Brevet FR2760787A1 — publié le 19980918

1. DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION L'invention décrite est une machine rotative à "pistons tangentiels" L'invention couvre les domaines suivants - les moteurs thermiques à combustion interne, - les pompes (liquides et gaz), - les compresseurs, - les moteurs à gaz (à vapeur en particulier), - les moteurs hydrauliques. II. ETAT DE LA TECHNIQUE CONNUE LA PLUS PROCHE DE L'INVENTION. Les techniques les plus proches de l'invention sont les suivantes: -les moteurs à combustion interne à pistons cylindriques à mouvement linéaire (à 4 temps ou 2 temps) utilisés dans de très nombreux domaines, fonctionnant avec des systèmes d'admission/échappement/allumage associés à chaque piston. Le mouvement alternatif linéaire entraîne des vibrations importantes. L'utilisation simultanée de plusieurs pistons nécessite la réalisation de pièces longues et fragiles (vilebrequin, arbre à came, etc.). Dans le cas des moteurs à 4 temps, le piston doit réaliser deux mouvements alternatifs par cycle, -les moteurs à combustion interne à piston rotatif (WAN}CEL) peu utilisés, -les pompes et les compresseurs à chambre à volume variable. ni. EXPOSE DE L'INVENTION. L'invention est une machine tournante pouvant être utilisée comme moteur à combustion interne, moteur à gaz, pompe (à gaz ou liquides) ou comme compresseur. La machine est principalement constituée d'un rotor, d'un stator et de secteurs mobiles internes (en nombre pouvant varier de 1 à 4) formant les pistons tangentiels. Le rotor est cylindrique et assure la transmission de l'énergie par son axe. La hauteur de ce cylindre est une des principales dimensions qui déterminent le volume des fluides. Le rotor est découpé de manière à laisser la place à un ou plusieurs secteurs articulés à sa périphérie suivant un axe parallèle à l'axe du cylindre. Les secteurs sont régulièrement répartis la périphérie du rotor et oscillent entre une position "interne" qui reconstitue le cylindre rotor et une position "externe" qui dépasse du rotor. Le déplacement angulaire entre les deux positions est la deuxième dimension principale qui détermine le volume des fluides. Les mouvements imposés aux secteurs formant des "pistons tangentiels" déterminent deux positions "internes" opposées et deux positions "externes" également opposées de telle manière qu'une position "interne" alterne avec une position "externe" Le mouvement du segment le plus excentré de chaque secteur détermine une courbe reprise pour donner la forme interne du stator de l'invention. Le stator est fermé hermétiquement par deux flancs. Le stator et les flancs supportent les accessoires nécessaires au fonctionnement. Les contacts glissants avec un minimum de frottement entre stator, le rotor et les "pistons" sont assurés par des segments en légère pression. Les quatre positions extrêmes des secteurs déterminent les cycles de fonctionnement internel / externel = admission par aspiration, externe / interne2 = compression, interne2 / externe2 = détente, externe2 / interne = échappement par expulsion. Le transfert entre la compression et la détente s'effectue par un espace aménagé entre le rotor et le stator. Les pertes liées au transfert des gaz sont minimisées. Les gaz brûlés sont totalement expulsés sans se mélanger aux gaz frais. En conséquence, I'invention permet - d'éliminer les soupapes (ou les tiroirs) d'admission et d'échappement, - à un moteur à combustion interne de fonctionner avec * une seule chambre de combustion pour tous les pistons, * une seule chambre d'admission pour tous les pistons, * un seul système d'admission/d'injection pour tous les pistons, * un seul système d'allumage/échappement pour tous les pistons, - de réaliser tous les cycles dans un seul tour, - de diminuer les effets des points morts haut et bas. Iv. PRESENTATION DES DIFFERENTES FIGURES 1/6- Principe de fonctionnement et application de l'invention à un moteur à combustion interne à quatre temps et à "pistons tangentiels" 2/6- Principe de fonctionnement avec mouvement oscillant des "pistons tangentiels" contrôlé par des biellettes et un vilebrequin. 3/6- Principe de fonctionnement avec mouvement oscillant des "pistons tangentiels" contrôlé par guide interne. 4/6- Principe de fonctionnement avec mouvement oscillant des "pistons tangentiels" contrôlé par losange déformable. 5/6- Principe de fonctionnement d'un moteur à combustion interne à deux temps et à "pistons tangentiels" 6/6- Application de l'invention aux pompes ou aux moteurs à gaz. V. DESCRIPTION D'AU MOINS UN EXEMPLE DETAILLE DE REALISATION. L'exemple décrit ci après pour l'application de l'invention est un moteur à essence à 4 pistons tangentiels, 4 temps et à injection. Nomenclature et description des principaux composants: A- Corps principal du moteur (stator) La partie interne assure le glissement du segment d'étanchéité du piston. La partie externe assure la rigidité générale et le refroidissement des zones chaudes (par circulation d'air ou par un liquide de refroidissement). La forme intérieure est déterminée par le mouvement du segment principal du piston. Cette enveloppe est découpée aux endroits adaptés pour recevoir les conduits d'admission (B) et d'échappement (C). B- Conduit d'admission La forme et la position de la découpe au niveau du stator sont adaptées au mou vement des pistons. C- Conduit d'échappement des gaz brûlés La forme et la position de la découpe au niveau du stator sont adaptées au mou vement des pistons. Les conduits d'échappement et d'admission seront positionnés de manière à ce qu'il ne puisse pas y avoir de communication entre eux. D- Plateau moteur (rotor) Le rotor est un cylindre qui supporte les pistons et transmet l'énergie mécanique. Les pistons sont solidaires du plateau par un axe placé à la périphérie du plateau. L'axe du plateau et les axes des pistons sont parallèles. L'épaisseur du plateau est la même que celle des pistons et est légèrement inférieure à celle du stator (A). Le rotor est évidé pour permettre le montage des accessoires de contrôle de l'oscilla tion des pistons (vilebrequin, guides ou autres moyens). E- Arbre moteur L'arbre moteur est solidaire du rotor. Il est supporté par les flancs du stator. F- Piston Les pistons ont la même épaisseur que le rotor. Le piston pivote autour de son axe porté par la périphérie du rotor. En position "basse", le piston ferme le rotor. La forme de la face extérieure du piston est déterminée par la forme du corps pflnci- pal de manière à assurer l'expulsion du maximum de gaz brûlés. En position "haute", le piston détermine le volume de la chambre d'admission et de la chambre de détonation. C'est une portion de cylindre dont l'axe est l'axe de rotation du piston. G- Injecteur de carburant L'injecteur pulvérise le carburant dans le conduit ou la chambre d'admission. Il fonctionne à chaque passage de piston. L'injecteur est placé dans un flan du stator et ne dépasse pas du plan de glissement du piston. L'évidement pratiqué pour placer l'injecteur est totalement occulté lors du passage du piston. H- Bougie d'allumage du mélange Une bougie allume le mélange explosif dans la chambre de combustion. La bougie est placée sur un flan du stator et ne dépasse pas du plan de glissement du piston. L'évidement pratiqué pour placer la bougie est totalement occulté lors du passage du piston. I- Segments d'étanchéité Pour limiter les fuites des gaz des diverses chambres, des pièces (segments) d'étanchéité sont placées avec une légère pression entre toutes les pièces en mou vement, piston/plateau, piston/flancs, piston/corps principal et plateau/flancs. J- Vilebrequin de commande des pistons Le vilebrequin de commande des pistons permet d'imposer le mouvement alternatif des pistons. Son axe peut être confondu avec l'axe du plateau ou déporté suivant la solution de transfert adoptée. Le vilebrequin est totalement logé à l'intérieur du Plateau. Il tourne en sens contraire et à la même vitesse que l'axe moteur principal. Il reçoit les biellettes qui commandent directement les pistons. L'entraxe entre l'axe principal et les axes secondaires détermine le déport des pistons par rapport au plateau, déterminant ainsi une dimension des chambres d'admission et de combus tion. K- Biellettes de contrôle des pistons Chaque piston est relié au vilebrequin par une petite bielle. L- Jeu d'engrenages Le vilebrequin (J) devant tourner à la même vitesse et en sens contraire que l'axe du rotor, ces deux pièces sont reliées par jeu d'engrenages. N- Flancs latéraux Les flancs latéraux ferment le moteur et reçoivent les accessoires, arbre moteur d'un côté, arbre du vilebrequin de l'autre, bougie, injecteur et engrenages d'asser vissement, détecteurs de position, etc.. Description des fonctions principales 1- Admission Le moteur aspire naturellement le comburant gazeux (ou le mélange gazeux explosif) à la pression atmosphérique (ou supérieure en fonction du besoin avec un compresseur). Le volume admis est fixé par les formes géométriques du moteur et par la position du conduit d'admission. 2- Compression Le comburant gazeux admis (ou le mélange gazeux explosif) est comprimé par l'avance du piston. Le taux de compression est limité par les dimensions du conduit de transfert. 3- Transfert Le transfert du comburant (ou du mélange explosif) peut être réalisé par a) un espace entre le stator et le rotor au niveau du "point mort" haut (formes adaptées des guides, décentrage de l'axe du vilebrequin), b) un conduit créé par évidement partiel de la surface du stator, de l'axe du piston et de la face externe du piston. Dans ce cas le conduit peut également entraîner un passage de gaz brûlés vers l'admission. 4- Allumage L'allumage sera réalisé par une bougie placée dans une cavité d'un flanc. La cavité contenant la bougie est complètement occultée lors du passage du piston. Une autre solution est de placer une bougie dans chaque piston (ou dans le rotor devant chaque piston), débouchant dans le conduit de transfert sans dépasser l'affleurement. 5- Détente La détente du mélange explosif après allumage entraîne la rotation du rotor par différence de couple entre deux pistons consécutifs. 6- Echappement Lorsque après la détente, les deux pistons consécutifs sont en position d'équilibre, les gaz brûlés peuvent être expulsés jusqu'au "point mort bas" 7- Lubrification La lubrification sera assurée par les moyens les mieux adapté (mélange spécifique, injection forcée, naturelle par bain interne, etc.). 8- étanchéité L'étanchéité des zones d'admission, de compression et de détente sera assurée par des segments glissants et mis en légère pression entre les pièces. Description du fonctionnement. Le fonctionnement est décrit pour le mouvement de deux pistons. Le fonctionnement de l'ensemble des pistons s'en déduit directement. Le nombre de pistons est fixé par le rendement de la chambre de combustion. L'optimum pour une seule chambre de combustion est de 4 pistons. Au "point mort bas", la tête du vilebrequin est en position haute. La biellette maintien le piston qui lui est associé dans sa position la plus interne au plateau. En faisant tourner le plateau le vilebrequin tourne dans l'autre sens. Avec un quart de tour le vilebrequin est du coté du piston et la biellette place celui-ci en position externe. Pendant ce mouvement, le déplacement du piston crée un volume qui augmente pendant la rotation du rotor. L'ouverture d'admission est mise en regard de ce volume. Le piston aspire ainsi un volume d'air. L'admission doit s'arrêter avec l'arrivée du piston suivant. Lorsque l'admission est finie, I'injecteur pulvérise la quantité de carburant requise pour la puissance demandée. La cavité nécessaire, pratiquée dans le flan pour loger l'injecteur, est totalement occultée lors du passage du piston. Après le passage du piston la cavité de l'injecteur est de nouveau ouverte sur le volume contenant le mélange suivant. Le volume de mélange comburant/carburant compris entre les deux pistons se déplace avec la rotation de l'ensemble. Lorsque le premier piston passe le "point mort haut", le vilebrequin en opposition basse opposée au piston, le piston reprend une position interne. A ce moment le deuxième piston a commencé à comprimer le mélange. Le mélange est à sa compression maximum lorsque les deux pistons sont de part et d'autre du "point mort haut" Le mélange passe d'un coté à l'autre par un espace de "transfert" Lorsque la position d'équilibre est passée, le mélange est allumé dans le début de volume créé par le premier piston. La cavité nécessaire pratiquée dans le flan pour loger l'allumeur (bougie) est totalement occultée lors du passage du piston. Après le passage du piston la cavité de l'allumeur est totalement ouverte sur le volume contenant le nouveau mélange. L'énergie libérée par l'explosion pousse le premier piston tant que le volume peut augmenter. Lorsque le volume n'augmente plus, le piston passe devant l'ouver ture d'échappement créée dans le corps principal du moteur. Les gaz brûlés peuvent alors s'échapper. Le deuxième piston achève l'expulsion des gaz brûlés restants. Quatre pistons permettent un cycle régulier et une optimisation des chambres d'admission et de combustion. Le fonctionnement décrit ci-dessus permet les 4 cycles, admission, compression, détente et échappement en un seule tour et sans interférence. Les quatre pistons permettent 4 détentes dans un seul tour. Par rapport à un moteur à piston traditionnel, la puissance disponible est 4 fois supérieure à masse équivalente. Le couple est donné par la distance entre l'axe du piston et l'axe du rotor. La cylindrée est déterminée par le rayon du piston, l'angle de déplacement du piston et l'épaisseur du corps principal. vi. VARIANTES EVENTUELLES. Les principales variantes sont déterminées par le moyen de contrôler le déplacement angulaire du piston et par l'utilisation pour des machines à combustion interne (4 ou 2 temps), des pompes et des moteurs à fluide (liquide ou gazeux). Machines à combustion interne à 4 temps selon le principe décrit ci-dessus. a) Piston "libre". Dans ce cas le plus simple, le déplacement angulaire du piston est assuré par la forme du corps principal. Le piston est maintenu plaqué à la chemise par un ressort au démarrage puis par la force centrifùge en fonctionnement continu. b) Piston avec chemin de positionnement. b-l) Le piston est maintenu en position entre la chemise du corps principal et une forme interne dépassant sur un flanc latéral. b-2) La position du piston est fixée par un ergot dépassant d'un côté plat du piston et venant s'encastrer dans une gorge pratiquée dans un flan du moteur. La gorge fait le tour du moteur en imposant ainsi les mouvements alternatifs des pistons avec la rotation du rotor. c) Piston avec losange déformable Dans ce cas les pistons sont reliés entre eux par un losange déformable. Le mouvement des pistons est défini par la forme du corps principal. Le losange a pour effet de maintenir les pistons en contact permanent avec le corps principal et d'équilibrer les masses limitant les efforts de la force centrifuge. Pompes et Moteurs à fluide (liquide ou gazeux) selon le principe décrit ci-dessus. Dans ce cas les transferts sont supprimés. La compression est remplacée par un échappement. La détente est remplacée par une admission. En faisant tourner le rotor dans son sens normal on obtient une pompe à double corps. En injectant un fluide sous pression dans les admissions on obtient un moteur. L'admission et l'échappement sont du même côté de la machine. Machines à 2 temps à combustion interne selon le principe décrit ci-dessus. La machine ne possède plus qu'une seule chambre de détente extérieure au rotor. La chambre d'admission est réalisée par le volume complémentaire laissé par le déplacement du piston à l'intérieur du rotor. L'admission se fait par une ouverture créée dans un flanc du moteur pendant la phase de combustion. Le transfert se fait en fin de compression par des lumières créées dans les flans du moteur à l'opposé de la chambre de combustion et celle-ci. Les pistons ouvrent et ferment les orifices dans leurs déplacements. Le piston en position interne pousse le mélange détonnant dans le chambre de combustion en cours de création. d) Piston avec biellette sans vilebrequin. Dans ce cas chaque biellette est solidaire d'un côté à un piston et de l'autre côté à un axe fixé à un flan de la machine et excentré entre l'axe moteur principal et la chambre de détente. Toutefois, pour assurer l'étanchéité de la chambre d'admission, les pistons sont commandés à partir de leur axe à l'extérieur du plateau principal. Le volume variable interne est maintenu étanche pour assurer l'aspiration, la compression et le transfert vers la chambre de combustion. e) Des variantes peuvent être réalisées en fonction du système retenu pour la commande de l'oscillation des pistons, des cames, un guide de positionnement. Pompes et Moteurs à fluide (liquide ou gazeux) selon le principe décrit ci-dessus. Une telle machine convient également aux pompes, aux compresseurs et aux moteurs à gaz et aux moteurs hydrauliques. La détente est remplacée par une admission. En faisant tourner le rotor dans son sens normal on obtient une pompe à simple corps. En injectant un fluide sous pression dans l'admission on obtient un moteur. L'admission et l'échappement sont du même côté de la machine. Viol. APPLICATIONS INDUSTRIELLES. L'invention est susceptible d'être utilisée dans tous les domaines d'emploi des moteurs thermiques (automobile, aéronautique, etc.), des pompes et des compresseurs en remplacement des machines à pistons à mouvement alternatif linéaire. REVENDICATIONS. 1- Moteur à combustion interne caractérisé en ce qu'il comprend un rotor cylindrique (D) pour transmettre toute la puissance, des secteurs du cylindre rotor formant des pistons (F) tangentiels au rotor, un système de guidage (J et K) des pistons leur donnant un mouvement oscillant à l'extérieur du rotor et autour de leur axe, un stator (A) entourant le rotor et les pistons pour former une chambre d'admission/compression et une chambre de détente/échappement, un injecteur de carburant (G), un allumeur (H) et divers accessoires. L'axe de rotation de chaque piston est parallèle à l'axe du rotor. La position interne du piston permet son affleurement avec le rotor. la position externe du piston détermine les volumes d'admission et de détente. L'affleurement du rotor et du stator au "point mort bas" entre la zone d'admission et la zone d'échappement permet une évacuation totale des gaz brûlés. Le transfert (3) du mélange gazeux de la chambre d'admission vers la chambre de détente s'effectue pendant la phase de compression. Le conduit de transfert est réalisé soit par un évidement (3b) pratiqué en surface allant de la face cylindrique du rotor à la face extérieure du piston, soit par un décollement du stator (3a) par rapport au rotor. L'étanchéité des volumes est assurée par des segments placés en pression entre les pièces en contact (faces planes du rotor et des pistons avec le stator, arête du piston en contact avec le stator). 2- Moteur suivant la revendication 1 et dont le mouvement alternatif des pistons est réalisé par un montage de biellettes (K1) et d'un vilebrequin (J 1) tournant en sens inverse et à la même vitesse du rotor. Le vilebrequin et le stator sont rendus solidaires par un jeu d'engrenages de rapport "moins un" (non représenté). Ce montage permet de minimiser les efforts de frottement. Le vilebrequin peut être coaxial avec le rotor, dans ce cas le transfert en phase de compression se fait par un évidement (3b). Dans le cas du décollement du stator par rapport au rotor, le transfert (3a) est créé en décalant l'axe du vilebrequin par rapport à l'axe du rotor de la moitié de l'épaisseur de l'espace souhaité. 3- Moteur suivant la revendication I et dont le mouvement alternatif des pistons est réalisé par des guides, soit une rainure (J2) pratiquée dans un flanc du stator associée à un ergot (K2) du piston et guidant celui-ci pour assurer un contact permanent et suffisant avec le stator, soit une protubérance (J3) du stator formant une saillie dans le rotor formant le guide et permettant de maintenir les pistons en contact permanent avec le stator. Ces guides permettent d'optimiser les volumes et la position des diverses chambres. Le transfert peut être assuré par l'une des deux solutions énoncées à la revendication 1 (3a ou 3b). 4- Moteur suivant la revendication 1 et dont le mouvement alternatif des pistons est réalisé par un losange déformable (K3) les reliant entre eux. Le conduit de transfert est réalisé par un évidement (3b) pratiqué en surface allant de la face cylindrique du rotor à la face extérieure du piston. 5- Moteur suivant revendication I avec une chambre d'admission à l'intérieur du rotor et une chambre de détente à l'identique de la revendication 1. Le transfert est réalisé par un conduit réalisé dans un flanc du stator, le rotor et les pistons fermant alors les lumières d'ouverture et de fermeture par leur passage. 6- Moteur suivant la revendication 5 et dont le mouvement alternatif des pistons est réalisé par un montage de biellettes solidaires des pistons d'un coté et du stator de l'autre. 7- Moteur suivant la revendication 5 et dont le mouvement alternatif des pistons est réalisé par des guides suivant la revendication 3. 8- Moteur à fluide ou pompe suivant revendication I avec une ou deux chambres d'admission et un ou deux conduits d'échappement à la place de la compression. Dans ce cas il n'est pas pratiqué de conduit de transfert. 9- Moteur à fluide ou pompe suivant revendication 8 dont le mouvement alternatif des pistons est réalisé suivant la revendication 2 pour deux chambres et suivant la revendication 6 pour une seule chambre. 10- Moteur à fluide ou pompe suivant revendication 8 dont le mouvement alternatif des pistons est réalisé suivant la revendication 3.