Brevet FR2819016A1 — publié le 20020705

MOTEUR THERMIQUE A CYLINDRE TOURNANT La présente invention se rapporte à un nouveau moteur thermique, particulièrement adapté au modélisme, ou susceptible de former le rotor d'une génératrice de manière à produire de l'électricité comme illustré dans la demande de brevet FR-0001739 au nom du demandeur. Les moteurs thermiques à cylindre tournant sont largement répandus dans le domaine de l'aéromodélisme. Selon l'art antérieur, un moteur thermique, par exemple celui décrit dans la demande de brevet WO98/03781, comprend une chambre à combustion 10 délimitée par un cylindre tournant 12 et un piston 14, ce dernier étant relié à un vilebrequin 16 par une bielle 18. Le cylindre tournant 12 est entraîné en rotation par le vilebrequin 16, par l'intermédiaire d'un renvoi d'angle 20 formé de deux engrenages coniques. Le cylindre tournant 12 est équipé à son extrémité d'une lumière 22 susceptible de communiquer avec un conduit d'échappement 24 ou un conduit d'admission en mélange combustible ou d'être obturée. Selon ce document, l'arbre moteur 26 est disposé dans le prolongement du cylindre tournant 12. Ainsi, comme dans tout moteur, le mouvement de translation du piston 14 entraîne en rotation, grâce à la bielle 18, le vilebrequin 16 dont l'axe est utilisé comme arbre moteur. Dans le cas des moteurs à cylindre tournant, le vilebrequin 16 entraîne en rotation le cylindre tournant 12 dont la lumière 22 communique en fonction du temps du cycle avec le conduit d'échappement ou le conduit d'admission. Ce type de moteur thermique à cylindre tournant ne donne pas pleinement satisfaction, surtout lorsqu'il est utilisé pour faire fonctionner une génératrice comme illustré dans la demande de brevet FR-0001739. En effet, les liaisons entre le piston et le vilebrequin et entre le vilebrequin et le cylindre tournant génèrent des frottements et des pertes qui réduisent le rendement d'un tel moteur. Par ailleurs, le nombre de pièces en mouvement est relativement important, ce qui induit des pertes en raison des inerties réduisant également le rendement. Aussi, la présente invention vise à pallier les inconvénients des dispositifs de l'art antérieur en proposant un moteur thermique à cylindre tournant de conception simple, avec un nombre de pièces en mouvement moins important ce qui se traduit par un rendement amélioré. A cet effet, l'invention a pour objet un moteur thermique à cylindre tournant comprenant une chambre de combustion délimitée par un cylindre tournant et un piston ainsi que des moyens d'admission et d'échappement, caractérisé en ce qu'il comprend une liaison hélicoïdale entre le cylindre tournant et le piston et des moyens d'immobilisation en rotation du piston de manière à ce que le mouvement de translation alternatif du piston génère la rotation continu du cylindre tournant. Selon un mode de réalisation préféré, la liaison hélicoïdale comprend au moins un chemin de roulement disposé au niveau de la paroi latérale du piston s'étendant sur la totalité de la paroi de manière à former une boucle ainsi que pour chaque chemin de roulement deux billes diamétralement opposées, solidaires du cylindre tournant, susceptibles de se loger et de se déplacer dans le chemin de roulement. De préférence, le ou les chemins de roulement ont une forme sinusoïdale. Selon une autre caractéristique, les moyens d'immobilisation en rotation du piston comprennent un contre-piston, solidaire d'un bâti, se logeant dans un alésage ménagé dans le piston, une liaison glissière étant prévue entre le piston et le contre-piston. Dans ce cas, la liaison glissière comprend au moins un chemin de roulement rectiligne, disposé sur une génératrice du contre-piston, dans lequel est susceptible de se déplacer une bille solidaire du piston. Selon un mode préféré de réalisation, une lumière est ménagée au niveau du fond du cylindre tournant susceptible de coopérer avec un conduit d'échappement ou d'être obturée. En complément, les moyens d'admission comportent au niveau du contre-piston un conduit débouchant dans un espace délimité entre ledit contre-piston et le piston, muni d'une première soupape à son extrémité débouchant dans ledit espace, ainsi qu'un conduit au niveau du fond du piston faisant communiquer l'espace avec la chambre de combustion muni d'une seconde soupape, chaque soupape étant susceptible d'occuper deux positions, une première position fermée dans laquelle elle s'oppose au passage des gaz, et une seconde position passante dans laquelle elle autorise le passage des gaz. D'autres caractéristiques et avantages ressortiront de la description qui va suivre de l'invention, description donnée à titre d'exemple uniquement et en regard des dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 est une vue en coupe d'un moteur thermique à cylindre tournant selon l'art antérieur, - la figure 2 est une vue en coupe d'un moteur thermique à cylindre tournant selon l'invention, le piston au point mort bas, équipant à titre d'exemple une génératrice et illustrant une première variante d'admission, - les figures 3A à 3C sont des vues développées de la parol latérale du piston ou du cylindre tournant illustrant des variantes de réalisation de chemins de roulement, - la figure 4 est une vue en coupe transversale du moteur de la figure 2, - la figure 5 est une vue en coupe de l'extrémité libre du cylindre tournant illustrant une seconde variante d'admission, - la figure 6 est une vue en coupe du moteur de la figure 2, le piston au point mort haut, et - la figure 7 est une vue en coupe du moteur illustrant une variante des moyens d'échappement et d'admission. La figure 2 représente un moteur thermique 50 selon l'invention en coupe longitudinale. Il comprend un bâti 52 et une chambre de combustion 54 délimitée par un cylindre tournant 56 et un piston 58 ainsi que des moyens d'admission et d'échappement et éventuellement en fonction du type de mélange combustible des moyens d'allumage. Ce moteur peut aussi bien fonctionner selon le principe d'un deux temps ou d'un quatre temps. Pour comprimer, aspirer, évacuer les gaz présents dans la chambre de combustion 54 ou lors de la détente desdits gaz, le piston 58 effectue un mouvement de translation à l'intérieur du cylindre tournant 56. Pour l'étanchéité, des racleurs ou segments sont prévus entre le cylindre tournant 56'et le piston 58. Avantageusement, l'alésage du cylindre tournant 56 est revêtu d'une chemise 60. Selon l'invention, le mouvement de rotation du cylindre tournant 56 est transmis directement par le piston 58 grâce à une liaison hélicoïdale 62 entre ces deux éléments, des moyens d'immobilisation en rotation étant prévus entre le piston 58 et le bâti 52. La liaison hélicoïdale 62 comprend au moins un chemin de roulement 64, visible sur la figure 3, disposé au niveau de la paroi latérale du piston 58 ou du cylindre tournant, ainsi qu'au moins un élément en saillie susceptible de se loger ou de se déplacer dans le chemin de roulement 64 correspondant de manière à ce que le mouvement de translation du piston 58 génère la rotation du cylindre tournant 56. Le ou les chemins de roulement 64 s'étendent sur la totalité de la paroi de manière à former chacun une boucle. De préférence, le ou les chemins de roulement 64 sont disposés sur la paroi latérale du piston 58. En complément, deux billes 66 diamétralement opposées solidaires du cylindre tournant 56 sont prévues comme élément en saillie pour chaque chemin de roulement. Le fait de prévoir deux billes diamétralement opposées pour chaque chemin de roulement permet d'équilibrer les efforts entre le piston et le cylindre tournant. En variante, les billes sont réparties de manière équidistante le long de la circonférence du cylindre tournant 56. Selon un mode de réalisation illustré par les figures 2 et 4, chaque bille 66 est liée à un siège 68 solidaire du cylindre, et éventuellement des moyens de lubrification sont prévus au niveau de chaque bille facilitant leur roulement dans le chemin 64 correspondant. La forme du chemin de roulement est défini par l'homme du métier en fonction par exemple du type de moteur souhaité, à savoir à deux temps ou à quatre temps, et/ou du nombre de détentes par tour de cylindre. A titre d'exemple, le chemin de roulement 64 illustré par la figure 3A est sinusoïdal et formé de deux sinus de manière à obtenir un moteur quatre temps ou un moteur deux temps à deux détentes par tour de cylindre. Selon une autre variante illustrée par la figure 3B, la paroi latérale du piston 58 comprend plusieurs chemins de roulement, par exemple 3, qui se croisent, disposés sur la même hauteur du piston, avec un profil sinusoïdal. De préférence, l'écart entre les différents chemins de roulement est différent pour ne pas avoir des points d'intersection des chemins de roulement à la même hauteur. Selon une autre variante illustrée par la figure 3C, la paroi latérale du piston 58 comprend plusieurs chemins de roulement qui ne se croisent pas, répartis sur la hauteur du piston. Sur la figures 3B et 3C, on a représenté uniquement l'axe médian des chemins de roulement. Selon les modes de réalisation, la section transversale du chemin de roulement peut être carrée, rectangulaire, arrondie, elliptique ou formée de deux arcs. Selon un mode préféré de réalisation, le piston 58 comprend un alésage intérieur et les moyens d'immobilisation en rotation du piston 58 comprennent un contre-piston 70, solidaire du bâti 52, de forme cylindrique et coaxial au piston, se logeant dans l'alésage du piston, une liaison glissière 72 étant prévue entre le piston 58 et le contre-piston 70. Cette liaison glissière 72 comprend au moins un chemin de roulement 74 rectiligne, ménagé au droit d'une génératrice du piston 58, ou respectivement du contre-piston 70, dans lequel est susceptible de se déplacer une bille 76 solidaire du contre-piston 70, ou respectivement du piston 58. De préférence, deux chemins de roulement 74 sont disposés sur des génératrices du contre-piston 70 diamétralement opposées, dans chacun desquels est susceptible de se déplacer une bille 76 solidaire d'un siège 78 relié au piston 58 comme illustré par la figure 4. Comme précédemment, des moyens de lubrification peuvent être prévus pour améliorer le roulement des billes 76 dans les chemins 74. Selon l'invention, le mouvement de translation alternatif du piston 58 produit par les détentes successives génèrent un mouvement de rotation continu du cylindre tournant 56, le piston 58 étant immobilisé en rotation par le contre-piston 70 grâce àla liaison glissière 72 et entraînant en rotation le cylindre tournant 56 grâce à la liaison hélicoïdale 62. De préférence, le fond du cylindre tournant 56 comprend une cavité 80 sous forme d'alésage, débouchant dans la chambre de combustion 54, au niveau de laquelle sont disposés les moyens d'allumage sous forme de bougie 81. Selon une première variante illustrée par les figures 2 et 6, une lumière 82 est ménagée au niveau du fond du cylindre tournant 56 ou au niveau de la cavité 80, susceptible de coopérer avec un conduit d'échappement 84 ou d'être obturée. Dans ce cas, les moyens d'admission comportent au niveau du contrepiston 70 un conduit 86 débouchant dans l'espace 88 délimité par ledit contre-piston 70 et le piston 58, muni à son extrémité débouchant dans ledit espace d'une première soupape 90, ainsi qu'un conduit 92 au niveau du fond du piston 58 faisant communiquer l'espace 88 avec la chambre de combustion 54 muni d'une seconde soupape 94. Chaque soupape est susceptible d'occuper deux positions, une première position fermée dans laquelle elle s'oppose au passage d'un fluide, et une seconde position passante dans laquelle elle autorise le passage du fluide. Selon un mode de réalisation, les soupapes sont maintenues en position fermée par des moyens de rappel par exemple un ressort, la pression du fluide provoquant l'ouverture de la soupape, à l'encontre des moyens de rappel, lorsque ladite pression dépasse un certain seuil, taré en fonction de la raideur des moyens de rappel. Selon un mode réalisation, l'extrémité du conduit 86 débouchant dans l'espace 88 comprend un siège 96 sous forme d'un chanfrein et la première soupape 90 comporte une tête 98 de forme tronconique dont le flanc est susceptible de coopérer avec le siège 96 et un corps 100 coulissant dans le conduit 86 comprenant un alésage intérieur 102 débouchant dans le conduit 86 et par une pluralité d'orifices 104 au niveau de la paroi extérieure du corps. Ainsi, en position fermée, le flanc de la tête 98 de la soupape est en appui contre le siège 96 du conduit s'opposant au passage du fluide. En position passante, le flanc n'est plus en contact avec le siège, si bien que le fluide s'écoule depuis le conduit 86, en passant par l'alésage 102 et les orifices 104, vers l'espace 88 comme illustré par les flèches 106. De la même façon, l'extrémité du conduit 92 débouchant dans la chambre de combustion 54 comprend un siège 108 sous forme d'un chanfrein et la seconde soupape 94 comporte une tête 110 de forme tronconique dont le flanc est susceptible de coopérer avec le siège 108 et un corps 112 coulissant dans le conduit 92 comprenant un alésage intérieur 114 débouchant dans le conduit 92 et par une pluralité d'orifices 116 au niveau de la paroi extérieure du corps. En complément des moyens d'alimentation en mélange combustible sont prévus au niveau du conduit 86 sous forme par exemple d'une alimentation en air 118 et un injecteur de carburant 120. Le principe de fonctionnement selon un cycle deux temps de ce moteur est maintenant décrit au regard des figures 2 et 6. En position point mort bas, la chambre de combustion 54 est remplie du mélange combustible. Ensuite, le piston 58 se translate vers le fond du cylindre tournant 56 en comprimant les gaz, la lumière 82 étant obturée et la seconde soupape 94 étant en position fermée sous l'action combinée des gaz et des moyens de rappel. Lors de ce mouvement, une dépression se crée au niveau de l'espace 88 ce qui provoque l'ouverture de la première soupape 90 et le remplissage de l'espace 88 de mélange combustible. Au point mort haut, les gaz sont comprimés dans la chambre de combustion 54, la lumière 82 étant toujours obturée et la seconde soupape 94 en position fermée. Selon les cas, la compression des gaz peut suffire à initier l'explosion des gaz ou cette dernière peut être initiée par des moyens d'allumage par exemple la bougie 81. La détente des gaz engendre la translation du piston 58 vers le point mort bas ce qui tend à comprimer les gaz présent dans l'espace 88 provoquant la fermeture de la première soupape 90. Dès que la pression au niveau de la chambre de combustion est inférieure à celle de l'espace 88, la seconde soupape 94 s'ouvre ce qui correspond à l'admission des gaz de l'espace 88 vers la chambre de combustion 54. A ce moment, la lumière 82 doit communiquer avec le conduit d'échappement 84. Ainsi les gaz frais, issus de l'espace 88 chassent les gaz brûlés présents dans la chambre. Au point mort bas, le cycle recommence. Pour le pilotage de l'alimentation et de l'allumage, des moyens 125 de positionnement du cylindre tournant sous forme de capteur sont prévus. Pour l'étanchéité de la chambre de combustion 54 et de l'espace 88, des racleurs ou segments 122 sont prévus entre le piston 58 et le cylindre tournant 56 et entre le piston 58 et le contre-piston 70. D'autre part, pour limiter les frottements lors des mouvements relatifs des pièces en mouvement, des moyens de lubrification peuvent être prévus. Selon une deuxième variante illustrée par la figure 5, une lumière 82 est ménagée au niveau du fond du cylindre tournant 56 ou au niveau de la cavité 80 susceptible de coopérer avec un conduit d'échappement 84 ou un conduit d'admission 124 ou d'être obturée. Selon une autre variante des moyens d'échappement, illustrée par la figure 7, aucune cavité 80 n'est prévue. Dans ce cas, une lumière 126 de forme appropriée est prévue au niveau du fond du cylindre tournant 56, désaxée par rapport à l'axe de l'alésage du cylindre tournant, qui est susceptible de coopérer avec un conduit d'échappement 128 solidaire du bâti. Cette solution avec un conduit d'échappement droit permet de réduire les perturbations de l'écoulement des gaz d'échappement, ce qui contribue à diminuer la température desdits gaz et de l'ensemble moteur. Selon une autre variante des moyens d'admission, illustrée par la figure 7, la seconde soupape 94 est supprimée et remplacée par un chambrage 130 ménagé au niveau du cylindre tournant, au droit de la position point mort bas du piston 58, ledit piston comprenant une pluralité de conduits 132 susceptibles de faire communiquer l'espace 88 avec le chambrage 130 et des orifices 134 étant prévus au niveau de la chemise 60 du cylindre tournant 56 susceptibles de faire communiquer le chambrage 130 avec la chambre de combustion 54. En l'absence de chemise, le chambrage 130 peut être remplacé par une ou plusieurs rainures ménagées dans le cylindre tournant 56 dans le sens longitudinal. Selon cette variante, lorsque le piston est sensiblement en position point mort bas, le mélange combustible présent dans l'espace 88 s'écoule vers la chambre de combustion 54 via les conduits 132, le chambrage 130 et les orifices 134. Dès que le piston n'est plus sensiblement en position point mort bas, l'espace 88 et la chambre de combustion 54 ne communiquent plus. Cette solution a pour principal intérêt de refroidir efficacement la tête du piston grâce à la détente produite par l'écoulement des gaz de l'espace 88 vers la chambre de combustion 54. Selon les cas, l'arbre de sortie d'un tel moteur peut être disposé selon l'axe longitudinal du cylindre et raccordé audit cylindre comme illustré par la figure 1 ou bien être disposé selon un axe parallèle à l'axe longitudinal du cylindre et engrener sur une couronne solidaire du cylindre tournant 56. Selon le mode de réalisation illustré par la figure 2, le moteur ne comprend aucun arbre de sortie, mais forme le support du rotor d'une génératrice. Dans ce cas, un premier ensemble électromagnétique 136 est disposé sur la périphérie du cylindre tournant 56 et un second ensemble électromagnétique 138 est fixé à un bâti cylindrique, coaxial au cylindre tournant, un des deux ensembles électromagnétiques étant susceptible de générer un champ magnétique permanent et l'autre comprenant au moins un enroulement susceptible de générer un courant induit sous l'effet combiné de la rotation et du champ magnétique permanent. Bien entendu, l'invention n'est évidemment pas limitée au mode décrit ci-dessus, mais en couvre au contraire toutes les variantes, notamment en ce qui concerne les dimensions et la cylindrée du moteur, le type de moteur, à savoir deux temps ou quatre temps, le nombre de détente par tour de cylindre, la forme du chemin de roulement ainsi que les moyens d'admission et d'échappement et du mélange combustible utilisé. REVENDICATIONS 1. Moteur thermique à cylindre tournant comprenant une chambre de combustion (54) délimitée par un cylindre tournant (56) et un piston (58) ainsi que des moyens d'admission et d'échappement, caractérisé en ce qu'il comprend une liaison hélicoïdale (62) entre le cylindre tournant (56) et le piston (58) et des moyens d'immobilisation en rotation du piston (58) de manière à ce que le mouvement de translation alternatif du piston (58) génère la rotation continu du cylindre tournant (56). 2. Moteur thermique à cylindre tournant selon la revendication 1, caractérisé en ce que la liaison hélicoïdale (62) comprend au moins un chemin de roulement (64) disposé au niveau de la paroi latérale du piston (58) s'étendant sur la totalité de la paroi de manière à former une boucle ainsi qu'au moins un élément en saillie, pour chaque chemin de roulement, lié au cylindre tournant (56) susceptible de se loger dans le chemin de roulement (64). 3. Moteur thermique à cylindre tournant selon la revendication 2, caractérisé en ce que deux billes (66) diamétralement opposées solidaires du cylindre tournant (56) sont prévues comme élément en saillie pour chaque chemin de roulement. 4. Moteur thermique à cylindre tournant selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que le ou les chemins de roulement (64) ont une forme sinusoïdale. 5. Moteur thermique à cylindre tournant selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les moyens d'immobilisation en rotation du piston (58) comprennent un contre-piston (70), solidaire d'un bâti (52), se logeant dans un alésage ménagé dans le piston (58), une liaison glissière (72) étant prévue entre le piston (58) et le contre-piston (70). 6. Moteur thermique à cylindre tournant selon la revendication 5, caractérisé en ce que la liaison glissière (72) comprend au moins un chemin de roulement (74) rectiligne, disposé sur une génératrice du contre-piston (70), dans lequel est susceptible de se déplacer une bille (76) solidaire du piston (58). 7. Moteur thermique à cylindre tournant selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'une lumière (82) est ménagée au niveau du fond du cylindre tournant (56) susceptible de coopérer avec un conduit d'échappement (84) ou un conduit d'admission (124) ou d'être obturée. 8. Moteur thermique à cylindre tournant selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce qu'une lumière (82) est ménagée au niveau du fond du cylindre tournant (56) susceptible de coopérer avec un conduit d'échappement (84) ou d'être obturée et en ce que les moyens d'admission comportent au niveau du contre-piston (70) un conduit (86) débouchant dans un espace (88) délimité entre ledit contre-piston (70) et le piston (58), muni d'une première soupape (90) à son extrémité débouchant dans ledit espace, ainsi qu'un conduit (92) au niveau du fond du piston (58) faisant communiquer l'espace (88) avec la chambre de combustion (54) muni d'une seconde soupape (94), chaque soupape étant susceptible d'occuper deux positions, une première position fermée dans laquelle elle s'oppose au passage des gaz, et une seconde position passante dans laquelle elle autorise le passage des gaz. 9. Moteur thermique à cylindre tournant selon la revendication 8, caractérisé en ce que les soupapes sont maintenues en position fermée par des moyens de rappel, la pression du fluide provoquant l'ouverture de la soupape, à l'encontre des moyens de rappel, lorsque ladite pression dépasse un certain seuil taré en fonction de la raideur des moyens de rappel. 10. Moteur thermique à cylindre tournant selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'il comprend un premier ensemble électromagnétique (136) disposé sur la périphérie du cylindre tournant (56) et un second ensemble électromagnétique (138) fixé à un bâti cylindrique, coaxial au cylindre tournant, un des deux ensembles électromagnétiques étant susceptible de générer un champ magnétique permanent et l'autre comprenant au moins un enroulement susceptible de générer un courant induit sous l'effet combiné de la rotation et du champ magnétique permanent.