Brevet FR2819852A1 — publié le 20020726

La présente invention concerne des moteurs rotatifs à pistons et à combustion interne continue. Les moteurs à combustion interne, ayant à ce jour connu un développement industriel, sont les suivants : ... Le moteur alternatif Diesel ou à explosion d'une part, qui présente l'inconvénient de comporter des mouvements anharmoniques, sources d'usure, de vibrations, et de bruit. Ce type de moteur présente aussi l'inconvénient de nécessiter des dispositifs annexes complexes, pour introduire et enflammer le carburant à chaque cycle, ainsi que pour ouvrir et fermer des soupapes, mr Le moteur Wankel d'autre part, qui est un moteur rotatif et qui ne présente donc plus de mouvements anharmoniques, mais qui comporte toujours une phase d'explosion avec les mêmes inconvénients que ci-dessus. Ce moteur utilise en outre une cycloïde particulière en forme de haricot, nécessitant des joints d'étanchéité complexes et dont l'usure est restée mal maîtrisée, ce qui explique du reste la quasidisparition de ce type de moteur, M-Les turbines à gaz enfin, qui ne présentent aussi aucun mouvement anharmonique. Le cycle moteur ne comporte pas de phase d'explosion et la combustion est continue. Toutefois, ces turbines à gaz ne peuvent atteindre des taux de compression très élevés, ce qui limite leur rendement. De surcroît, la compression est obtenue par l'effet de la vitesse de l'air, ce qui engendre des nuisances sonores difficilement maîtrisables. Enfin, leur prix de revient est très élevé. Ces trois types de moteurs présentent en outre le même inconvénient de ne pas être adaptables aisément à toutes sortes de sources de chaleur. Ils fonctionnent en l'état avec des carburants dont les gaz de combustion sont polluants et dangereux pour l'avenir de notre planète. Les dispositifs, selon la présente invention, ont précisément pour objet d'apporter une réponse technique et industrielle à tous ces inconvénients et se caractérisent par les dispositions générales suivantes : 1) Un vilebrequin (1) supportant des pistons (2) ou des cylindres (3) dont la longueur de l'excentrique, distance entre l'axe du vilebrequin (4) et l'axe des pieds de bielles (5), est égale à L, caractérisant le vilebrequin, 2) Un carter (5) supportant des cylindres (3) ou des pistons (2) tournant autour d'un axe (6) parallèle à l'axe de rotation du vilebrequin et dont la distance à cet axe (4) est aussi égale à L, 3) Un châssis fixe supportant le vilebrequin (1) et le carter (5), les pieds de bielle décrivant alors, par rapport au carter, une cycloïde rectiligne, ce qui en fait précisément l'intérêt, 4) Des pistons coulissant dans des cylindres, délimitant des chambres de compression s'ouvrant en fin de cycle de compression, par l'intermédiaire de lumières (8) dans une chambre de combustion centrale (9), 5) Des pistons coulissant dans des cylindres pouvant ou non être les mêmes que ceux précédents, délimitant des chambres de détente s'ouvrant en début de cycle de détente, par l'intermédiaire de lumières (8), dans la même chambre de combustion centrale (9). Ces dispositions générales permettent d'éviter tout mouvement anharmonique (mouvement rotatif), de supprimer la phase d'explosion des moteurs à pistons classiques (combustion continue), de pouvoir utiliser n'importe quel carburant ou n'importe quelle source de chaleur (hydrogène, GPL, énergie solaire, énergie nucléaire), en choisissant de préférence des énergies non polluantes. Par ailleurs, ces dispositions générales permettent l'utilisation de joints d'étanchéité circulaires (segments, garnitures de tige) dont l'efficacité et l'usure sont parfaitement maîtrisées. Elles permettent d'obtenir, selon certaines mises en oeuvre, des taux de compression élevés, et donc d'aboutir à d'excellents rendements énergétiques. Elles permettent enfin, quelle que soit la taille des moteurs, depuis le moteur d'ULM jusqu'au moteur d'une centrale E. D. F., en passant par les groupes électrogènes, de maîtriser parfaitement les émissions sonores. Il existe de nombreuses mises en oeuvre possibles des dispositions générales çi-avant, parmi lesquelles les mises en oeuvre çi-après décrites, pouvant chacune connaître des applications spécifiques. Les dessins annexés illustrent l'invention. e La figure 1 représente, en vue éclatée et en coupe, la mise en oeuvre la plus immédiate des dispositions générales ci-avant. Le vilebrequin central (1) supporte quatre pistons (2) comportant chacun deux segments judicieusement espacés. Chaque piston délimite, dans chaque cylindre, une chambre extérieure et une chambre intérieure. La chambre extérieure d'un cylindre est utilisée pour balayer les gaz brûlés, en fin de cycle de détente, dans la chambre intérieure d'un autre cylindre déphasé de D72 par rapport au premier, auquel il est relié par un tube d'admission et d'échappement (10). Une lumière d'admission/échappement (11) est ouverte sur chaque cylindre en face du point d'insertion dudit tube, au milieu du cylindre. La chambre intérieure est utilisée comme chambre de compression et de détente et elle s'ouvre, en fin de cycle de compression et en début de cycle de détente, sur l'intérieur du carter (9) par l'intermédiaire de lumières (8) constituées par des rainures en têtes des bielles, contournant les garnitures de tiges (12) placées en pieds de cylindres. L'échange calorifique se fait à l'intérieur du carter (9). Ce dispositif a fait l'objet de la construction d'une maquette fonctionnelle sur le plan mécanique, validant le principe. e Selon une disposition particulière de la présente invention, non illustrée, il est possible d'envisager, en variante, la même mise en oeuvre, pour les mêmes usages, mais dans laquelle deux pistons comportant un seul segment sont dédiés au balayage des gaz brûlés et deux autres pistons comportant aussi un seul segment sont dédiés au cycle compression/détente. e La figure 2 représente, en vue éclatée, une mise en oeuvre différente des mêmes dispositions générales, dans laquelle le vilebrequin est sorti de la partie centrale du moteur et scindé en deux pièces symétriques, (1) disposées de chaque côté des cylindres (3) et du carter (5). Ces deux pièces symétriques sont reliées entre elles par le volant (13), enveloppant le moteur. Les bielles sont, elles aussi, scindées en deux parties, placées sur les portées du vilebrequin, de chaque côté des cylindres. Ces deux parties sont reliées en tête et supportent les pistons, qui pénètrent donc les cylindres par l'extérieur. Pour le reste, la mise en oeuvre est identique à celle de la figure 1 ou de sa variante. La figure 2 représente une mise en oeuvre où deux pistons sont dédiés au balayage des gaz brûlés et deux pistons sont dédiés au cycle compression/détente, comme dans ladite variante. Ces deux derniers pistons sont reliés entre eux par une tige coulissant dans deux garnitures de tige délimitant la zone centrale de haute pression (9). Comme dans la figure nO 1, cette tige comporte des rainures du côté des pistons, constituant des lumières (8) mettant en communication le pied des cylindres avec ladite zone centrale, en fin de compression et en début de détente, en contournant des garnitures de tiges délimitant la chambre de combustion (9). La mise en oeuvre selon la figure 2 est la plus simple pour un moteur 2 temps . 4 Selon une disposition particulière de la présente invention, non illustrée, la même mise en oeuvre que dans les figures 1 ou 2, ou dans leurs variantes ci-avant, en supprimant les garnitures de tige (12) en pieds de cylindre, et en supprimant ou déplaçant les lumières d'admission/échappement, permet d'obtenir non plus un moteur, mais un compresseur, ou une turbine pour un fluide non compressible (eau), ou un circulateur pour un fluide quelconque. La figure 3 représente, en vue éclatée et en coupe, une mise en oeuvre différente des mêmes dispositions générales, dans laquelle le vilebrequin (1) supporte, cette fois, les cylindres (3), tandis que le carter (5) supporte les pistons (2). Le vilebrequin central est creux et il est divisé, dans le sens de sa longueur, en une zone basse pression et une zone haute pression. Deux pistons et deux cylindres sont dédiés à la compression, deux autres pistons et deux autres cylindres, de diamètres éventuellement différents, sont dédiés à la détente. Les deux cylindres dédiés à la compression s'ouvrent sur la zone basse pression, à l'intérieur du vilebrequin, lorsque les pistons s'écartent de celui-ci, par l'intermédiaire d'une lumière pratiquée dans le vilebrequin (8) se trouvant en face d'une autre lumière, en pied de cylindre, pendant un demi-cycle. Ces cylindres sont fermés hermétiquement pendant la phase de compression et s'ouvrent, en fin de cette compression, sur la zone haute pression, à l'intérieur du vilebrequin. Cette ouverture s'effectue par l'intermédiaire d'une autre lumière (8) pratiquée dans le vilebrequin, se trouvant alors en face de la même lumière que cidessus en pied de cylindre. Le taux de compression sera d'autant plus élevé que les lumières seront de faible dimension et que, par conséquent, l'ouverture en fin de cycle de compression se fera tardivement. De même, les deux cylindres dédiés à la détente s'ouvrent sur la zone basse pression, à l'intérieur du vilebrequin, lorsque les pistons se rapprochent de celui-ci, par l'intermédiaire d'une lumière (8) pratiquée dans le vilebrequin, se trouvant en face d'une autre lumière, en pied de cylindre, pendant un demi-cycle. Ces cylindres sont fermés hermétiquement pendant la phase de détente et s'ouvrent, en début de cette détente, sur la zone haute pression, à l'intérieur du vilebrequin. Cette ouverture s'effectue par l'intermédiaire d'une autre lumière (8), pratiquée dans le vilebrequin, se trouvant alors en face de la même lumière que ci-dessus en pied de cylindre. La combustion s'effectue dans le vilebrequin, dans la zone haute pression (9). Ce dispositif a fait l'objet de la construction d'une maquette fonctionnelle sur le plan mécanique, validant le principe. e Selon une disposition particulière, les mêmes dispositifs que ci-avant pourront être utilisés en ne considérant que les pistons dédiés à la compression ou que les pistons dédiés à la détente, comme compresseur, détendeur, ou circulateur d'un fluide quelconque. e La figure 4 représente, en vue éclatée, la même mise en oeuvre que s'agissant de la figure 2, avec en variante l'adjonction d'un cinquième cylindre central (14) dédié à la chambre de combustion haute pression. Dans cette configuration, on trouve des lumières (8) reliant les cylindres de compression/détente au cinquième cylindre, placées de sorte qu'elles s'ouvrent sur la chambre de combustion, en fin de compression et en début de détente, et sur l'extérieur du cylindre, à l'air libre, à l'opposé du cycle. Le piston placé dans le cinquième cylindre comporte quatre segments délimitant, à l'extérieur des premier et quatrième segments, l'air libre, entre les premier et deuxième segments et entre les troisième et quatrième segments, deux zones de compression/détente, et entre les deuxième et troisième segments la chambre de combustion. Entre les deux cylindres dédiés à la compression et à la détente, on trouve une pièce que nous dénommerons obturateur, mettant en relation chaque cylindre avec la lumière opposée, la plus éloignée. Les pistons ont une forme épousant celle de l'obturateur. 4 La figure 5 représente, en vue éclatée, une disposition analogue à celle de la figure 4, avec les deux modifications suivantes : 1) Le cinquième cylindre (14) est déphasé d'un angle a par rapport aux deux cylindres dédiés à la compression. C'est pourquoi les deux demi-vilebrequins comportent, chacun, une troisième portée décalée de 2 a par rapport à la portée des pistons dédiés à la compression. Cette troisième portée sera destinée à recevoir le piston coulissant dans ce cinquième cylindre (14). 2) Les deux cylindres dédiés au balayage de l'air brûlé, dans la figure no 4, sont remplacés par un seul cylindre continu (15), dans lequel coulisse un piston central. Ce cylindre pénètre dans les deux cylindres dédiés à la compression, au droit de la partie pleine de l'obturateur et s'ouvre sur chacun de ces derniers cylindres par une lumière. Ces deux lumières mettent en communication les cylindres dédiés à la compression avec l'air extérieur pendant un demi-cycle, au cours duquel s'effectue l'admission d'air. Cette disposition permet de réaliser un compresseur pouvant atteindre un taux de compression élevé ou, en fonctionnement inversé, un détendeur ou un moteur à air comprimé. e Selon une disposition particulière de la présente invention, non illustrée, la mise en oeuvre prévue en figure 5 est complétée par l'adjonction de deux cylindres dédiés à la détente, d'un diamètre éventuellement différent de celui des cylindres dédiés à la compression, déphasés à nouveau d'un angle a, ou voisin de a, par rapport au dit cinquième cylindre où s'effectue l'apport calorifique. On obtient ainsi un moteur avec un taux de compression éventuellement élevé, fonction de a. La figure 6 représente, en coupe, un compresseur, ou fonctionnant en sens inverse, "'r un détendeur ou un moteur à air comprimé pouvant être disposé en étages. Ce compresseur comporte deux cylindres dédiés à la compression et un 3ème cylindre, déphasé de rl/4 environ par rapport aux précédents, au centre duquel coulisse un piston comportant quatre segments délimitant, comme dans la figure no 4, à l'extérieur des premier et quatrième segments, l'air libre, entre les premier et deuxième segments, ainsi qu'entre les troisième et quatrième segments, deux zones de mise en compression, et entre les deuxième et troisième segments, une chambre centrale d'air comprimé. Un tube (10) relie le pied de chaque cylindre dédié à la compression à une lumière, placée sur le cylindre déphasé de Il/4 de sorte qu'elle s'ouvre entre les deuxième et troisième segments en fin de cycle de compression, par exemple entre n/6 et Il/3 de ce cycle, et s'ouvre à l'extérieur des segments 1 ou 4, à l'air libre, par exemple entre llII/12 et 19rI/12 du cycle. On démontre aisément, dans cet exemple, que le volume dudit tube doit être égal à 6,2 % du volume des cylindres de compression. On démontre également que le taux de compression est de 3,35. e Selon une disposition particulière de la présente invention, un ou plusieurs compresseurs comme ci-dessus, éventuellement disposés en étages, sont placés en série avec un ou plusieurs détendeurs, également disposés en étages, dont les pistons peuvent être de diamètres différents. Il suffit d'effectuer un apport calorifique au point de pression maximum pour concevoir un autre type de moteur respectant les dispositions générales définies en tête des présentes. La figure 7 illustre, par exemple, un dispositif comportant 2 cylindres dédiés à la compression, 1 cylindre déphasé de Il/4 dans lequel coulisse un piston comportant 4 segments, et 2 cylindres à nouveau déphasés de fI/4, de diamètre éventuellement différent de celui des deux premiers cylindres, dédiés à la détente. e La figure 8 représente, en coupe, une mise en oeuvre comparable à celle de la figure 6. Elle en diffère par l'angle de déphasage entre le piston dédié à la compression d'une part, et le piston où se trouve la chambre de compression d'autre part, qui est de TIll. Elle en diffère également en ce que le piston dédié à la compression est prolongé par une tige munie de segments, ayant pour fonction d'obturer l'orifice de communication du cylindre avec la chambre de compression, lorsque ledit piston est en début de course de compression. Les segments sur le piston où se trouve la chambre de compression sont disposés de telle sorte que le-dit orifice s'ouvre sur l'extérieur pendant un demi-cycle, s'ouvre sur la chambre de compression en début et en fin de course de compression, et soit fermé en milieu de course de compression. Ce dispositif est un compresseur, ou en fonctionnement inversé, un détendeur pour un gaz quelconque. Selon une disposition particulière de la présente invention, un compresseur comme ci-dessus est placé en série avec un détendeur, dont les pistons peuvent être de diamètre différent. Il suffit d'effectuer un apport calorifique dans la chambre d'air comprimé pour concevoir un autre type de moteur respectant les dispositions générales définies en tête des présentes. La figure 9 illustre, par exemple un dispositif comportant deux cylindres, l'un dédié à l'admission/compression, l'autre dédié à la détente/échappement. La mise en oeuvre selon la figure 9 est la plus simple pour un moteur 4 temps . A noter que, dans cette mise en oeuvre, le piston où se trouve la chambre de combustion fonctionns, quant à lui, comme un moteur 2 temps . A noter également qu'il pourra être avantageux, dans cette configuration, de retarder l'ouverture de la lumière d'admission dans la chambre de combustion. e Selon une disposition particulière de la présente invention, les mêmes dispositifs que ci-avant pourront être utilisés, non pas pour recueillir un couple moteur sur un arbre mécanique. mais pour obtenir une pression résiduelle de l'air, utilisable afin de générer une force de propulsion par réaction, ou encore pour réaliser une pompe à chaleur ou une machine frigorifique. Ces mêmes dispositifs pourront également être utilisés, en supprimant les lumières (8) et la chambre de combustion (9). et en y adjoignant les dispositifs annexes de même nature que pour un moteur alternatif classique (allumage, injection, soupapes) en moteur Diesel ou à explosion. REVENDICATIONS 1) Moteur rotatif à pistons et combustion interne continue caractérisé - par un vilebrequin supportant pistons ou cylindres, dont l'excentrique est égal à L - par un carter supportant cylindres ou pistons tournant autour d'un axe excentré d'une distance L par rapport à l'axe du vilebrequin, - par un châssis supportant le vilebrequin et le carter, - par des pistons et des cylindres délimitant des chambres de compression et/ou de détente s'ouvrant en fin de cycle de compression et/ou en début de cycle de détente, par l'intermédiaire de lumières, sur une chambre de combustion centrale. 2) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que le vilebrequin est placé au centre et supporte quatre pistons identiques, comportant chacun deux segments, déphasés chacun de Il/2 par rapport au piston voisin. Les lumières sont constituées par des rainures en têtes des tiges de pistons. Le carter central tient lieu de chambre de combustion. 3) Dispositif selon la revendication 2, en variante, caractérisé en ce que le vilebrequin et les tiges de pistons sont scindées en deux parties symétriques, disposées de chaque côté du carter. Les pistons pénètrent alors les cylindres par l'extérieur. 4) Dispositif selon les revendications 2 ou 3, en variante, caractérisé par le fait que deux pistons ne comportant qu'un segment sont dédiés au balayage des gaz brûlés et deux autres pistons ne comportant également qu'un segment sont dédiés au cycle combustion/détente. 5) Dispositif selon les revendications 2,3 ou 4, dans lequel, en supprimant les garnitures de tige et en déplaçant ou supprimant l'orifice d'admission/échappement, on obtient un compresseur ou une turbine pour un fluide non compressible ou un circulateur pour un fluide quelconque. 6) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que le vilebrequin, placé au centre, est creux et divisé dans sa longueur en deux zones, une basse pression et une haute pression. Dans ce cas, le vilebrequin supporte les cylindres tandis que le carter supporte les pistons. Les lumières sont constituées par des ouvertures placées sur le vilebrequin et en pied des cylindres. La chambre de combustion se situe dans le vilebrequin. 7) Dispositif selon la revendication 4, se caractérisant par l'adjonction d'un cinquième cylindre dans lequel se trouve la chambre de combustion. 8) Dispositif selon les revendications précédentes utilisé comme compresseur, détendeur ou circulateur d'un fluide quelconque 9) Dispositif selon la revendication 7, se caractérisant dans le fait que le cinquième cylindre est déphasé par rapport aux cylindres dédiés à la compression, tandis que les deux cylindres initialement dédiés au balayage des gaz brûlés, dans la revendication 7, ne sont plus utilisés que pour ouvrir et fermer les lumières d'admission des cylindres dédiés à la compression. Dans ce cas, le dispositif a une fonction de compresseur ou, en fonctionnement inversé, de détendeur ou de moteur à air comprimé. 10) Dispositif selon la revendication 1, composé de deux dispositifs selon la revendication 9, l'un compresseur, l'autre détendeur, placés en série, avec une chambre de combustion entre les deux. 11) Dispositif selon la revendication 9 en variante de celle-ci, caractérisé en ce que le déphasage du cinquième cylindre est de II/4 environ (compris entre 0 et Il/2), et en ce que les deux cylindres dédiés à l'ouverture et fermeture des lumières d'admission sont supprimés. Comme pour le dispositif selon la revendication 9, ce dispositif pouvant être disposé en étages, a une fonction de compresseur ou, en fonctionnement inversé, de détendeur ou de moteur à air comprimé. 12) Dispositif selon la revendication 1, composé de deux dispositifs au moins selon la revendication 11, éventuellement en étages, placés en série, pour partie compresseurs, pour parties détendeurs avec une chambre de combustion entre compresseurs et détendeurs. 13) Dispositif selon la revendication 11, caractérisé en ce que le déphasage entre cylindres est de rI/2, et en ce que les pistons dédiés à la compression se prolongent par une tige munie de segments fermant l'orifice de communication avec la chambre de compression en début de course de compression. Ce dispositif a une fonction de compresseur ou, en fonctionnement inversé, de détendeur ou de moteur à air comprimé. 14) Dispositif selon la revendication 1, composé de deux dispositifs selon la revendication 13, placés en série, l'un compresseur, l'autre détendeur, avec une chambre de combustion entre les deux. 15) Dispositif selon les revendications précédentes utilisé pour générer une force de propulsion par réaction, ou pour réaliser une machine frigorifique ou une pompe à chaleur, ou encore, moyennant certaines modifications, pour réaliser un moteur rotatif à explosion ou Diesel.