Brevet FR2762046A1 — publié le 19981016

La présente invention concerne une machine tournante à pistons rotatifs. Dans la transformation en mouvement rotatif de l'énergie produite par l'explosion d'un gaz, le moyen le plus répandu et utilisé actuellement est le moteur thermique à pistons alternatifs, dans lequel le déplacement des pistons sous la poussée exercée par la détente produite par l'explosion d'un gaz est transformé en mouvement rotatif par un vilebrequin auquel les pistons sont reliés par les bielles. Le principe mécanique général de ce moteur, bien que performant aujourd'hui, reste complexe quant au nombre de pièces en mouvement. Pour améliorer la transformation de l'énergie produite par l'explosion d'un gaz en énergie mécanique, dans de meilleures conditions qu'à l'aide du moteur thermique traditionnel, des recherches ont déjà été menées permettant de proposer différentes solutions. L'une des solutions proposées à ce jour porte sur le moteur rotation, dont plusieurs formes de réalisation ont déjà été présentées. L'une d'elles, la plus connue, a déjà été mlse en application sous le nom de moteur WANKEL. Bien que ce moteur ait fait l'objet d'appllcations, il a dû être abandonné pour diverses ralsons de mise au point et fiabilité. On constatera également dans cette technique, que le principe de fonctionnement et la forme du piston rotatif laissent subsister une certaine complexité mécanique qui ne facilite pas sa réalisation. Par allleurs, une des variantes de réalisation décnte dans le brevet français 2316 433 concerne un moteur à explosion à pistons en forme de secteurs sphériques tournant dans un boîtier sphérique lui-même tournant dans le bâti portant les bougies d'allumage. En outre, les arbres de sortie des pistons sont disposés radialement sur ceux-ci et leurs extrémités décrivent des cercles d'où nécessité d'ajouter un système de transformation de mouvement cn sortie d'arbre de piston afin d'obtenlr une vitesse de rotation continue sur l'arbre de sortie du bâtl. Un premier but de l'invention est de remédier à la complexité mécanique des solutions connues. Un autre but dc l'invention est de diminuer le nombre de pièces en mouvement pour diminuer les pertes en énergies, les problèmes d'usure, le poids, I'encombrement, le prix. Un autre but encore de l'invention est de réaliser un moteur à explosion à quatre temps ne comportant qu'un élément d'allumage pour quatre explosions par tour et un cylindre. Un autre but est de réaliser un coeur artificiel. Un autre but est de réaliser une pompe asplrante et refoulante à quatre cavités et à volume constant d'un grand débit pour une vitesse de rotation modérée. Tous ces buts sont atteints par l'invention qui consiste en une machine tournante du type à pistons rotatifs par exemple en forme de secteurs sphériques tournant dans un volume Intérieur d'un carter, du type comportant deux pistons, chacun formé de deux secteurs opposés diamétralement et solidaires, les deux pistons étant imbriqués l'un dans l'autre, caractérisé en ce qu'il comporte: - un système différentiel accouplé d'une part aux pistons et d'autre part à deux mannetons montés sur des satellites du différentiel et terminé chacun par un moyen d'appui, ledit système différentiel étant monté en rotation à l'intérieur d'un boîtier, - deux cames annulaires comportant chacune une piste de guidage des moyens d'appul et montées dans ledit boîtier, - un arbre de sortie solidaire du différentiel. On comprendra mieux l'invention à l'aide de la description qui suit faite en référence aux figures annexées suivantes: - Figure 1: vue éclatée d'un mode de réalisation préférentiel, - Figure 2: vue en coupe longitudinale du mode de réalisation de la figure 1, - Figure 3: vue en perspective d'un piston, - Figure 4: vue en perspective de deux pistons imbriqués, - Figures 5 et 6: vues de détail de face et de profil du piston de la figure 3, - Figure 7: vue d'ensemble du système différentiel, - Figures 8, 9 et 10: trois variantes de réalisation des cames annulaires, - Figure Il: vue de détail des trous d'échappement et d'admission, - Figures 12, 13, 14, 15 et 16 croquis montrant les temps de fonctionnemcnt du moteur selon l'invention. - Figures 17, 18: vues schématiques d'une variante de réalisation. - Figure 19: vue schématique d'une autre vanante. Selon un mode de réalisation préféré mais non limitatif représenté sur les figures, une machine tournante selon l'invention se compose principalement des éléments qui suivent: - deux pistons (2,3) en forme de secteurs sphériques tournant dans un volume sphérique (1) d'un carter (4), - un système différentiel (5) accouplé d'une part aux pistons (2,3) par ses planétaires (29,30) et d'autre part à deux mannetons (6,7) solidaire des satellites (31,32) du différentiel et terminé chacun par un moyen d'appui (9,10) comportant des roulements ou des bagues de onction (9a,9b,10a,10b), - deux cames annulaires (13,14) comportant chacune une piste de guidage (11,12) des roulements d'appul (9,10), et montées dans un boîtier (15), - un arbre de sortie (17) solidaire du différentiel (5) qui présente une vitesse de rotation régulière. On décrit à présent en détail chacun des éléments constitutifs. Chaque piston (2,3) (voir figure 3) est formé de deux secteurs sphériques (2a,2b) et (3a,3b) diamétralement opposés et solidaires d'un manchon central (2c,3c) occupant de préférence la moitié de la longueur de la base d'un piston. Les deux pistons sont imbriqués l'un dans l'autre de façon que leurs secteurs angulaires soient alternés à l'intérieur du volume (1) et décalés angulairement (2a,3a,2b,3b) (voir figure 4) et ils comportent de préférence des canaux internes de circulation de nuide de refroidissement (non représentés). Le carter (4) dans lequel est prévu le volume sphérique (1) est en deux parties (20,21) dont une partie (20) comportant des trous d'admission (22) et d'échappement (23) et une partie (21) comportant l'emplacement (24) d'une bougie ou d'un injecteur adapté aux carburants cssence ou gaz-oil. On prévoit en outre dans les parties (20,21) et dans les pistons (2,3), des canaux internes pour la circulation d'un fluide de refroidissement. L'étanchéité dans Ic volume (1) est réalisée radialement par des segments semicirculaires (''5) (deux au moins par demi-piston) et par des segments circulaires (26) montés sur les extrémités des pistons et des segments linéaires (25a) assurant l'étanchéité entre la base librc des pistons (2a,2b,3a,3b) et les manchons (2c,3c). Dans une variante de réalisation les extrémités des segments (25) peuvent s'imbriquer dans des logements ménagés dans les segments (26 et/ou 25a). De préférence les segments (25,25a.26) sont poussés par des ressorts (25b,26b) pour assurer leur placage d'étanchélté (flgures 5, 6). Un des pistons est solidaire d'un premier arbre de transmission (18) cylindrique creux solidaire par son autre extrémité du planétaire (29) du système différentiel, L'autre piston est solidaire d'un deuxième arbre de transmission (19) interne traversant longitudinalement l'arbre (18), les arbres (18,19) étant coaxiaux. Lesdlls arbres de transmission (18,19) entraînent conjointement la rotation du différentiel (5). Les satellites (31,32) du différentiel (5) sont munis de mannetons (6,7) guidés par les pistes (11,12) des cames annulaires (13,14) entraînant simultanément lesdits satellites (31,32) dans un mouvement de rotation partielle alternativement dans un sens et dans l'autre, ce mouvement étant transmis aux pignons (29,30) qui entraînent les pistons (2a,3a,2b,3b) dans une rotation à vitesse vanable de telle sorte que chaque face desdits pistons (2a.2b,3a,3b) se rapprochent et s'écartent l'une de l'autre pour assurer simultanément les quatre temps à savoir admission, compression, explosion, échappement. Les cames annulaires (13,14) dont plusieurs variantes sont représentées en figures 8, 9, 10, présentent une forme générale cylindrique avec une face annulaire verticale dirigée vers les côtés extérieurs du différentiel, et une face interne formant une piste annulaire slnus(iidalc. Deux cames (13,14) sont montées de telle façon que leurs pistes (11,12) de lormc complémcntaires soient en regard I'une de L'autre et communiquent aux moyens d'appuis (9,10) des mannetons (6,7) un mouvement tournant et sinusoïdal autour de l'axe central de rotation du diítércntiel. Les moyens d'appul (9,10) sont constitués de préférence par deux roulements ou bagues de friction (9a,9b) et (10a,10b) à axes décalés ce qui évite les inversions du sens de rotation dans le cas d'un scul roulement par palier d'appui. Le boîtier (15) comporte une cavité cylindrique dans laquelle sont montés les cames ct il est terminé par une paroi verticale (16) formant le fond. Le boîtier ( 153 est fixé au carter (4) par lout moyen approprlc (33). L'arbrc ( 17) de sortie moteur est solidaire de la cage (8) du système différentiel. Les éléments lonctionnent comme suit: Chaquc secteur sphérique (2a,2b) (3a,3b) comporte de préférence sur sa surface externe une chambre d'explosion sensiblement demi-sphérique (31) où se produit l'étincelle. L'ensemble dif férentiel-pistons est porté au moins par deux bagues de roulement (34,35) et peut tourncr à l'intérieur du boîtier (15) et du carter (4) de telle manière qu'un mouvement rotatif sinusoïdal des moyens d'appui (9,10) produit par les pistes (11,12) entraîne les pistons (2,3) à des vltesses de rotation vanables à l'aide des mannetons (6,7) solidaires des satellites (31,32). On se reportera à présent aux croquis 12 à 16. Le piston (2) tourne plus vite que le piston (3) et les deux pistons se rapprochent (figure 12) pour réaliser la compression du gaz dans la chambre V1 où se produit une explosion. Le piston (3) tourne alors plus vite que le piston (2) poussé par la détente produite dans la chambre V1 (voir figures 13,14,15) et une compression dans la chambre précédente V4 (figure 15) et ainsi de suite tandis que sc font simultanément l'admission dans la chambre V3 et l'échappement dans la chambre V2. Entre les ligures 12 et 15, L'arbre moteur (17) a tourné d'un quart de tour. Les quatre temps se tont simultanément si bien que l'on obtient une explosion tous les quarts de tour, soit quatre explosions par tour, au lieu de deux par tour sur un moteur thermique traditionncl comportant quatre cylindres à fonctionnement quatre temps. Les principaux avantages de l'invention sont, non limitativement: - suppoession du mouvement alternatif, - suppression des soupapes, culbuteurs, arbres à cames, bielles et vilebrequins, - exlrêmc simplicité de construction, donc baisse de coût, - beaucoup moins dc pièces en mouvement que dans un moteur classique, donc diminution sensible du poids, de l'encombrement et des vibrations, - rendement optimum à bassc vitesse de rotation, - fonctionne inditïéoemment dans toutes les positions, - la rotation des pistons est parfaitement inscrite dans une circonférence et transmel directement un mouvement rotatif continu et régulier à l'arbre de sortie, - le coût dc réalisation d'un tel moteur est estimé au tiers du coût de construction d'un moteur thermique classique à pistons alternatifs. - il se produit quatre compressions et explosions par tour d'arbre moteur au lieu de deux par tour dans un moteur classique à quatre cylindres, d'où la possibilité de diminuer considérablement les vitesses de rotation génératrices d'usure, - mécanique simplc et légère. Par ailleurs, on peut prévoir d'autres modes de réalisation, en particulier le volume (1) n'est pas obligatoirement sphérique, il peut être d'une autre forme par exemple cylindrique d'axe parallèle à celui du moteur avec des pistons en forme de forme appropriée. Dans un mode de réalisation thermique, les parties (20,21) du carter (4) dans lequel est réalisé le volume sphérique (1) peuvent être maintenues à des températures différentes, par exemple pour s'approcher d'une transformation adiabatique en refroidissant fortement la partie dans laquelle se produit l'admission et en maintenant à tempéralure plus clivée la partie dans laquelle se produit la détente (sachant que la configuration du moteur selon l'invention offre cette possibilité). II est possible également dc réaliser des ensembles de plusieurs machines selon l'invention, disposes par exemple en étoile et reliés à un seul différentiel (voir figures 17,18). Cc mode dc réalisation est avantageux pour des applications où la puissance requisc est importante arec une faiblie vitesse de rotation pour un couple élevé tout en gardant une grande souplesse. Ce montage peut également être réalisé par des ensembles de moteurs équipés chacun dc son différentiel propre. Par ailleurs, on peut prevolr d'adapter la machine à d'autres applications, par exemple en compresseur/dépresseur ou cn pompe aspirante et refoulante à quatre cavités en supprimant l'orifice d'allumage ct cn modifiant les orifices d'admission et échappement. L.c carter (4) dans lequel est prévu le volume sphérique (1) est en deux parties (2(),2 1), chacune comportant des troux d'admission et des trous d'échappement. La igure 19 montre une autre application possible de l'invention : il s'agit d'un coeur artiIiciel dont les trous d'admission (22,22bis) et d'échappement ((23,23bis) sont en liaison anec les quatre sorties cardiaques (A,B,C,D) d'un animal ou d'un humain I'aorte, la veine pulmonaire, la veine cave, I'artère pulmonaire. REVENDICATIONS 1. Machine tournante du type à pistons rotatifs par exemple en forme de secteurs sphérique tournant dans un volume (1) d'un carter (4), du type comportant deux pistons (2,3), chacun formé de deux secteurs opposés diamétralement et solidaires, les deux pistons étant Imbriqués l'un dans l'autre, caractérisée en ce qu'elle comporte: - un système différentiel (5) accouplé d'une part aux pistons (2,3) et d'autre part à deux manne tons (6,7) montés sur les satellites (3 1,32) du différentiel et terminés chacun par un moyen d'appui (9,10), ledit système différentiel étant monté en rotation à l'intérieur d'un boîtier (15), - deux cames annulaires ( 13,14) comportant chacune une piste de guidage ( 11,12) des moyens d'appui (9,10) et montées dans un boîtier (15), - un arbre de sortie 17) solidaire du différentiel (5). 2. Machine selon la revendication 1 caracténsée en ce que les cames annulaires (13,14) présentent une forme générale cylindrique avec une face annulaire verticale dirigée vers les côtés extérieurs du différentiel, et une face interne formant une piste annulaire sinusoïdale, les deux cames (13,14) étant montées de telle façon que leurs pistes (11,12) dc forme complémentaires soient en regard l'une de l'autre et communiquent aux moyens d'appuis (9,1()) un mouvement sinusoïdal autour de l'axe central de rotation du différentiel. 3. Machine selon l'une des revendications 1 à 2, caractérisée en ce que l'ensemble différentiel-pistons est porté au moins par deux bagues de roulement (34,35) et peut tourner à l'intérieur du boîtier (15) el du carter (4) de telle manière qu'un mouvement rotatif sinusoïdal des moyens d'appui (9,10) produit par les pistes (11,12) entraîne les pistons (2.3) à des vltesscs de rotation variables. 4. Machine selon l'une quelconque des revendications 1 à3, caractérisée en ce que le carter (4) dans lequel est prévu le volume sphérique ( I) est en deux parties (20,21) dont une partie (2()) comportant des trous d'admission (22) et d'échappement (23) et une partie (21) comportant l'emplacement (24) d'une bougie ou d'un injecteur. 5. Machine selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que la carter (4) comporte des canaux internes de circulation de fluide de refroidissement. 6. Machine selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que les pistons (2,3) comportent des canaux internes de circulation de fluide de refroidissement. 7. Machine selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que les axes des moyens d'appui (9,10) sont décalés de part et d'autre des mannetons (6,7). 8. Machine selon l'une des revendications 1, 2, 3, 5, 6, 7, caractérisée en ce que le carter (4) est en deux parties (20,21), chacune comportant des trous d'admission et des trous d'échappement. 9. machine selon la revendication 8, caractérisée en ce que les trous d'admission (22,22bis) et les trous d'échappement (23,23bis) sont cn liaison avec les sorties cardiaques (A,B,C,D) d'un animal ou d'un humain. 1 0. Ensemble de machines caractérisé en ce qu'il est composé de plusieurs machines selon l'une des revendications 1 à 9 et en ce que lesdites machines sont reliées à un seul différentiel.