Brevet FR2883036A1 — publié le 20060915

MOTEUR ROTATIF A ROTOR UNIQUE ET 2 PISTONS CYLINDRIQUES ALTERNATIFS La présente invention concerne les moteurs thermiques à piston rotatif unique et pistons alternatifs. Cette invention cherche à concilier la simplicité du moteur rotatif et la fiabilité du moteur classique, à améliorer le rendement donc l'économie tout en respectant les normes écologiques présentes et futures. Les moteurs rotatifs ont toujours buté sur la fiabilité et le rendement du fait de défauts d'étanchéité des pièces mobiles ou bien de conceptions ne permettant pas d'obtenir des taux de compressions suffisamment élevés pour un rendement optimum. Afin d'y parvenir, certains moteurs rotatifs font preuve d'une grande complexité, faisant ainsi perdre au moteur tout intérêt technique. Cette invention essaie de remédier à ces imperfections en conciliant des mécanismes éprouvées et des innovations techniques, préservant une grande simplicité mécanique derrière une valeur technologique élevée. Cette invention cherche à améliorer le rendement du moteur par le petit nombre de pièces mobiles. Il permet également d'envisager un faible coût de fabrication grâce aux formes simples des pièces utilisées. DESCRIPTION DU MOTEUR Le moteur comprend: É Le rotor (2) É Deux pistons biconvexes (6) É 4 chemises flottantes (24) É Le stator (18) É Le vilebrequin (1) É La chambre d'explosion (28) É Une soupape (27) (optionnelle) Nous allons décrire chaque élément et définir son fonctionnement. LE ROTOR Le rotor (2) est une pièce de forme cylindrique composée d'une partie centrale et de deux extrémités de plus faible diamètre appelées extrémité motrice (10). Les cotes du rotor varient en fonction de l'utilisation recherchée. >L'extrémité motrice peut être équipée d'une couronne dentée ou de tout autre 5 mécanisme permettant la transmission du mouvement rotatif du rotor. > Ces extrémités motrices (10) servent à transmettre le mouvement rotatif qui anime le rotor (2) vers l'extérieur du stator. > Le rotor (2) est évidé le long de son axe de rotation. - Perpendiculairement à l'axe du rotor (2), deux orifices cylindriques traversent le rotor de part en part. Ils reçoivent les deux pièces mobiles: les pistons biconvexes. Ces orifices peuvent présenter un décalage angulaire l'un par rapport à l'autre. L'angle est calculé en fonction du cycle de fonctionnement du moteur et tient compte de la durée de l'explosion dans la chambre d'explosion (28). Chaque orifice cylindrique est équipé de 2 chemises flottantes internes (24). Le rotor (2) n'est pas en contact avec le stator (18). L'alésage du stator (18) est supérieur au diamètre du rotor (2) pour permettre la lubrification du moteur et diminuer les frottements inutiles au cours de la rotation. Le poids du rotor (2) doit être le plus faible possible afin de réduire l'inertie des pièces mobiles et d'améliorer le rendement énergétique. Dans ce but, le rotor (2) pourra 20 être allégé par tous les moyens que la technique offre actuellement. Le rotor (2) est schématiquement séparé en 2 étages: - Un étage compresseur (8) avec deux chambres de compression, - Un étage moteur (9) avec deux chambres d'expansion. - 3 LE STATOR Le stator (18) possède une forme globalement cylindrique. L'alésage du stator est supérieur au diamètre externe du rotor (2). C'est la partie fixe du moteur rotatif. Le stator (18) est percé de deux grands orifices qui sont: ^ L'orifice d'admission d'air (21). L'orifice d'évacuation des gaz d'échappement (22). Proche de la partie médiane du stator (18), une chambre est creusée dans la paroi, c'est la chambre d'explosion. Elle est composée d'un conduit de remplissage (29) de la chambre d'explosion. (28) et de la zone d'explosion. Le stator (18) est fermé aux extrémités par deux coques appelées chapeaux 10 latéraux (19). Chaque chapeau latéral (19) est fixé à l'extrémité de la partie cylindrique du stator (18) de façon à fermer le stator. La partie centrale de ces deux chapeaux latéraux (19) reçoit l'extrémité du vilebrequin qui est fixée solidairement. Dans ces conditions, le vilebrequin (1) est une 15 pièce fixe du moteur rotatif. Chaque chapeau latéral (19) possède une ouverture périphérique. Cette ouverture s'ouvre sur la denture de l'extrémité motrice (10) du rotor (2). Cette fenêtre permet de récupérer le mouvement de rotation du rotor (2) à l'extérieur du stator (18). Les 2 chapeaux latéraux (19) sont de forme identique. Ainsi, le rotor (2) possède une extrémité motrice (10) à chacune de ses extrémités. A l'une des extrémités, c'est la puissance motrice qui est récupérée. A l'autre, sont montés les périphériques: démarreur, alternateur et pompes. La puissance motrice est récupérée directement sur le rotor (2) au niveau de ses extrémités motrices (10) et non sur le vilebrequin (1) comme pour un moteur classique. LE PISTON BICONVEXE Le piston biconvexe (6) est l'équipage mobile qui glisse à l'intérieur des deux cylindres du rotor (2). Il est au contact des chemises flottantes (24). Le piston biconvexe (6) est de forme cylindrique et correspond à la fusion de deux pistons classiques par leurs pieds. La partie médiane, zone de la fusion, est évidée 5 afin de permettre le passage d'une pièce mécanique: le vilebrequin (1). Les deux extrémités distales du piston biconvexe (6) sont appelées têtes de pistons (32). Elles ont une surface courbe et possèdent le même rayon de courbure que le rotor (2). - La hauteur du piston biconvexe (6) est égale au diamètre du rotor (2) diminué 10 de deux fois la distance entre l'axe du vilebrequin (1) et l'axe du maneton supportant la bielle (4). > Le piston biconvexe (6) porte un axe transversal (5) proche de l'une des têtes de pistons (32). Sur cet axe transversal (5) s'articule une pièce mobile: la tête de la bielle (4) identique à celle d'un moteur classique. Il n'y a qu'une bielle (4) par piston biconvexe (6) . - Le piston biconvexe (6) a une forme symétrique. Chaque extrémité est une tête de piston (32). - Le piston biconvexe (6) porte une segmentation entre piston et chemise identique à celle d'un moteur classique. - La course du piston biconvexe (6) dans la chemise correspond à deux fois la distance entre l'axe du vilebrequin (1) et l'axe du maneton (17). Afin de bien comprendre le fonctionnement du moteur rotatif, nous définirons pour une extrémité de piston, deux positions du piston biconvexe (6) dans le rotor: a) Une position point mort haut lorsque le piston biconvexe (6) est en contact 25 avec la face interne du stator (18). b) Une position point mort bas lorsque le piston biconvexe (6) est dans la position la plus éloignée du stator (18). LE VILEBREQUIN Le vilebrequin (1) est composé de deux manetons (17) sur lesquels s'articulent les bielles (4) qui ont été définies précédemment. Le calage angulaire des manetons (17) est déterminé selon l'objectif d'utilisation du moteur. Le vilebrequin (1) traverse le rotor suivant son axe de rotation. Le vilebrequin (1) peut être remplacé par deux demi-vilebrequins. Dans cette configuration, le vilebrequin n'est plus solidarisé à sa partie médiane. Chaque demi-vilebrequin porte un maneton décentré. Chaque demivilebrequin est fixé à la partie centrale d'un chapeau latéral (19). Il sert d'axe de rotation au rotor (2). Il est solidaire du stator (18). Il ne tourne pas. La course du piston biconvexe (6) est déterminée par le décentrage des manetons (17) par rapport à l'axe médian du vilebrequin (1). Sur chaque maneton s'articule le pied de la bielle. Les pistons biconvexes (6) sont reliés aux manetons (17) du vilebrequin (1) par les bielles (4). Le vilebrequin (1) traverse chaque piston biconvexe (6) par son centre. La rotation du rotor (2) sur le vilebrequin (1) entraîne un mouvement alternatif du piston biconvexe (6) à l'intérieur du rotor (2) par l'intermédiaire de la bielle (4) et des manetons (17). LA CHEMISE FLOTTANTE La chemise flottante est de forme cylindrique, semblable aux chemises des moteurs classiques. La partie supérieure de la chemise flottante (24), en contact avec le stator, est courbe, le rayon de courbure est égal à celui du rotor (2). La surface de la partie supérieure est élargie et possède une forme ellipsoïdale. La chemise est en contact constant avec le stator (18) et glisse sur sa surface interne. La chemise flottante (24) porte, de plus, une segmentation complète qui assure l'étanchéité entre le rotor (2) et le stator (18). La forme ellipsoïdale de la chemise flottante en contact avec le stator est calculée afin d'occulter les orifices d'admission et d'échappement du stator au cours de la rotation du rotor et assurer l'étanchéité des différents espaces. La partie inférieure de la chemise flottante (24) est équipée, à sa base d'une bague ressort (26). Cette bague maintient la chemise flottante en pression contre la surface interne du stator (18) et assure l'étanchéité des chambres de compression ou d'expansion. La chemise flottante est maintenue en pression sur la face interne du stator grâce à la force centrifuge à laquelle elle est soumise, lors de la rotation du rotor. Le rotor (2) porte au total 4 chemises flottantes (24). Les chemises flottantes (24) sont les seules pièces du rotor (2) en contact avec le stator (18). LA CHAMBRE D'EXPLOSION Le volume de la chambre d'explosion (28) est déterminé par le taux de compression recherché dans celle-ci. Ce moteur rotatif peut fonctionner selon le principe du moteur essence avec système d'allumage ou bien diesel avec autoallumage, en fonction du taux de 5 compression obtenu dans la chambre d'explosion (28). Dans le cas présent, nous considérons qu'il fonctionne comme un moteur essence. La chambre d'explosion (28) est réalisée à l'intérieure de la paroi du stator (18). Cette chambre d'explosion (28) possède 2-parties: É Un conduit de remplissage (29) au niveau de l'étage compresseur (8) du 10 rotor (2). É La zone d'explosion au niveau de l'étage moteur (9). Le conduit de remplissage peut être fermé par une soupape après compression de l'air dans la zone d'explosion et juste avant l'explosion, afin que l'explosion n'agisse que sur l'étage moteur du rotor (2). Cette technique assure l'étanchéité de la chambre d'explosion (28) au cours de l'explosion. Au niveau de cette zone d'explosion (28) sont disposés le système d'allumage et l'injecteur de carburant. Le carburant est injecté sous pression à l'intérieur de la zone d'explosion (28) et 20 mélangé à l'air comprimé admis. Le système d'allumage entraîne l'explosion du mélange air-essence. L'ouverture du conduit de remplissage (29) est définie par les temps de compression dans l'étage compresseur (8) et le temps moteur sur l'étage moteur (9). Les séquences de fonctionnement se déroulent selon le schéma suivant: 1. L'air est comprimé à l'intérieur de la chambre d'explosion (28) par l'étage compresseur du rotor (2) au cours de la phase de remplissage. 2. La soupape (27) du conduit de remplissage (29) se ferme à la fin de la phase de remplissage afin d'assurer une étanchéité parfaite. 3. L'injecteur envoie une quantité de carburant déterminée pour assurer un 30 mélange air-essence idéal. 4. La combustion de ce mélange est déclenchée par l'étincelle du système d'allumage. 5. L'explosion se produit à l'intérieur de la zone d'explosion (28) et provoque une expansion brutale du volume des gaz. 6. A cet instant, le piston biconvexe (6) de l'étage moteur (9) passe en position mort haut face à la zone d'explosion (28). La pression des gaz s'exerce sur le piston biconvexe et entraîne sa répulsion vers la position point mort bas avec un couple de rotation. Cette technique de fonctionnement garantit le maintien de la compression et évite la perte de compression de l'explosion vers l'étage compresseur (8). LA SOUPAPE (27) (optionnelle) Cette soupape fonctionne comme une soupape de moteur classique: La soupape (27) est disposé près de la chambre d'explosion, l'intérieur du stator (18) et perpendiculairement au conduit de remplissage (29). La soupape (27) a un mouvement de va-et-vient dans son logement. La soupape (27) est munie à l'une de ses extrémités d'un ressort de rappel. Le mouvement de la soupape peut être entraîné par un système mécanique, pneumatique ou électromécanique. La soupape (27) ouvre et ferme le conduit de remplissage de la chambre d'explosion au cours du fonctionnement du moteur rotatif. Cette soupape permet de fermer le conduit de remplissage de l'étage compresseur lors de l'explosion dans la zone d'explosion. Ainsi, la pression crée lors de l'explosion ne peut pas se faire de façon rétrograde sur l'étage compresseur. - 10 - LUBRIFICATION ET REFROIDISSEMENT La lubrification du moteur est assurée, dans l'espace existant entre stator et rotor par un film lubrifiant constant entre ces deux pièces en mouvement. La lubrification des pistons biconvexes et bielles est assurée par une canalisation réalisée dans le vilebrequin et le maneton. Cette canalisation sert à amener le lubrifiant à la base du piston biconvexe. La pression de lubrification est assurée par une pompe de lubrification et la force centrifuge lors de la rotation du rotor. Le liquide de lubrification est récupéré au niveau d'un carter moteur par un réseau de canaux. C'est au niveau de ce carter que la pompe de lubrification récupère le lubrifiant pour le distribuer dans les zones définies précédemment. Le moteur rotatif possède deux zones chaudes: la chambre d'explosion (28) et l'étage moteur (9) du rotor (2). Le refroidissement se concentrera principalement sur ces deux zones. Le refroidissement peut être assuré par un liquide de refroidissement circulant dans des canaux de refroidissement ou par des ailettes dans le cas d'un refroidissement par air. Les canaux de refroidissements, répartis dans le bloc stator, seront plus nombreux dans ces points chauds. Le refroidissement par liquide fait appel aux techniques déjà utilisées pour les moteurs classiques. PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT DU MOTEUR Nous allons décrire le fonctionnement du moteur en s'intéressant à un seul cycle moteur. Le moteur rotatif est séparé schématiquement en deux parties: 1. Un étage compresseur (8). 2. Un étage moteur (9) 1 L'étage compresseur (8) comprend un piston biconvexe (6), deux chambres de compression, l'orifice d'admission de l'air (21) et le conduit de remplissage (29) de la chambre d'explosion (28). 2 L'étage moteur (9) comprend un piston biconvexe (6), deux chambres d'expansion, l'orifice d'échappement des gaz brûlés (22) et la chambre d'explosion (28). La chambre d'explosion (28) est la seule zone de communication entre les deux étages. Nous définirons également deux positions du piston biconvexe (6) : a) Une position point mort haut lorsque le piston biconvexe (6) est en contact avec le stator (18). b) Une position point mort bas lorsque le piston biconvexe (6) est dans la position la plus éloignée du stator (18). Le cycle moteur est défini comme suivant au cours de la rotation du rotor: 1. Un piston biconvexe (6) de l'étage compresseur (8) passe sous la contrainte de la bielle de la position point mort haut à la position point mort bas devant l'orifice d'admission d'air (9) et crée une dépression qui aspire l'air entrant par le conduit d'admission. 2. Au cours de la rotation du rotor, le piston biconvexe de l'étage compresseur (8) arrive à proximité de l'orifice de remplissage (29) de la chambre d'explosion (28), en passant de la position point mort bas à la position point mort haut . L'air comprimé dans cet espace s'engouffre dans l'orifice de remplissage (29) de la chambre d'explosion (28). 3. En fin de compression, le conduit de remplissage (29) la chambre d'explosion (28) est fermée par la soupape (27) ou par la chemise flottante. - 12 - 4. Dans la chambre d'explosion (28), l'injecteur injecte sous pression une certaine quantité de carburant et le système d'allumage enflamme le mélange comprimé air-essence ainsi obtenu. 5. L'explosion se produit dans la zone d'explosion (28). 6. Au même instant, le piston biconvexe (6) de l'étage moteur (9) se trouve en face de la zone d'explosion (28), en position point mort haut . Le volume gazeux sous très haute pression exerce un mécanisme de répulsion sur ce piston biconvexe (6) de l'étage moteur (9) du rotor (2). 7. La pression exercée repousse le piston biconvexe (6) de l'étage moteur (9) de la position point mort haut vers la position point mort bas en provoquant un couple de rotation sur le rotor (2) autour du vilebrequin (1) et entraînant le rotor dans un mouvement rotatif. 8. Après un demi tour de rotor (2), le piston biconvexe (6) de l'étage moteur (9) se rapproche de la paroi interne du stator (18) vers la position point mort haut et évacue les gaz brûlés par le conduit d'échappement (22) du stator (18) face à lui. Nous avons ainsi défini un cycle moteur. Pendant ce cycle, un nouveau cycle démarre dans la partie diamétralement opposée du piston biconvexe (6). Il existe donc 2 temps moteurs pour une révolution de 360 du rotor soit autant de temps moteur que dans un moteur classique à 4 cylindres et 4 temps. - 13 - REVENDICATIONS 1) Moteur rotatif thermique caractérisé en ce qu'il est composé d'un rotor (2) unique de forme cylindrique avec deux extrémités motrices (10) de plus faible diamètre. Ce rotor (2) tourne à l'intérieur d'un stator (18) cylindrique. Ce dit stator (18) possède un orifice d'admission d'air (21) et un orifice d'évacuation des gaz d'échappement (22). Le stator (18) est fermé à ses deux extrémités par des chapeaux latéraux (19). Chaque chapeau latéral (19) porte en son centre un demi-vilebrequin (1). Ces demi-vilebrequins (1) sont fixés, à chacune de leur extrémité, au centre des chapeaux latéraux (19). Le demi-vilebrequin (1) est composé d'un maneton (17) sur lequel s'articule une bielle (4). Chaque demivilebrequin (1) peut présenter un calage variable afin de faire varier le temps de l'explosion dans la chambre d'explosion (28) du stator (18). Le rotor (2) tourne sur un axe représenté par deux demi-vilebrequins (1) fixes. Le rotor (2) présente deux orifices de forme cylindrique, perpendiculaires à l'axe de rotation du rotor (2). Chaque orifice contient un piston biconvexe (6) de forme symétrique. Les deux extrémités du piston biconvexe (6) ont une surface courbe dont le rayon de courbure est identique à celui du rotor (2). Le piston biconvexe (6) est évidé dans sa partie centrale afin de permettre le passage du demi-vilebrequin (1) à l'intérieur du piston biconvexe (6). La hauteur du piston biconvexe (6) est égale au diamètre du rotor (2) diminuée de deux fois l'entraxe entre le centre du demi-vilebrequin (1) et le maneton (17) porté par le demi-vilebrequin (1. Le piston biconvexe (6) porte, près de l'une de ses extrémités, un axe transversal recevant la tête de la bielle (4) .Chaque orifice du rotor (2) contient deux chemises flottantes (24) entre rotor (2) et piston biconvexe (6). Ces chemises flottantes (24), de forme cylindrique à leur base, sont mobiles dans les orifices du rotor (2) . La surface des chemises flottantes (24) en contact avec le stator (18), est élargie en forme d'ellipse et porte une segmentation complexe afin d'assurer une étanchéité parfaite entre rotor (2) et stator (18), au cours de la rotation dudit rotor (2), sous l'effet de la force centrifuge, qui plaque la chemise flottante (24) contre le stator (18). Les chemises flottantes (24) jouent également le rôle de fermeture du conduit de remplissage (29) de la chambre d'explosion (28) durant l'explosion du mélange air essence. La chambre d'explosion (28) unique est située dans la paroi du stator (18), à cheval entre l'étage compresseur (8) et l'étage moteur (9) elle reçoit l'injecteur de carburant et selon le mode de fonctionnement, un système d'allumage. 2) Moteur rotatif thermique selon la revendication 1 caractérisé en ce que les pistons biconvexes (6) sont animés d'un mouvement alternatif dans l'orifice qui leur sont dévolus, au cours de la rotation du rotor (2), sous la contrainte de la bielle (4) tournant autour du maneton (17) du demi-vilebrequin (1). 3) Moteur rotatif thermique selon la revendication 1 caractérisé en ce que la force motrice est récupérée directement au niveau des extrémités motrices (10) du rotor (2) équipées chacune, soit d'une couronne dentée, soit de tout autre système mécanique permettant de transmettre la force motrice vers les périphériques du moteur. 4) Moteur rotatif thermique selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'air est admis par l'orifice d'admission d'air (21) au niveau de l'étage compresseur (8) puis est comprimé dans l'unique chambre d'explosion (28). Cette chambre est équipée d'un injecteur d'essence et d'un système d'allumage. L'explosion du mélange gazeux exerce une pression violente sur le piston biconvexe (6) de l'étage moteur (9) du rotor (2) et entraîne un couple de rotation sur le rotor (2) puis ces gaz sont évacués par l'orifice d'échappement (22) en fin de rotation.