Brevet FR2819553A1 — publié le 20020719

La présente invention concerne l'architecture cinématique d'un moteur thermique rotatif à combustion interne, avec un entraînement du type à organes dentés et/ou bielles, muni de deux rotors coaxiaux tournant en"chat et souris". Les moteurs thermiques existants du type énoncé ci-dessus disposent d'un mécanisme de transmission entre les deux rotors et l'arbre moteur. Ce mécanisme est généralement complexe (dont le mouvement des pièces présente parfois des quasi-discontinuités de vitesse), inadapté à la transmission de couples, volumineux (donc lourd) car éloigné du"bloc moteur", déséquilibré statiquement et dynamiquement. De tels moteurs ont aussi des problèmes d'étanchéité à la compression, due à la disposition de leur joints ou segments, ainsi que des problèmes d'usures de ces pièces. Tous ces défauts pénalisent les hauts régimes, la souplesse, l'équilibrage et le rapport puissance/poids du moteur. Le moteur selon l'invention ne présente pas ces inconvénients : * Il ne vibre pas (sauf en rotation selon l'axe moteur). * La surface des pistons, assure, par une architecture judicieuse des segments, une bonne étanchéité. 'Les forces de pression des gaz sur les pistons sont ortho-radiales par rapport à l'axe de rotation des rotors, donc le moteur, via les deux rotors délivre un fort couple. 'Ses orifices d'admission et d'échappement sont bien ventilés et il n'est pas équipé de soupape. Par conséquent, il taquine les hauts régimes. * Le mécanisme, logé au coeur du moteur, l'allège et le rend compact. Par conséquent, il affiche un rapport puissance/poids exceptionnel. Sur ce moteur selon l'invention, s'adaptent pratiquement toutes les technologies classiques ou modernes : * Carburant essence, diesel, GPL, GNV, hydrogène... * Carburateur, injection, injection directe, injection directe haute pression. * Suralimentation par turbocompresseur, volumétrique... * Architecture compound, postcombustion, détente par injection d'un fluide se vaporisant... * Catalyseur, filtre à particules... * Démarrage à l'air comprimé, en aménageant des orifices d'injection d'air comprimé dans les deux zones de détente de la chambre de travail. Principe de fonctionnement (figures 1 et 2) Le fonctionnement du moteur selon l'invention est basé sur le cycle thermodynamique d'un fluide, qui travaille dans les 8 volumes ménagés entre les 4 pistons ou palettes de chacun des 2 rotors tournant dans la chambre de travail. Ce fluide subit dans chaque volume, successivement l'admission, la compression, la réchauffe par explosion ou combustion, la détente (naturelle ou par vaporisation) et l'échappement. Le mécanisme cinématique impose, pour un régime constant de l'arbre de sortie, une vitesse de rotation acyclique et en opposition de phase des deux rotors. Le moteur comporte des orifices d'admission et d'échappement, pour provoquer deux cycles moteurs diamétralement opposés. Description des groupes cinématiques (fig. 20), des liaisons qui les animent pour une architecture moteur"générique" 'Le moteur selon l'invention comporte une partie fixe (appelée bâti) composée de deux étoiles supérieure et inférieure (Ois et Oli), de deux demi-coquilles supérieure et inférieure (02s et 02i) (qui composent le stator et délimitent une chambre) et de au moins deux porte-bielles (trois pour la plupart des figures : 04,05 et 06). Ces éléments sont rigidement liés. 'Le moteur selon l'invention comporte un ensemble rotor supérieur, composé d'un rotor (25s), de quatre pistons (21s, 22s, 23s et 24s) et d'une couronne supérieure (26s). Ces éléments sont rigidement liés. * Le moteur selon l'invention comporte un ensemble rotor inférieur, composé d'un rotor (25i), de quatre pistons (21i, 22i, 23i et 24i) et d'une couronne inférieure (26i). Ces éléments sont rigidement liés. * Le moteur selon l'invention peut comporter trois "paliers" (de type roulement, palier ou cage...) qui réalisent la liaison pivot entre le bâti et chaque rotor (pour 03s et 03i) et les deux rotors entre eux (pour 20). 'Le moteur selon l'invention comporte un ensemble axe moteur composé d'un arbre moteur (10), d'un pignon moteur supérieur (Ils) et d'un pignon moteur inférieur (lli). Ces éléments sont rigidement liés. * cet ensemble axe moteur est monté en liaison pivot par rapport au bâti, selon l'axe de révolution Z (pivot dans les deux étoiles non représenté). * Le moteur selon l'invention comporte un ensemble transmission supérieure composée d'au moins deux sous- ensembles identiques (trois pour la plupart des figures), disposés pour annuler globalement leurs vibrations. Chaque sous-ensemble comprend un pignon satellite supérieur (41s, 42s et 43s), lié au porte-bielle (04,05 et 06) via une bielle supérieure (31s, 32s et 33s). Un pignon satellite supérieur pivote en son excentrique, selon un axe parallèle à Z, par rapport à sa bielle supérieure en une extrémité de celle-ci (ou directement sur le bâti pour le type de moteur figures 10 et 11). Cette bielle pivote selon un axe parallèle à Z en son autre extrémité, par rapport à son porte-bielle. * Le moteur selon l'invention comporte un ensemble transmission inférieure- (idem, remplacer les supérieur par inférieur et s par i) * Chaque porte-bielle, rigidement solidaire du bâti, maintien et permet la rotation d'une bielle supérieure et d'une bielle inférieure, selon un axe parallèle à Z. (sauf figures 10 et 11). Description des organes engrenant"génériques" 'La courbe primitive de la couronne est de forme circulaire ou pas. * La courbe primitive du pignon moteur est de forme circulaire ou pas. * Le pignon satellite possède deux circonférences (denture) l'une engrenant sur la couronne, l'autre sur le pignon moteur. Ces deux dentures peuvent être confondues ou pas et de courbes primitives circulaires ou pas. Description des engrènements La roue supérieure engrène sur tous les pignons satellites supérieurs qui engrènent sur le pignon moteur supérieur. Idem partie inférieure. Les engrènements sont du type pour assurer un roulement sans glissement, classiquement des dentures droites ou obliques... Une même denture (aspect fonctionnel) peut être réalisée par deux parties disjointes (par exemple avec deux roues à chevrons). Selon des modes particuliers de réalisation, les courbes primitives de la couronne et du pignon moteur sont circulaires et les courbes primitives des pignons satellites sont en forme de "triangle équilatéral arrondi" (figures 7,8 et 9). Cette forme possède la propriété d'avoir un diamètre apparent constant (faux rond). Ce choix permet d'optimiser la cinématique des deux rotors. Selon des modes particuliers de réalisation, en choisissant avec soin les courbes primitives des couronnes, des pignons satellites et des pignons moteurs, les bielles peuvent rester immobiles par rapport au bâti (figures 10 et 11). Dans ce cas, les bielles sont inutiles et les satellites pivotent directement sur le bâti. Il faut alors deux satellites par ensemble rotor. Les dessins annexés illustrent l'invention : Les figures 1 et 2 représentent pour le moteur"générique" selon l'invention, le cycle thermodynamique du moteur, avec les 8 volumes de travail ménagés par les 8 pistons qui tournent dans la chambre de travail. La figure 3 représente le schéma cinématique de l'étage supérieur, pour le moteur"générique"selon l'invention, c'est à dire avec des parties engrenantes"quelconques"et des pignons satellites à double denture. La figure 4 représente le schéma cinématique de l'étage inférieur (c'est à dire l'étage supérieur de la figure 3, en opposition de phase) du même moteur. La figure 5 représente le schéma cinématique de l'étage supérieur, avec des parties engrenantes circulaires et des pignons satellites circulaires à une denture. La figure 6 représente le schéma cinématique de l'étage inférieur (c'est à dire l'étage supérieur de la figure 5, en opposition de phase) du même moteur. La figure 7 illustre le schéma cinématique de l'étage supérieur d'un moteur selon l'invention dont la couronne et le pignon moteur sont circulaires et dont les pignons satellites ont une courbe primitive de denture en forme de'triangle équilatéral arrondi". Les figures 8 et 9 illustrent deux exemples d'un tel "triangle équilatéral arrondi", dont la propriété morphologique est d'avoir un diamètre apparent constant ! (faux rond, mesuré au pied à coulisse). La figure 10 représente le schéma cinématique de l'étage supérieur d'un moteur selon l'invention, avec des satellites à denture circulaire, une couronne et un pignon moteur dont les courbes primitives des dentures sont de formes calculées pour que durant le fonctionnement, le centre de pivot des pignons satellites soit immobile par rapport au bâti, de sorte que les bielles inutiles, soient supprimées. La figure 11 représente le schéma cinématique de l'étage inférieur du moteur dont l'étage supérieur est décrit figure 10. Les figures 12 et 13 illustrent le schéma cinématique de l'étage supérieur d'un moteur selon l'invention dont les parties engrenantes sont circulaires et dont les pignons satellites disposent de deux dentures. La figure 12 montre un effet réducteur de vitesse sur l'arbre moteur tandis que la figure 13 montre un effet multiplicateur. Les figures 14 et 15 sont des graphiques qui illustrent les positions angulaires selon la rotation d'axe Z, des rotors d'un moteur selon l'invention, décrit figure 1 et 2, en fonction de l'angle de l'arbre moteur. Le pivot des pignons satellites est monté avec une excentricité de 44 % du rayon primitif pour la figure 14 et 33 % pour la figure 15. Les figures 16 et 17 sont des graphiques qui illustrent les vitesses angulaires du moteur envisagé figure 14 et 15. Les figures 18 et 19 sont des graphiques qui illustrent les accélérations angulaires du moteur envisagé figure 14 et 15. Les figures 20, 21 et 22 représentent un même moteur selon l'invention, du type énoncé pour les figures 5 et 6 : * Figure 20 : semi-éclaté (éclaté de la partie supérieure). * Figure 21 : en coupe * Figure 22 : en entier Contraintes géométriques des éléments de transmission C'est pour optimiser la cinématique du moteur, que les courbes primitives (courbe théorique où a lieu le roulement sans glissement entre deux roues qui engrènent) des couronnes, pignons satellites et pignons moteurs ne sont pas forcément circulaires. (Cependant, une roue dentée circulaire est plus simple à fabriquer). Le périmètre primitif d'une couronne vaut toujours quatre fois le périmètre primitif d'un pignon satellite (de la partie engrenante correspondante). Dans le cas étudié représenté figures 5 et 6 où le satellite présente une même denture qui engrène sur la couronne et le pignon moteur, le périmètre primitif du pignon moteur vaut le double de celui d'un pignon satellite. Ces conditions assurent une position angulaire stationnaire par rapport au stator (à la chambre) des zones de compression et de détente. Description du fonctionnement en"chat et souris" (figures 1,2, 14 et 15) Le fonctionnement en"chat et souris"décrit le fait que les pistons liés au rotor supérieur et les pistons liés au rotor inférieur se rattrapent mutuellement et alternativement. Cet"effet"cinématique est imposé surtout par l'excentricité du pivot des pignons satellites et par l'opposition de phase entre le groupe cinématique du rotor supérieur et le groupe cinématique du rotor inférieur. Description de la chambre de travail La forme précise de la chambre n'est pas l'objet de l'invention. C'est un volume de révolution selon l'axe Z. Dans la pratique, on préférera deux cas : 'Chambre à section rectangulaire, pour une chambre dont le volume est un tube. Les pistons à section rectangulaire sont des palettes. Les deux coquilles se transforment en glaces planes et paroi cylindrique. * Chambre toroïdale, à section circulaire ou elliptique. Caractéristiques géométriques du moteur du type exposé figures (5,6, 7,12 et 13) en analogie avec"l'alésage X course" d'un moteur à piston-bielle-manivelle classique L'excentricité des pivots des pignons satellites impose l'amplitude de mouvement relatif des pistons. Avec l'épaisseur des pistons (angle formé dans la chambre : figures 1 et 2), cela fixe le taux de compression du moteur et la "cylindrée" utile. La difficulté est de réaliser une cinématique qui ménage un taux de compression voulu, avec une cylindrée maximale, tout en modérant les accélérations des rotors du moteur (qui correspondent aux contraintes mécaniques). Les graphiques figures 14 à 19 présentent, à titre d'exemple, les positions, vitesses et accélérations angulaires des rotors pour deux excentricités. La comparaison en accélération est faite avec un"sinus glissant"qui permet l'analogie cinématique avec un système bielle-manivelle. Possibilités d'appairer deux moteurs Il est possible d'appairer sur le même axe moteur, deux moteurs selon l'invention, avec un calage en quadrature (décalage d'un huitième de tour d'arbre moteur). Ceci améliore "l'équilibrage énergétique"et la régularité des flux globaux d'admission et d'échappement du fluide de travail. Selon des modes particuliers de réalisation, la même réalisation d'ensemble de mon invention et ses dérivés peut fonctionner comme compresseur ou moteur, à air comprimé ou différents fluides. REVENDICATIONS 1) Architecture cinématique d'un moteur thermique rotatif à combustion interne ; avec un entraînement du type à organes dentés et/ou bielles, muni de deux ensembles rotors coaxiaux tournant en "chat et souris"selon l'axe Z dans une chambre de travail de révolution (d'axe Z) ; caractérisé en ce que : * L'architecture cinématique est au centre du moteur. * Chaque ensemble rotor fait tourner 4 pistons ou palettes (21s, 22s, 23s et 24s/21i, 22i, 23i et 24i) dans la chambre de travail. 'Les 8 pistons ou palettes (21s, 22s, 23s, 24s, 21i, 22i, 23i et 24i) délimitent 8 volumes de travail (de compression et détente) dans lesquels le fluide subit successivement l'admission, la compression, la réchauffe par explosion ou combustion, la détente (naturelle ou par vaporisation) et l'échappement. * L'architecture cinématique impose, pour un régime constant de l'arbre moteur (10), une vitesse de rotation acyclique et en opposition de phase des deux ensembles rotors. * Chaque ensemble rotor, via sa couronne (26s et 26i), entraîne l'arbre moteur central (10) via un pignon moteur (lls et lli) par un mécanisme cinématique comportant au moins deux sous-ensembles identiques (trois pour la plupart des figures), disposés pour annuler globalement leurs vibrations, comprenant : 'Une bielle (31s, 32s, 33s, 31i, 32i et 33i), qui pivote en l'une de ses extrémités sur un point du châssis (matériellement un porte-bielle (04,05 et 06)), selon un axe parallèle à Z. * Un pignon satellite (41s, 42s, 43s, 41i, 42i et 43i) qui tourne avec excentricité, selon un axe parallèle à Z, à l'autre extrémité de la bielle correspondante (31s, 32s, 33s, 31i, 32i et 33i). Le mécanisme cinématique assure les engrènements suivants : * Chaque couronne supérieure (26s) engrène sur les satellites supérieurs (41s, 42s et 43s). * Chaque couronne inférieure (26i) engrène sur les satellites inférieurs (41i, 42i et 43i). * Chaque pignon moteur supérieur (Ils) engrène sur les satellites supérieurs (41s, 42s et 43s). 'Chaque pignon moteur inférieur (lli) engrène sur les satellites inférieurs (41i, 42i et 43i). Les parties engrenantes ont les caractéristiques suivantes : * La courbe primitive (de la partie engrenante) des couronnes (26s et 26i) est circulaire ou pas. 'La courbe primitive (de la partie engrenante) des pignons moteurs (lls et lli) est circulaire ou pas. 'La courbe primitive (de la partie engrenant sur la couronne (26s et 26i)) des pignons satellites (41s, 42s, 43s, 41i, 42i et 43i) est circulaire ou pas. 'La courbe primitive (de la partie engrenant sur le pignon moteur (Ils et lli)) des pignons satellites (41s, 42s, 43s, 41i, 42i et 43i) est circulaire ou pas. Ces deux dernières courbes primitives des pignons satellites (41s, 42s, 43s, 41i, 42i et 43i) sont confondues ou pas. . Les "ondes de compression et détente"sont stationnaires dans la chambre de travail, donc le périmètre primitif d'une couronne (26s et 26i) vaut quatre fois le périmètre primitif d'un pignon satellite (41s, 42s, 43s, 41i, 42i et 43i) (de la partie engrenante correspondante). 2) Architecture cinématique, selon la revendication 1, caractérisé en ce que les courbes primitives des couronnes (26s et 26i) sont circulaires. 3) Architecture cinématique, selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les courbes primitives des pignons moteurs (lls et lli) sont circulaires. 4) Architecture cinématique, selon une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les courbes primitives des pignons satellites (41s, 42s, 43s, 41i, 42i et 43i) sont circulaires. 5) Architecture cinématique, selon une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les deux courbes primitives des pignons satellites (41s, 42s, 43s, 41i, 42i et 43i) sont confondues (c'est la même denture qui engrène sur la couronne correspondante (26s et 26i) et sur le pignon moteur correspondant (Ils et lli)). 6) Architecture cinématique, selon la revendication 5 en combinaison avec l'une quelconque des revendications 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que les courbes primitives des pignons satellites (41s, 42s, 43s, 41i, 42i et 43i) sont en forme de "triangle équilatéral arrondi" (figures 8 et 9). 7) Architecture cinématique, selon l'une quelconque des revendications 1,2, 3,4 ou 5 caractérisé en ce que, pendant le fonctionnement, les pivots des pignons satellites (41s, 42s, 41i et 42i) sont immobiles par rapport au châssis et pivotent directement sur ce dernier : les bielles (inutiles) (31s, 32s, 31i et 32i) sont supprimées (figures 10 et 11). > . 8) Architecture cinématique, selon une quelconque des '" revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il équipe un moteur rotatif modifié (par un changement des orifices), fonctionnant comme pompe (compresseur ou détendeur) à fluide.