Brevet FR2782120A1 — publié le 20000211

-1- ENSEMBLE MOTEUR THERMIQUE A EXPLOSION UNIQUE OU MULTIPLE PAR TOUR, A MOUVEMENTS COMBINES ROTATIFS ET A COMPRESSION EXTERIEURE DESCRIPTION L'invention est relative à un moteur thermique à explosion du genre comportant essentiellement un carter, à paroi intérieure cylindrique, un piston se déplaçant dans la cavité délimitée par ladite paroi, une entrée pour l'admission de l'air ou du comburant et une sortie pour l'échappement des gaz brûlés. Les moteurs thermiques à explosion connus du genre en question sont tous à compression interne et sont essentiellement de deux types: - à carburation: ils utilisent un carburateur qui effectue le mélange gazeux d'air et de combustible (comburant) et qui est associé à un disposi- tif d'allumage agissant directement dans la chambre de combustion; - à injection: ils utilisent un injecteur et fonctionnent sur le principe de l'auto-allumage (diesel). Ils peuvent être à 2 temps ou à 4 temps, en mono ou multi cylindres, à essence ou à gaz,etc. Ils utilisent en général des pistons qui sont animés d'un mouvement rectili- gne alternatif et qui sont associés à des moyens transformant le mouvement rectiligne en mouvement de rotation et ce avec toutes les limitations que l'on leur connait. Le moteur à piston rotatif "Wankel" est également à compression interne et fonctionne selon le principe d'une explosion par tour. Le piston, triangulaire, est soumis à 2 mouvements, le premier de rotation par rapport à un pignon central et le deuxième de rotation sur lui-même de sorte qu'il a un fonction- nement excentrique qui crée des chambres de travail à volume variable et qui rend difficile la résolution technique des problèmes d'étanchéité. Le moteur rotatif en question nécessite en outre le graissage des éléments tournants (comme dans les moteurs traditionnels) et possède une explosion mal orientée et une limite en puissance. L'invention vise donc à réaliser un ensemble moteur thermique à explosion qui élimine ces divers inconvénients. S'il peut s'adapter à un moteur à explosion classique, il est avantageusement conçu pour s'adapter à un moteur à piston rotatif d'un genre tout à fait nouveau et original. -2- En effet, l'ensemble "motorique", selon l'invention, se caractérise essen- tiellement: - en ce qu'il comporte, entre le cylindre et l'entrée (admission), d'abord une chambre d'explosion et ensuite un dispositif de gavage comprenant un carter, à paroi intérieure cylindrique, et un talon rotatif se déplaçant dans la cavité délimitée par ladite paroi cylindrique et pourvu d'au moins un évidement périphérique apte, dans une première position du talon, à loger une quantité d'air ou de comburant bien définie arrivant, préalablement comprimée, sur ladite entrée, et, dans une deuxième position dudit talon, à libérer ladite quantité d'air ou de comburant, toujours comprimée, dans la chambre d'explosion qui est, à ce moment précis, fermée, côté cylindre, par le piston et, côté dispositif de gavage, par la paroi intérieure de l'évide- ment du talon rotatif qui sert dans ce cas de clapet; - en ce que le piston comporte une paroi dont la forme et la position sont définies pour absorber, de manière optimale, la poussée résultant de l'explo- sion; - en ce que la paroi intérieure de l'évidement du talon rotatif comporte une partie dont la forme et la position sont définies pour absorber, de manière optimale, la contrepoussée résultant de l'explosion; - en ce que le piston et le talon rotatif sont couplés de manière à addition- ner, sur l'axe moteur du piston, la poussée et la contrepoussée résultant de l'explosion; - et en ce que l'entrée (admission) et la sortie (échappement) sont reliées respectivement à un dispositif à compression et à un dispositif à dépression cyclonique. Dans la réalisation préférée de l'invention, qui consiste à utiliser un piston rotatif, les avantages qui en découlent sont très nombreux: gain de puissance et de vitesse de rotation, économie d'énergie, réduction de la pollution, faible encombrement, gain de poids, meilleure insonorisation, maintenance simplifiée, possibilité de multi-explosion par tour et de poly- alimentation, coût de fabrication réduit, frein moteur amplifié, économie de lubrifiant, débrayage facilité, usure moindre, plus fiable et longévité accrue, absence de vibration, positionnement dans n'importe quel angle, temps d'accélération réduit, démarrage possible à l'air comprimé, sens de rotation réversible, meilleur démarrage à froid, accepte la vapeur en force additionnelle, s'adapte aux matériaux modernes (céramique, traitement de -3- surface, haute tecnologie), miniaturisation possible. Les caractéristiques et les avantages de l'invention vont apparaître plus clairement à la lecture de la description détaillée qui suit d'au moins un mode de réalisation préféré de l'invention donné à titre d'exemple non limitatif et représenté aux dessins annexés. Sur ces dessins: - la figure 1 est une vue en coupe d'un ensemble comportant un piston rotatif et des dispositifs d'entrée et de sortie; - la figure 2 est une vue en coupe d'un ensemble comportant deux dispositifs d'entrée,fonctionnant en multi-explosion par tour et éventuellement en poly- alimentation, couplés sur un même piston rotatif; - la figure 3 est une vue en coupe d'un ensemble comportant deux pistons couplés sur un même dispositif d'entrée et fonctionnant dans des sens de rotation inversés. L'ensemble moteur thermique à explosion,représenté à la figure 1, comporte: - un carter (1), à paroi intérieure cylindrique, un piston (3), se déplaçant dans la cavité délimitée par ladite paroi, une entrée (4) pour l'admission de l'air ou du comburant et une sortie (5) pour l'échappement des gaz brûlés; - entre le cylindre (2) et l'entrée (4), d'abord une chambre d'explosion (6) et ensuite un dispositif de gavage comprenant un carter (7), à paroi inté- rieure cylindrique, et un talon (8), rotatif, se déplaçant dans la cavité délimitée par ladite paroi cylindrique et pourvu d'au moins un évidement périphérique (9) apte, dans une première position du talon rotatif (8), à loger une quantité d'air ou de comburant bien définie arrivant, préalablement comprimée, sur l'entrée (4) et, dans une deuxième position dudit talon rota- tif (8), à libérer ladite quantité d'air ou de comburant toujours comprimée, dans la chambre d'explosion (6) qui est, à ce moment précis, fermée, côté cylindre(2),par la paroi extérieure (10) du piston (3) et, côté dispositif de gavage(7,8),par la paroi intérieure de l'évidement (9) du talon rotatif (8). Ledit talon (8) est selon l'usage satellitaire ou planétaire. Le piston (3) comporte une paroi (12) dont la forme et la position sont définies pour absorber, de manière optimale, la poussée résultant de l'explo- sion. La paroi intérieure de l'évidement (9) du talon (8) comporte une partie (13) dont la forme et la position sont définies pour absorber,de manière optimales -4- la contrepoussée résultant de l'explosion. Le piston (3) et le talon (8) sont couplés de manière à additionner, sur l'axe moteur (14) du piston (3), la poussée et la contrepoussée résultant de l'explosion. L'entrée (4) est reliée à un dispositif à compression (15) du type compres- seur à palettes ou de tout autre type. La sortie (5) est reliée à un dispositif à dépression cyclonique (16) du type ventilateur-brasseur-extracteur ou de tout autre type. La paroi de la chambre d'explosion (6) comporte un moyen (17) d'allumage ou d'injection. Le talon (8) du dispositif de gavage peut comporter le moyen d'allumage ou d'injection en liaison cyclique avec la chambre d'explosion (6). Le carter (1) du piston (3) et le carter (7) du talon (8) peuvent être réalisés en une seule pièce qui comporte une double paroi pour la circulation d'un fluide de refroidissement. Cette pièce peut également intégrer d'autres sous-ensembles comme les dispositifs (15) et/ou (16). Le carter (7) du talon (8) peut comporter une ouverture reliée à la sortie (5) pour l'évacuation de ses imbrûlés. L'ensemble peut comporter une cuve d'expansion, munie d'un clapet taré, permettant d'accumuler de l'air comprimé en provenance du dispositif (15) à compression pour le redistribuer entre le carter (1) et le piston (3) pour soit démarrer, soit freiner, en fonction de son sens de circulation, le piston (3). Dans la réalisation préférée de l'invention (figure 1), le piston (3) est rotatif et comporte, à sa périphérie, au moins un évidement (11), servant de chambre de détente, qui se positionne en regard de la chambre d'explosion (6) au moment de l'explosion et dont la paroi interne comporte la partie (12) apte à recevoir, de manière optimale, la poussée résultant de l'explosion. Le piston (3) peut être à mouvement rectiligne alternatif et la chambre d'explosion est dans ce cas délimitée, en partie haute, par une culasse pourvue d'une ouverture pour le couplage du dispositif de gavage (7,8) et, en partie basse, par la paroi supérieure du piston (système traditionnel). Selon une variante de l'invention (figure 2), un ensemble carter-piston (1,3) peut être couplé à: - deux entrées (4) comportant chacune son propre dispositif de gavage par exemple associé à un compresseur (15); - 5- deux sortie (5) comportant chacune son propre dispositif à dépression cyclonique (16): dans ce cas, les comburants utilisés peuvent être de natures différentes (poly-alimentation). Selon une autre variante de l'invention (figure 3), au moins deux ensembles carter-piston (1,3), peuvent être couplés à une même entrée (4) et comportent en commun le même dispositif de gavage (7,8) et la même chambre d'explosion (6). Selon une autre variante de l'invention (non représentée), un ensemble carter-piston (1,3) peut être couplé, en juxtaposition, sur le même axe ou10 arbre (14), à au moins un autre moteur du même type ou d'un type différent, notamment à un moteur électrique dans le cas d'une voiture hybride. Il sera dans ce cas débrayable en compression pour une utilisation urbaine écologi- que. L'ensemble est donc constitué d'un centre "coeur-poumon" gérable par servo-15 mécanisme et électronique programmée de l'allumage haute tension, de la technologie de l'explosion et de la volumètrie de la compressiondépression. Il bénéficie d'un effet synergique et thermomécanique apporté par les diffé- rentes parties par transmission et sans frottement. En plus, l'ensemble peut utiliser la vapeur d'eau par injection hydraulique dans un canon situé au point chaud et o il peut être prévu une résistance électrique de chauffage (au carbone) par exemple pour une application économique d'un groupe électrogène. L'ensemble possède un mouvement combiné planétaire ou satellitaire pouvant posséder une compression extérieure à étages (en cascade).25 Son fonctionnement est synchronique au niveau des chambres de détente péri- phériques. Selon le diamètre du piston rotatif, on peut augmenter le nombre de chambres et allonger le temps de combustion pour supprimer les imbrûlés. Les gaz brûlés s'évacuent automatiquement par la force centrifuge et sont repris par l'effet de l'échappement cyclonique et à dépression. Le corps silencieux d'échappement, qui crée la dépression cyclonique, permet un amortissement des vibrations et une montée en température de fonctionnement plus rapide. Ce corps permet aussi la précompression à l'admission (effet turbo) selon les besoins. En agissant sur la volumètrie du compresseur à palettes centifuge, on peut obtenir un effet frein moteur amplifié. -6- Le moteur est débrayable et coupable facilement car la compression est externe et indépendante du piston. Son faible encombrement permet d'envisager toutes positions et le guidage des éléments tournants se détermine par les axes qui recevront les points d'appui (pas d'huile de refroidissement stockée sous le mécanisme ou en barbotage). Le système moteur avec réserve énergétique d'air comprimé et de faibles frottements, permet un meilleur démarrage à froid. Le dispositif compresseur (15) peut être à palettes (18) solidaires d'un rotor (19) et posséder une entrée (20). Le dispositif à dépression (16) peut être à ventilateur (21) et posséder une paroi (22), perforée, faisant office de silencieux et de détente. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits et représentés pour lesquels on pourra prévoir d'autres variantes, en particulier dans: - le nombre d'évidements périphériques (11) sur un même piston (3) et (9) sur un même talon (8); - les types de pistons (3) et de moteurs utilisés; - les types de dispositifs de compression (15) et de dépression (16) utilisés; - les divers types de couplage des divers sous-ensembles entre eux; sans pour celà sortir du cadre de l'invention. -7- REVENDICATIONS 1- Ensemble moteur thermique à explosion du genre comportant un carter (1), à paroi intérieure cylindrique, un piston (3), se déplaçant dans la cavité délimitée par ladite paroi, une entrée (4) pour l'admission de l'air ou du comburant et une sortie (5) pour l'échappement des gaz brûlés; caractérisé en ce qu'il comporte, entre le cylindre (2) et l'entrée (4), d'abord une chambre d'explosion (6) et ensuite un dispositif de gavage comprenant un carter (7), à paroi intérieure cylindrique, et un talon rotatif (8) se déplaçant dans la cavité délimitée par ladite paroi cylindri- que et pourvu d'au moins un évidement périphérique (9) apte, dans une10 première position du talon rotatif (8), à loger une quantité d'air ou de comburant bien définie arrivant, préalablement comprimée, sur l'entrée (4) et, dans une deuxième position dudit talon rotatif (8), à libérer ladite quantité d'air ou de comburant, toujours comprimée, dans la chambre d'explo- sion (6) qui est à ce moment précis fermée, côté cylindre (2), par la paroi15 extérieure (10) du piston (3) et, côté dispositif de gavage (7, 8), par la paroi intérieure de l'évidement (9) du talon rotatif (8); en ce que le piston (3) comporte une paroi (12) dont la forme et la position sont définies pour absorber, de manière optimale, la poussée résultant de l'explosion;20 en ce que la paroi intérieure de l'évidement (9) du talon rotatif (8) comporte une partie (13) dont la forme et la position sont définies pour absorber, de manière optimale, la contrepoussée résultant de l'explosion; et en ce que le piston (3) et le talon rotatif (8) sont couplés de manière à additionner, sur l'axe moteur (14) du piston (3), la poussée et la contre- poussée résultant de l'explosion. 2- Ensemble moteur thermique à explosion, selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'entrée (4) est reliée à un dispositif à compression (15); 3- Ensemble moteur thermique à explosion, selon la revendication 1, caractérisé en ce que la sortie (5) est reliée à un dispositif à dépression cyclonique (16). 4- Ensemble moteur thermique à explosion, selon la revendication 1, caractérisé en ce que la paroi de la chambre d'explosion (6) comporte un moyen (17) d'allumage ou d'injection. -8- - Ensemble moteur thermique à explosion, selon la revendication 1, caractérisé en ce que le talon rotatif (8) du dispositif de gavage comporte un moyen d'allumage ou d'injection en liaison cyclique avec la chambre d'explosion (6). 6- Ensemble moteur thermique à explosion, selon la revendication 1, caractérisé en ce que le carter (1) du piston (3) et le carter (7) du talon rotatif (8) sont réalisés en une seule pièce qui comporte une double paroi pour la circulation d'un fluide de refroidissement. 7- Ensemble moteur thermique à explosion,selon la revendication 1 ou la revendication 3, caractérisé en ce que le carter (7) du talon rotatif (8) comporte une ouverture reliée à la sortie (5) pour l'évacuation des imbrûlés. 8- Ensemble moteur thermique à explosion, selon la revendication1, caractérisé en ce qu'il comporte une cuve d'expansion, munie d'un clapet taré, permettant d'accumuler de l'air comprimé en provenance du dispositif (15) à compression pour le redistribuer entre le carter (1) et le piston (3) pour soit démarrer, soit freiner, en fonction de son sens de circulation, le piston (3). 9- Ensemble moteur thermique à explosion, selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le piston (3) est rotatif et comporte, à sa périphérie, au moins un évidement (11), servant de chambre de détente, qui se positionne en regard de la chambre d'explosion (6) au moment de l'explosion et dont la paroi interne comporte la partie (12) apte à recevoir, de manière optimale, la poussée résultant de l'explosion. - Ensemble moteur thermique à explosion, selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le piston (3) est à mouvement rectiligne alternatif et la chambre d'explosion (6) est délimitée, en partie haute, par une culasse pourvue d'une ouverture pour le couplage du dispositif de gavage (7,8) et, en partie basse, par la paroi supérieure du piston. 11- Ensemble moteur thermique à explosion, selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'un ensemble carter-piston (1,3) est couplé à: - deux entrées (4) comportant chacune son propre dispositif de gavage (7, 8); deux sorties (5) comportant chacune son propre dispositif à dépression cyclonique (16). 12- Ensemble moteur thermique à explosion, selon la revendication 9 ou la revendication 10, caractérisé en ce qu'au moins deux ensembles carter- piston (1,3) sont couplés à une même entrée (4) et comportent en commun le -9- même dispositif de gavage (7,8) et la même chambre d'explosion (6). 13- Ensemble moteur thermique à explosion, selon la revendication 9 ou la revendication 10, caract6risé en cequ'un ensemble carter-piston (1,3) est couplé, en juxtaposition, sur le même axe (14), à au moins un autre moteur5 du même type ou d'un type différent.