéder, il faut supprimer le refroidissement, donc la lubrification, donc les frottements, donc les segments, donc aussi le contact entre les pistons et les cylindres. La solution proposée permet d'obtenir une machine à pistons sans segment, en créant une pression dirigée dans le sens contraire des fuites, les pistons n1 étant pas guidés par leur cylindre, mais par des axes ou des tubes disposés parallèlement à distance des cylindres. Les figures représentent: 1: le principe de base; 2, 3, 4 et 5: un exemple d' application pratique, avec en par ticulier: 2: un exemple de distribution pour un moteur rotatif à pistons à combustion continue et à débit uniforme; 3 et 4: deux études pour ce même moteur; 5: une étude pour un plateau à inclinaison variable. Les repères ont la signification suivante: 1: tube de guidage 2: bloc-cylindres 3: passages étroits 4: piston 5: position des PMB 6: sens des fuites 7: culasse 8: sens de la contre-pression 9: tolérance de guidage 10: axe de guidage 11: cloison 12: axe de transmission de l'effort 13: bride 14: volume sous pression 15: partie humide 16: aspiration 17: compression 18 et 19: détente suivant le sens de rotation 20: échappement et refoulement 21: piston moteur 22: piston compresseur 23: tube 24: contour de la bride qui porte les pistons 25: couvercle 26: passage étroit ou palier lisse 27: entretoise 28: bride 29: axe 30: logement de rotule 31: rotule 32: plateau combiné 33: bague 34: axe de vérin 35: cloison Sur la figure I, nous voyons que le piston (4) est logé dans le bloc-cylindres (2).Il est porté par la bride (13) qui enserre aussi deux tubes de guidage (1). Ces tubes coulissent le long d'axes (10). Ce guidage intérieur permet d'avoir une lubrification à l'intérieur des tubes (1) afin de ne pas perdre de l'huile de lubrification dans la partie sèche (14). Un passage étroit entre le piston et le cylindre permet au piston de se déplacer sans toucher le cylindre. Comme des fuites sont à prévoir dans le sens des flèches (6), une contre-pression (8) devra les contenir. Cette pression provient du volume sous pression (14).Les axes (10) sont logés d'un côté dans le bloc-cylindres (2) et de l'autre dans la paroi qui ferme la partie humide (15). Etant donné que le guidage peut être réalisé avec des entre-axes assez grands pour que l'huile de lubrification ne risque pas de gommer, encore moins de briller sans refroidissement, que le piston ne touche pas le cylindre et qu'une contre-pression peut contenir les fuites, on peut envisager des températures de fonctionnement élevées dans les cylindre s. La figure 2 est un exemple de distribution pour un moteur rotatif à pistons sans segment à combustion continue et à débit uniforme. Les pistons ronds (22) sont des pistons compresseur et les pistons (21) en forme de secteur de couronne sont des pistons moteur. Le cycle de référence est basé sur l'aspiration et la compression d'air par les pistons compresseur (22). L'air comprimé et préchauffé est ensuite dirigé vers la chambre (18 ou 195 suivant le sens de rotation désiré où il est directement chauffé par l'injection et la combustion de combustibles gazeux, liquides ou émulsifiés. La grandeur angulaire des chambres (18 et 19) détermine la durée pendant laquelle les pistons moteur (21) subissent la pleine pression des gaz. Le reste de la course est employée pour obtenir la détente des gaz en combustion.La chambre de combustion est donc à volume variable. Ltéchappement et le refoulement des gaz brûlés s'effectue quand le piston (21) passe du R au PMH. Comme les pistons défilent devant la chambre (18) ou (19), la combustion peut être continue. La figure 3 représente partiellement une vue radiale d'une étude pour ce même moteur. Les pistons compresseur (22) et moteur (21) sont portés par une bride dont le contour est représenté par la ligne pointillée (24). Cette bride est guidée par quatre axes (10) Un tube (23) délimite extérieurement le volume des cylindres moteur et ferme le bloc-cylindres (2). La figure 4 représente partiellement une vue axiale de ce même moteur. Les pistons compresseur et moteur ont leur PMH du même coté pour pouvoir développer un ensemble à cylindrée variable. Ils sont façonnés d'une seule pièce avec la bride oui les relie. Ils sont fermés par des couvercles (25) afin de diminuer le volume mort de la chambre (14). Des entretoises (27) permettent de régler la position du bloc-cylindres entre des roulements ou des butées, de manière à ce que le passage étroit entre le bloc-cylindres (2! et la culasse (7) soit correct sans être affecté par un déplacement éventuel de l'arbre. Dans la figure 5 qui est une étude pour un plateau à inoli- naison variable permettant de transformer le mouvement alternatif en mouvement rotatif et inversément, le travail fourni par la pression des gaz est transmis à la bride (28) par les tubes (1), puis à la rotule (31), puis au logement de rotule (30) qui vient s'appuyer dans le plateau combiné (32) centré dans la bague (33). Le logement de rotule (30) est composé de deux moitiés en forme de secteur de couronne. Le plateau combiné (32) peut pivoter dans la bague (33) comme une rotule dans son logement. I1 est centré par rapport à l'arbre.Trois ou quatre vérins, dont l'axe (34) représente l'empla- cement de l'un d'eux, commandent le positionnement angulaire du plateau (32) tout en servant de point d'appui à l'effort. L'inversion de la position angulaire du plateau (32) permet d'inverser le sens de rotation. La bague (33) peut être déplacée axialement dans le bloc pour commander la variation de la course par rapport au PMH. Quand la bague (33) effectue un déplacement d'une demi-course vers le PMH et que le plateau est positionné perpendiculairement à l'arbre, les pistons sont au repos au PMH. Ils peuvent cependant être au repos à n'importe quel endroit de la course Le déplacement axial de la bague (33) s'obtient à l'aide des vérins (34) par l'intermédiaire du plateau (32). Retenons pour conclure: - que la contre-pression peut être employée partout ot des fuites sont à craindre; - qu'il faut toujours au moins deux pistons, un au PMH et un au PM3, pour équilibrer le volume des masses en mouvement dans l'es- pace sous pression (14), sauf quand l'axe (12) traverse la cloison (11) en ayant le meme diamètre que le piston (4); - que la bride (13) peut porter deux pistons (4) fonctionnant l'un en sens inverse de l'autre, la transmission de l'effort se faisant par la bride elle-meme; - que les alésages qui regoivent les tubes de guidage (1) sont à usiner en premier pour servir de repères pour l'usinage des pistons et de leur logement; - que les cylindres des pistons moteur peuvent être chemisés; ; - que comme les tolérances de dimension des pistons sont assez larges, rien ne s'oppose en principe à ce qu'ils aient d'autres formes; - que les passages étroits qui ne sont pas soumis à des températures trop élevées peuvent être remplacés par des étanchéités réalisées à l'aide de segments ou de joints ou complétés avec des soufflets souples ou durs; - que le guidage des pistons peut se faire par l'extérieur des tubes (1), les axes (10) sont alors supprimés, mais il faut prendre des dispositions pour que l'huile de lubrification ne se perde pas dans l'espace (14); - qu'une partie de l'air comprimé peut être déviée pour obtenir la contre-pression qui peut cependant être obtenue à l'aide d'un compresseur indépendant; - que le rapport des volumes du compresseur et du moteur permet d'avoir un excédent d'air suffisant;; - que le frein moteur peut s'obtenir à l'aide du compresseur; - qutil est souhaitable d'obter pour des céramiques plutôt que pour de l'acier ou de l'aluminium; - que les volumes (14) et (15) peuvent ne faire qu'un seul espace, mais il faudra prendre des dispositions pour que la qualité de l'huile de lubrification ne soit pas altérée par un environnement trop chaud; - que l'axe (29) peut porter un galet qui pourrait circuler dans le plateau (32) ou sur une came; - que les logements de rotule (30) peuvent faire partie de deux demi-couronnes portées par des paliers lisses; - qu'une variante de cette machine peut très bien n'être réalisée que pour servir de compresseur ou de pompe; - que le plateau peut aussi servir dans des pompes et des moteurs hydrauliques ou dans des pompes diverses;; - que la contre-pression peut être obtenue à l'aide d'un gaz ou suivant le mode d'application de la machine à l'aide d'un liquide; ainsi, dans des pompes à liquides chargés tel que le béton, on pourrait employer de l'eau pour créer une contre-pression dans la mesure ou le brassage ne devienne trop important dans le volume (14); - qu'il est possible d'aménager une ou plusieurs gorges dans les cylindres afin d'y faire régner une pression suffisante pour contenir les fuites; ces gorges doivent alors se situer à un niveau inférieur au PM3 de la tête des pistons; - que les vérins peuvent être remplacés par d'autres moyens hydrauliques, pneumatiques, mécaniques ou électriques; - que le plateau combiné (32) peut aussi être centré sur l'arbre par l'intermédiaire d'une rotule qui devra dans ce cas etre montée sur un palier lisse ou sur un roulement à aiguilles pour pouvoir être déplacée axialement pendant que l'arbre tourne:: - que la fonction des axes (12) et (29) peut être une seule combinée pour transmettre l'effort par l'intermédiaire d'une came ou d'un plateau; - que, comparé aux moteurs à deux ou à quatre temps en usage actuellement, le bilan des pressions de pointe et des pressions moyennes efficaces est en faveur du moteur rotatif à pistons à com buse ion continue; - que, comparé aux turbines à gaz en usage actuellement, le bilan de l'excédent dtair est en faveur du moteur rotatif a pistons à combustion continue; - que l'association d'un moteur rotatif à pistons à combustion continue à un plateau à positionnement variable donne un ensemble performant dont la pression moyenne, le débit et le régime sont librement modulables; ; -qu'il serait utile de mettre des dispositifs anti-retour ou des régulateurs de pression entre la partie compression (17) et les parties détente (18) et (19)5 les régulateurs de pression pourraient servir à commander la puissance du frein moteur; - que les parties compresseur et moteur à cylindrées variables peuvent être indépendantes pour avoir une plus grande liberté dans les rapports de volume entre le moteur et le compresseur; - qu'un bon rendement thermique peut être obtenu quand l'apport de chaleur accompagné de l'augmentation de température est associé à la dissipation de chaleur par l'intermédiaire d'un échangeur de chaleur servant à réchauffer l'air préalablement comprimé, comme tel est le cas dans les turbines à gaz. Revendications 1- Machine à pistons sans segment, caractérisée en ce que les pistons (4) sont guidés par des tubes (1) ou des axes disposés parallèlement à distance des cylindres; des passages étroits étant prévus pour que les pistons n'entrent pas en contact avec les cylindres; les fuites (6) étant contenues par une contre-pression (8) provenant d'un volume sous pression (14) ou de gorges aménagées dans les cylindres à un niveau inférieur au P1!I3 de la tête des pistons. 2- Machine à pistons sans segment selon la première revendication, caractérisée en ce qu'elle se présente sous la forme d'un moteur rotatif à pistons à combustion continue et à débit uniforme, étant pour celà composée de pistons compresseur (22) et de pistons moteur (21) solidaires d'une bride (24) et de tubes (1); les pistons (21) et (22) ayant leur FI4H respectif du meme côté pour permettre la réalisation d'un ensemble à cylindrée variable; le cycle de référence étant basé sur l'aspiration et la compression de l'air par les pistons (22), l'air préchauffé étant ensuite dirigé vers la chambre (18) ou (19) suivant le sens de rotation désiré où il est directement chauffé par l'injection et la combustion de combustibles gazeux, liquides ou émulsifiés; la grandeur angulaire des chambres (18) et (19) déterminant la durée pendant laquelle les pistons moteur (21) subissent la pleine pression des gaz; le reste de la course étant employé pour obtenir la détente des gaz en combustion; l'échappement et le refoulement des gaz brûlés s'effectuant quand les pistons (21) passent du PE3 au PMH. 3- Machine à pistons sans segment selon une ou deux revendications précédentes, caractérisée en ce que le mouvement alternatif des pistons est transformé en mouvement rotatif et inversément à l'aide d'un ensemble composé d'un axe (29) portant une rotule (31) starticu- lant dans un logement de rotule (30) circulant dans un plateau (32) centré dans la bague (33) comme une rotule dans son logement; des vérins commandant le positionnement angulaire du plateau (32) tout en servant d'appui à l'effort; le positionnement du plateau (32) et de la bague (33) permettant de moduler la course et le sens de rotation.