Brevet FR2835280A1 — publié le 20030801

DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION : La présente invention concerne le concept du moteur rotatif à combustion interne avec un cycle court d'une durée de 1 temps inférieure au demi-tour, son diagramme, son architecture et ses particularités techniques. Actuellement le moteur à combustion interne n'est connu qu'en version cycle à 4 temps ou cycle à 2 temps A l'exception d'un type bien particulier et peu industrialisé du moteur à piston rotatif, les moteurs à combustion interne sont à pistons à mouvement alternatif. ETAT DE LA TECHNIQUE, PROBLEMES POSES : Les rendements des moteurs à combustion interne actuellement industrialisés sont relativement faibles par rapport à l'énergie consommée, ils comportent de nombreuses pièces annexes (cames, soupapes etc) et ne sont pas aptes à fonctionner en pleine charge et à très bas régime d'où le recours indispensable aux boites de vitesses. EXPOSE DE L'INVENTION : L'invention permet d'obtenir en théorie un rendement élevé et une forte aptitude au fonctionnement en charge à très bas régime-voire au démarrage-ce qui doit limiter les recours aux boites de vitesses. D'autre part, l'invention ne requiert pas l'emploi de cames ou de soupapes, les mouvements élémentaires des éléments mobiles sont rotatifs, toujours dans le même sens et sans aucun point mort ni arrêt. PRESENTATION DE L'INVENTION, DIAGRAMME ET ARCHITECTURE Le cycle complet-admission, compression, explosion, échappement-se déroule sur une durée qui équivaut exactement à celle du temps moteur puisque les 4 temps se réalisent simultanément, de telle sorte que le temps du cycle correspond à un déplacement de valeur angulaire Alpha légèrement inférieur au 1/2 tour. Un module thermodynamique est l'élément de réalisation des 4 temps du cycle de ce moteur. Un diagramme en trace les positionnements clefs et fixe les paramètres de bases-en particulier la valeur de décalage angulaire synchrone Bêta et la condition Alpha + Bêta = 180 . Un module de pilotage, extérieur au module thermodynamique, est l'élément de maîtrise des déplacements des organes rotatifs du module thermodynamique. Trois dessins annexés illustrent l'invention : La figure 1 représente le diagramme moteur simplifié, ses bases avec les caractéristiques clefs. La figure 2 représente l'architecture et les éléments principaux suivant une coupe longitudinale. La figure 3 représente l'étanchéité spécifique des 2 palettes rotatives. ARCHITECTURE ET EXPOSE DETAILLE DE L'INVENTION : UN MODULE THERMODYNAMIQUE ET SES PARAMETRES DE BASE Les 4 temps sont assurés par les deux palettes absolument identiques (1) et (2) tournant dans le même sens selon un axe concentrique (8) à l'intérieur d'une chambre thermodynamique fixe (3) munie d'un couvercle (4). Les deux pièces (1) et (2) tournent d'une façon individuelle avec l'assurance d'une étanchéité maximale entre elles, et avec la chambre (3). Elles délimitent 4 volumes variables (VI), (V2), (V3) et (V4) chacun affecté à un temps, le volume affecté à l'admission (VI) comporte un conduit d'admission fixe (AD) en périphérie supérieure de la chambre (3), le volume affecté à l'échappement (V4) comporte un conduit d'échappement fixe (EC) en périphérie latérale supérieure du couvercle de chambre (4) et le volume affecté à la combustion (V3) comporte un point d'allumage ou d'injection fixe en périphérie inférieure de la chambre (3). Les deux pièces tournantes (1) et (2) doivent se retrouver en fin de cycle dans les positions, et avec les fonctionnalités identiques à celles requises en début de cycle. Cette dernière condition, absolument indispensable à la pérennité du cycle, impose trois paramètres de base : les palettes (1) et (2) forment un angle de décalage Bêta au moment ou elles sont en butée l'une contre l'autre, cet angle est l'angle mort du diagramme et il est aussi égal à l'angle formé par l'axe du conduit d'échappement (EC) et l'axe du conduit d'admission (AD). Entre le début et la fin de cycle, chaque palette effectuera un déplacement angulaire pour venir en lieu et place de la position initiale de l'autre, l'une des palettes rotatives devra donc effectuer un déplacement Bêta, l'autre un déplacement Alpha selon la condition-Alpha + Bêta = 180 . Le déplacement Alpha correspond exactement au déplacement angulaire du temps moteur mais aussi à l'angle formé par l'axe du point d'allumage ou d'injection (AL) et l'axe du point d'échappement (EC). Les deux palettes (1) et (2) ont une épaisseur suffisante pour leur permettre de masquer totalement le conduit d'admission (AD) et le conduit d'échappement (EC) au voisinage du point de début et de fin de cycle, point encore appelé point Alpha. Le module thermodynamique ne peut fonctionner seul, un module de pilotage est chargé de maîtriser les problèmes d'unicité de sens de rotation, d'alternance de temps moteur entre les deux palettes, de synchronisation de leurs déplacements pour satisfaire aux exigences du cycle et de récupération de l'énergie motrice. FONCTIONNEMENT SCHEMATIQUE DU MODULE THERMODYNAMIQUE-FIG. l : TEMPS MOTEUR Lors de l'explosion, la palette rotative (1) est violemment poussée sur son intrados inférieur suite à l'explosion du mélange gazeux précédemment comprimé par l'extrados inférieur de la palette rotative (2). Le dispositif mécanique de pilotage impose un sens unique de rotation à tous les éléments mobiles (ici le sens inverse des aiguilles d'une montre) et donc la palette (2) ne peut aller en arrière . La palette (1) vient donc rapidement prendre la place de la palette (2) en réalisant un déplacement angulaire Alpha. Pendant ce temps la palette (2) viendra prendre la place de la palette (1) en réalisant un déplacement angulaire Bêta. C'est le dispositif mécanique de pilotage qui impose le sens de rotation et les déplacements angulaires synchrones Alpha et Bêta. COMPRESSION Lors du déplacement Alpha, l'extrados supérieur de (1) comprime le mélange gazeux contre l'intrados inférieur de (2) ADMISSION Lors du déplacement Alpha, l'intrados supérieur de (1) aspire le mélange gazeux par le conduit d'admission (AD). ECHAPPEMENT Lors du déplacement alpha, l'extrados inférieur de (1) chasse les gaz brûlés par le conduit d'échappement (EC). L'énergie motrice de (1) est récupérée par la roue (6) du dispositif mécanique de pilotage. A l'issue du temps moteur Alpha de la palette (1)-palette pilote, cette dernière est venue se positionner en lieu et place de la palette (2) et la palette (2)-palette pilotée-est venue se positionner en lieu et place de la palette (1). Le cycle peut donc alors se reproduire à nouveau, à l'identique et d'une façon pérenne. C'est le module de pilotage (5) qui asservit depuis l'extérieur les deux pièces tournantes (1) et (2) placées à l'intérieur de la chambre (3), il assure donc la pérennité du cycle en imposant aux palettes les exigences d'alternance, de synchronisation et de positionnement, en particulier, le module de pilotage impose un sens de rotation unique grâce à l'emploi de 4 roues libres (9), (10), (14) et (15) judicieusement placées et agencées. Ce module récupère aussi l'énergie motrice de (1) et de (2) en alternance sur un arbre moteur (8). UN MODULE DE PILOTAGE, SES 4 ROLES, SON FONCTIONNEMENT SCHEMATIQUEFIG. 2 : 1) LE PILOTAGE EN ALTERNANCES EQUILIBREES Une seule des 2 roues (6) ou (7) reçoit respectivement de (1) ou de (2) le déplacement angulaire moteur Alpha et devient alors pilote, l'autre est simultanément piloté. A l'issue de cette phase les rôles et mouvements se trouvent inversés. 2) L'ASSURANCE DE 2 MOUVEMENTS SYNCHRONES Le mouvement pilote impose à l'autre une synchronisation : pour un déplacement angulaire Alpha de la roue pilote (6), la roue pilotée (7) se déplacera de Bêta dans le même sens-un rapport de synchronisation (de démultiplication) K est appliqué pour le choix du nombre de dents des roues (18) et (19), K est égal à Bêta/Alpha. La synchronisation est assurée via la courroie crantée (16), la roue intermédiaire (11), la roue libre (14), la petite roue (18), la courroie crantée (20), la grande roue (19), la roue libre (10) et enfin la roue (7). Dans cette phase ou la roue (6) est pilote, les roues libres (9) et (15) sont folles . Symétriquement, pour un déplacement angulaire Alpha de la roue pilote (7), la roue pilotée (6) se déplacera de Bêta dans le même sens. La synchronisation est alors assurée via la courroie crantée (17), la roue intermédiaire (12), la roue libre (15), la petite roue (18), la courroie crantée (20), la grande roue (19), la roue libre (9) et enfin la roue (6). Dans cette phase ou la roue (7) est pilote, les roues libres (10) et (14) sont folles . 3) LE SENS DE ROTATION IMPOSE il est unique (possible dans un seul sens), choisi et identique pour les roues (6) et (7), les arrangements corrects des 4 roues libres (9) (10) (14) et (15) assurent cette condition. 4) LA RECUPERATION DE L'ENERGIE ET LES ROTATIONS L'arbre (8) récupère l'énergie, il tourne d'une valeur angulaire Bêta lors du déplacement moteur Alpha. L arbre intermédiaire (13) du module de pilotage est guidé en rotation par un palier solidaire de la chambre (3) du module thermodynamique REALISATIONPRATIQUEDUMODULEDEPIDOTAGE Ce module peut être 100% mécanique comme expliqué dans cet exemple, mais pourrait tout aussi bien comporter une part importante de robotisation, assistance informatique par capteurs et asservissements électromécaniques ou hydrauliques de certains éléments (par exemple pour ajuster une synchronisation vanable en dynamique). DESCRIPTION PRECISE DE LA CHAINE CINEMATIQUE DU MODULE DE PILOTAGE ET IMPERATIFS - FIG. 2 : Un arbre moteur (8) sur lequel sont solidaires : 2 roues libres (9) et (10) montées dans le même sens de rotation libre et 1 grand pignon (19). Chacune des 2 roues libres (9) et (10) reçoit respectivement une roue (6) et (7) chargée de piloter 1 ensemble en alternance avec l'autre. Un arbre intermédiaire (13) sur lequel sont solidaires : 2 roues libres (14) et (15) montées dans le meme sens de rotation libre et 1 petit pignon (18). Chacune des 2 roues libres (14) et (15) reçoit respectivement une roue (11) et (12) chargée de relayer le pilotage de l'ensemble en alternance avec l'autre. Les roues (6). (7). (11) et (12) sont identiques. Le rapport du nombre de dents de la roue (18) à celui du nombre de dents de la roue (19) doit être égal au rapport Beta sur Alpha-ou rapport K. Des organes de liaison, courroies crantées (16), (17) et (20) relient deux à les roues (6) (11), (7) (12) et (19) (18) de 1 arbre moteur (8) avec ceux de l arbre intermédiaire (13). Le sens de rotation libre des roues libres montées sur l'arbre intermédiaire (13) doit être inversé par rapport a celui des roues libres montées sur l'arbre moteur (8), c'est à dire qu'elles doivent toujours être en position d'entraîner l'arbre intermédiaire (13) lors des sollicitations altemees venant des deux roues (6) et (7) de 1 arbre moteur-et ce dans le seul sens de rotation possible-. ETANCHEITE SPECIFIQUE-FIG. 3 : Chaque extrémité haute et basse de chaque palette (1) et (2 ; doit être équipée de 3 segments inc, hi- é en Lar tres s Ln é a d'étanchéité en forme de T ?, un segment est supérieur X, les deux autres sont latéraux (SL) Outre une étanchéite maximale avec la chambre, leur rôle est de réaliser une obstruction momentanée des conduits (AD) et (EC) au voisinage du point Alpha de début/fin de cycle, ce qui leur impose une surface adaptée. L'étancheité générale est complétée sur la tranche, et en partie centrale de chaque palette par six segments plus traditionnels (ST) et (SB) en forme de lame. Les formes et assemblages des douze segments de chaque palette doivent aussi permettre une bonne tenue aux mouvements centrifuges imposés par le moteur. MANIEREDOTLTNVEî 2) La réalisation d un prototype ayant pour objectif de maîtriser le fonctionnement reel d un moteur thermique selon l'invention. La première etape est deja franchie puisque parallèlement a cette demande de brevet, une maquette fonctionnelle a été réalisée à l'échelle 1 en utilisant uniquement des materiaux du commerce faciles à mettre en oeuvre-plastiques et métaux mous. Cette etape a permis de vérifier le bien fonde du concept et l'adéquate et efficace association des 2 modules du moteur au regard de la théorie technique décrite dans la description de l'invention. D'autre part, la première etape a permis de dégager les axes majeurs d'études pour les mises en oeuvre, mises au point et réglages futurs. La deuxième étape est en cours, elle requiert des moyens de mise en oeuvre plus importants avec pour objectif la réalisation d'un prototype, d'architecture similaire à la maquette, mais réalisé dans des matériaux, avec des formes et des usinages adaptes et permettant une maîtrise du fonctionnement reel du moteur thermique inventé. Le développement des axes d etudes, de mises au point et de réglages dégages lors de la première étape et le projet d'application industrielle seront possibles au terme de la deuxième étape et suivant le fonctionnement du prototype thermique. REVENDICATIONS 1) Moteur rotatif à combustion interne à 4 temps simultanés caractérise par une construction associant 2 modules : un module thermodynamique chargé de produire l'énergie et un module de pilotage () chargé d'asservir les éléments mobiles du module thermodynamique et de récupérer l'énergie. 2) Moteur rotatif à combustion interne a 4 temps simultanés selon la revendication 1 caractérise par une architecture qui dispose le module de pilotage (5) totalement à l'extérieur du module thermodynamique. 3) Moteur rotatif à combustion interne à 4 temps simultanés selon la revendication 1 caractérise par un module thermodynamique compose de 3 élements principaux : 2 palettes identiques (1) et (2) tournants dans le même sens d'une façon synchrone et chargées de décrire des deplacements relatifs partartement alternées, une chambre thermodynamique (3) munie d un conduit d'admission (AD), d'un conduit d'échappement (EC), d'un point d-allumage (AL) et d'un couvercle de chambre (4). 4) Moteur rotatIf à combustion sterne à 4 temps simultanés selon la revendication 3 caractense par des déplacements relatifs parfaitement alternes des 2 palettes : quand l'une tourne d'un angle Alpha-ou angle moteur-, l'autre tourne dans le même sens d'un angle Bêta-ou angle de decalage. A l'issue de ces 2 déplacements synchrones, les positions et fonctions initiales des 2 palettes sont inversées. 5) Moteur rotatif a combustion interne a 4 temps simultanés selon la revendication 4 caractérisé par une liaisons en rotation de chacune des 2 palettes respectivement avec les 2 éléments particuliers (6) et (7) du module de pilotage chargés de leur imposer le cycle des déplacements angulaires Alpha et Bêta. 6) Moteur rotatif à combustion interne à 4 temps simultanés selon la revendication 4 caractensé par une relation entre les angles Alpha et Bèta : Alpha + Bêta = 1 S0O. 7) Moteur rotatif à combustion interne à 4 temps simultanés selon l'une quelconque des revendications 4 a é caractérisé par un deroulement simultané des 4 temps suivant les déplacements relatifs synchrones des deux palettes mobiles (1) et (2) selon les angles Alpha et bêta, lesquelles palettes réalisent à 1 intérieur de la chambre (3) fermée par le couvercle (4) un découpage volumétrique angulaire en 4 parties variables : (VI) admission réalisée par le conduit (AD), (V2) compression, (V3) combustion déclenchée par l'allumage ou l'injection (AL) et (V4) echappement réalisé par le conduit (EC). Chaque volume est donc affecté individuellement à chacun des 4 temps du moteur. 8) Moteur rotatif à combustion interne à 4 temps simultané selon l'une quelconque des revendications 3 a 7 caractense par le fait que la chambre du module thermodynamique (3) doit comporter sur sa périphérie extérieure un conduit d'admission des gaz frais (AD) et un point de declenchement de la combustion (AL) - allumage ou injection-. ) Moteur rotatif a combustion interne à 4 temps simultané selon l'une quelconque des revendications 3 à 7 caractensé par le fait que le couvercle de chambre (4) doit etre pourvu d'un conduit d'échappement (EC) en périphérie latérale haute et que le couvercle (4) soit fixé sur la chambre (3) de telle sorte que le decalage angulaire de l'axe du conduit d'echappement (EC) soit égal à un angle d'une valeur de (-Bêta) par rapport à l'axe du conduit d'admission (AD), et ce, relativement au sens de rotation du moteur. lU) Moteur rotatif a combustion interne a 4 temps simultané selon l'une quelconque des revendications 4 a 9 caractérise par un module de pilotage comportant deux roues (6) et (7) de même diamètre montées sur un arbre moteur (S) par l'intermédiaire de 2 roues libre (9) et (10). 1 l) Moteur rotatif à combustion interne à 4 temps simultané selon la revendication 10 caractérise par un module de pilotage comportant deux roues intermédiaires (11) et (12) de même diamètre que les roues (6) et (7) et montées sur un arbre intermédiaire (13) par l'intermédiaire de 2 roues libres (14) et (15). 12) Moteur rotatif à combustion interne à 4 temps simultané selon les revendications 10 et 11 caractense par un module de pilotage comportant deux courroies crantees (16) et (17) reliant la roue (6) à la roue (11) et la roue (7) a la roue (12). 13) Moteur rotatif à combustion interne a 4 temps simultané selon 1 une quelconque des revendications 11,12 caractérisé par un module de pilotage comportant une petite roue (18) solidaire de 1 arbre intermédiaire, une grosse roue (19) solidaire de l'arbre moteur et une courroie crantée (20) reliant la roue (18) à la roue (19). Le rapport de démultiplication, du nombre de dents de la petite roue sur celui de la grande roue, doit être egal au rapport Bêta sur Alpha. 14) Moteur rotatif à combustion interne à 4 temps simultané selon l'une quelconque des revendications 10 à 13 caractérise par le fait que l'arbre moteur (8) du module de pilotage est aussi l'axe de rotation des deux palettes (1) et (2) du module thermodynamique et que l'une des palettes (1) est rendue solidaire en rotation avec la roue (6), l'autre (2) avec la roue (7). 15) Moteur rotatif à combustion interne à 4 temps simultané selon la revendication 11 caractérisé par le iàit que l'arbre mtermcdiauc (13) du module de pilotage est guide en rotation pai un palier solidaire de la chambre (3) du module thermodynamique. 16) Moteur rotatif à combustion interne à 4 temps simultané selon l'une quelconque des revendications 11 à 15 caractérisé par un sens de montage des roues libre (9) et (10) identique qui impose aux palettes le sens de rotation choisi. 17) Moteur rotatif à combustion interne a 4 temps simultané selon l'une quelconque des revendications 11 à 16 caractérisé par un sens de montage des roues libre (14) et (15) qui doit permettre aux roues intermédiaires (11) et (12) d'entraîner en alternance l'arbre intermédiaire (13) lors des temps moteurs. dz Moteur rotatif à combustion interne à 4 temps simultané selon l'une quelconque des revendications 3 à 17 caractérisé par un module thermodynamique disposant de deux palettes (1) et (2) dont l'épaisseur doit permettre de masquer totalement le conduit d'admission {AD) et le conduit d'échappement (EC) au voisinage du point de début et de fin de cycle. 19) Moteur rotatif a combustion interne à 4 temps simultané selon l'une quelconque des revendications 3 à 18 caractérisé par un module thermodynamique comportant douze segments d'etancheite par palette. Trois segments spécifiques en T en tête de chaque extrémité de chaque ni 2palette (1) et (2), ces segments assurent l'étanchéIté avec la chambre (3) et le bon marquage des conduits d'admission (AD) et d'échappement (EC) au voisinage du point Alpha de dévut/fin du cycle. Six segments supplémentaires-4 segments de tranche (ST) et 2 segments bas (SB) - en forme de lame assurent le reste de Fctancheite generale sur chacune des 2 palettes.