Brevet FR2935752A1 — publié le 20100312

- 1 - 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 � et à taux de compression variable en continu en fonctionnement. ETAT DE L'ART La plupart des moteurs rotatifs (moteur Wankel et autres 10 mécanismes à chat et souris) sont à taux de compression fixe. Le taux de compression variable est une technologie qui permet aux moteurs à allumage commandé de fonctionner avec un rapport volumétrique maximum, toujours en limite de cliquetis 15 et d'auto détonation. Le rendement thermodynamique est donc optimum, en adaptant le meilleur taux de compression. Les architectures de moteurs à taux de compression variable, pour la très grande majorité, sont une adaptation autour du 20 principe de bielle-manivelle classique. Ces moteurs, à isocylindrée, sont plus lourds, parfois _jusqu'au double, plus complexes et fragiles. Le moteur Wankel dispose de chambre de combustion allongée et 25 écrasée : • qui rend la combustion incomplète pouvant nécessiter une post-combustion • qui pénalise le rendement de combustion par des pertes thermiques importantes du fait du grand rapport 30 surface/volume de la chambre Le Wankel dispose d'un système d'étanchéité perfectible : Le double mouvement de rotation du rotor (planétaire et solaire) fait que le segment d'arête du rotor forme un angle de raclage variable avec la paroi. L'étanchéité est 35 géométriquement assurée par une ligne de contact. - 2 - Le moteur décrit dans le brevet ; délivré le 02/06/2006, N° de publication FR 2 819 553 ; améliorait déjà les points ci-dessus : • La chambre de combustion présente un faible rapport surface/volume et une forme compacte, du fait de la longue course (longue course signifie : course > alésage) • L'étanchéité des pistons est structurellement meilleure, car géométriquement assurée par plusieurs segments ayant un contact surfacique avec la paroi. Le moteur selon l'invention, est un perfectionnement du moteur décrit dans le brevet FR 2 819 553, car en plus, il dispose d'un rapport volumétrique de compression continûment variable (ou taux de compression variable), à tout instant, certes au prix d'une légère sur-masse, mais sans fragilisation de la structure de base. Le moteur selon l'invention est une variante ou un complément 20 du moteur décrit dans la demande de brevet N°07 07555 du 26/10/2007. - 3 - RESUME DE L'INVENTION A cet effet, l'objet principal de l'invention est un moteur thermique rotatif à combustion interne et taux de compression continûment variable en fonctionnement comprenant : • deux ensembles rotors coaxiaux tournant de manière � chat et souris � selon un axe moteur Z, dit axe Z, dans une chambre de travail de révolution selon l'axe Z et étant annulaire, chaque ensemble rotor comprenant : o quatre pistons, et o une couronne, • au moins un attelage mobile pour chaque ensemble 15 rotor comprenant : o une bielle qui pivo=_e par l'une de ses extrémités porte-bielle autour d'un axe porte-bielle, d'axe parallèle à l'axe Z, o un pignon satellite, qui tourne avec une 20 excentricité selon un axe parallèle à l'axe Z et monté tournant à l'autre extrémité de la bielle, engrenant avec la couronne. moteur dans lequel chaque ensemble rotor fait tourner ses quatre pistons, dans la chambre de travail, les huit pistons 25 délimitant huit volumes de travail dans lesquels le fluide subit successivement l'admission, la compression et le réchauffement par explosion ou combustion, la détente et l'échappement, chaque ensemble rotor entraînant via sa couronne, par l'engrènement intermédiaire des pignons 30 satellites, un arbre moteur central, par l'intermédiaire d'un pignon moteur qui engrène avec les pignans satellites. Selon l'invention, il comprend des moyens pour faire varier la position des axes porte-bielles dans le plan perpendiculaire à l'axe moteur (Z), variation de position 35 comprenant une composante radiale selon l'axe moteur (Z), variations de positions en symétrie de révolution selon l'axe - 4 - moteur (Z) pour les différents axes porte-bielles, avec pour effet de faire varier le taux de compression du moteur. Dans la réalisation préférentielle de l'invention, les moyens pour faire varier la positio:-i angulaire de l'axe 5 porte-bielle comportent pour chaque attelage mobile : • un vilebrequin pour faire tourner la position de son maneton, autour de l'axe du vilebrequin qui est parallèle à l'axe Z, sur chaque maneton pivote une paire de bielle, supérieure et inférieure, chaque 10 vilebrequin déterminant ainsi la position dans un plan perpendiculaire à l'axe (Z), des axes porte-bielle de la bielle supérieure et de la bielle inférieure, avec pour effet principal un mouvement radial des axes porte-bielles selon l'axe moteur (Z) 15 • des moyens de positionnement angulaire de chaque vilebrequin pour l'orienter. Les moyens de positionnement angulaire des vilebrequins sont réalisés par un mécanisme de positionnement à roue et pignons qui comporte : 20 • un pignon-secteur, d'axe parallèle à l'axe (Z), solidaire de chaque vilebrequin pour assurer son entraînement sur lequel engrène : • une roue, d'axe l'axe moteur (Z), dont l'angle de rotation selon son axe, fixe le taux de compression. 25 Ils peuvent également être réalisés par un dispositif de positionnement par manivelles, roue-manivelles et biellettes qui comporte . • une manivelle, solidaire de chaque vilebrequin pour assurer son entraînement, à l'axtrémité de laquelle 30 pivote : • une biellette, dont l'autre extrémité pivote sur : • une roue-manivelles, d'axe l'axe moteur (Z), comportant autant de manivelles aux pivots desquelles pivotent les biellettes. Roue-manivelles dont l'angle 35 de rotation selon son axe fixe le taux de compression du moteur. - 5 LES FIGURES ANNEXEES ILLUSTRENT L'INVENTION Les figures 1 et 2 représentent, pour le moteur selon l'art antérieur, 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 d'un étage, avec le rotor en vitesse de rotation sensiblement minimale. La figure 4 représente le schéma cinématique d'un étage, avec le rotor en vitesse de rotation sensiblement maximale. Les figures 5 et 6 illustrent la variation du rapport 15 volumétrique de compression. Les figures 7 et 8 sont des schémas cinématiques qui illustrent un mécanisme de positionnement angulaire des vilebrequins, par engrenage. La figure 9 est un schéma cinématique qui illustre un mécanisme de positionnement angulaire des vilebrequins, par manivelles, roue-manivelles et bielles. 25 La figure 10 est un graphique qui représente l'angle (en degrés) des rotors supérieur (S) et inférieur (I), en fonction de l'angle (en degrés) de l'arbre moteur. Les figures 11, 12 et 13 représentent un moteur pré-30 dimensionné et simplifié. Les paliers et roulements ne sont pas représentés sauf 3 roulements des rotors. • La figure 11 est une coupe brisée, selon un plan contenant l'axe Z et passant par _In axe de vilebrequin (à gauche) et les satellites d'un même attelage mobile 35 (à droite). 20 - 6 • La figure 12 est une vue isométrique, sans le demi-carter supérieur, découvrant les 8 pistons dans la chambre de travail toroïdale. • La figure 13 est une coupe selon un plan perpendiculaire 5 à l'axe Z et passant par les satellites inférieurs. La figure 14 représente deux atteages mobiles et un vilebrequin. 10 La figure 15 représente une bielle. Les figures 16 et 17 représentent des vilebrequins. - 7 - NOMENCLATURE DU MOTEUR Des pièces sont qualifiées de supérieue et inférieure, pour faciliter la représentation. Cela ne fixe aucune orientation 5 du moteur. N° Désignation des éléments et ensembles ls Demi-carter supérieur li Demi-carter inférieur 10 Arbre moteur lls Pignon moteur supérieur iii Pignon moteur inférieur 11 Pignon moteur, supérieur ou inférieur 20s Ensemble rotor ou rotor, supérieur 20i Ensemble rotor ou rotor, inférieur 21s, 22s, 23s et 24s ler, 2", 3" et 4" pistons du rotor supérieur 21i, 22i, 23i et 24i ter, 2'', 3" et 4" pistons du rotor inférieur 21, 22, 23 et 24 ler, 2", 3" et 4" pistons, d'un même rotor supérieur ou inférieur 29s Couronne supérieure 29i Couronne inférieure 29 Couronne, d'un rotor supérieur ou inférieur 31, 32, 33, 34,... 1er2ème 3 ème 4ème,... vilebrequins 61, 62, 63, 64,... Manetons des ler~ 2ème, 3ème 4ème ,vilebrequins Et/ou axes porte-bielles Attelage mobile 41s, 42s, 43s, 44s ler 2ème 3ème 4ème bielles supérieures 41i 42i, 43i, 44i ler 2" 3ème 4ème bielles inférieures 41, 42, 43, 44,... 1er 2ëme, 3ème 4ème bielles d'un même ensemble rotor N° Désignation des éléments et ensembles 45 Extrémité porte-bielle (d'une bielle pivotant sur le maneton) ou axe porte-bielle 46 Extrémité de bielle, où pivote le satellite 51s, 52s, 53s, 54s,... ler, 2ème, 3ème, 4ème, pignons satellites supérieurs ou satellites supérieurs 51i, 52i, 53i, 54i,...'1 1er, 2ème, 3ème, 4ème. pignons stP1 1 i tE?s 82 Biellette inférieurs ou satellites inférieurs 51, 52, 53, 54,... ler, 2ème, 3ème, 4ème, pignons satellites ou satellites d'un même ensemble rotor Mécanisme de positi engrenage onnement angulaire des vilebrequins, par 70 Roue 71 Pignon-secteur Mécanisme de positi manivelles, roue-mani onnement angulaire des vilebrequins, par velles et biellettes 80 Roue-manivelles 81 Manivelle - 9 DESCRIPTION DE PLUSIEURS REALISATIONS SELON L'INVENTION Les figures 1 et 2 représentent, pour le moteur de l'art antérieur, le cycle thermodynamique du moteur, avec les 8 volumes de travail ménagés entre les 4 pistons (21s, 22s, 23s et 24s)(21i, 22i, 23i et 24i) de chacun des 2 rotors tournant en � chat et souris � dans la chambre de travail. Le fluide subit dans chaque volume, successivement l'admission (I), la compression (II), la réchauffe par explosion ou combustion (II/III), la détente (III) et l'échappement (IV). Le moteur comporte des orifices d'admission et. d'échappement, pour provoquer deux cycles moteurs diamétralement opposés, dans la circonférence de la chambre de travail. La chambre de travail, de révolution selon l'axe Z est donc annulaire et selon des modes particuliers de réalisation, de section (selon un plan contenant l'axe Z) circulaire ou autre, ou carrée, ou rectangulaire pour simplifier la forme des pièces. La figure 3 représente, pour le moteur selon l'invention, le schéma cinématique d'un étage, avec le rotor à la position angulaire de vitesse de rotation sensiblement minimale, pour une vitesse donnée d'arbre moteur. L'étage est composé d'un rotor avec 4 pistons (21, 22, 23 et 24) et une couronne (29), d'un pignon moteur (11), ici de 4 manetons de 4 vilebrequins (31, 32, 33 et 34) et ici de 4 attelages mobiles, formés d'une bielle (41, 42, 43 et 44) et d'un pignon satellite (51, 52, 53 et 54). Les pignons satellites (51, 52, 53 et 54) engrènent entre la 30 couronne (29) et le pignon moteur (11). Le mécanisme cinématique des attelages mobiles impose, pour un régime constant du pignon moteur (11), une vitesse de rotation acyclique et en opposition de phase des 2 rotors. C'est le fonctionnement des rotors en � chat et souris �. 35 Les vilebrequins (31, 32, 33 et 34) tiennent une position angulaire donnée constante pendant un cycle. - 10 - Des couronne (29), satellites (51, 52, 53 et 54) et pignon moteur (11), seuls les primitifs circulaires sont représentés. La figure 4 représente, pour le moteur selon l'invention, le schéma cinématique d'un étage, avec le rotor à la position angulaire de vitesse de rotation sensiblement maximale, pour une vitesse donnée d'arbre moteur, équivalent de l'étage précédent de la figure 3, en opposition de phase (dans le cycle), du même moteur. De manière générale, les engrènements décrits dans le moteur selon l'invention, sont du type pour assurer un roulement sans glissement aux primitifs, classiquement des dentures droites ou obliques. Selon des modes particuliers de réalisation, une même denture (aspect fonctionnel) peut être réalisée par deux parties distinctes, par exemple un engrènement à chevrons. Aussi le maintient du positionnement de l'?ngrènement sur les primitifs peut nécessiter que les éléments engrenant comportent chacun une portion lisse, semblable à un galet, suivant le primitif, en appui. Les figures 5 et 6 illustrent, pour le moteur selon l'invention, la variation du rapport volumétrique de compression, dans les positions angulaires des rotors en phase d'explosion, entre compression et. détente, lorsque les pistons (ici 22s et 22i) en vis à vis sont rapprochés. Le positionnement angulaire particulier des vilebrequins (31), modifie le taux de compression. La figure 5 montre un faible rapport volumétrique de compression : l'angle particulier du vilebrequin (31) fixe une position particulière de l'axe du maneton (61), par rapport à l'axe moteur (Z) plutôt radialement éloigné. L'inclinaison de la trajectoire d'oscillation des axes de pivot de satellite (51s et 51i), via les bielles (41s et 41i) est également influencée plutôt plus horizontale. - 11 - Géométriquement, cela impose un écartement orthoradial à l'axe Z, plus faible des axes de pivots de satellites, ce qui, par engrènements, plutôt écarte le piston (22s) du piston (22i), diminuant ainsi le rapport volumétrique de compression (illustration par la flèche bi-pointes : longue). La figure 6 montre au contraire de la figure 5, un fort rapport volumétrique de compression : :L'angle particulier du vilebrequin (31) fixe une position particulière de l'axe du maneton (61), par rapport à l'axe moteur (Z) plutôt radialement rapproché. L'inclinaison de la trajectoire d'oscillation des axes de pivot de satellite (51s et 51i) est également influencée plutôt moins horizontale. Géométriquement, cela impose un écartement orthoradial à l'axe Z, plus grand des axes de pivots de satellites, ce qui, par engrènements, plutôt rapproche le piston (22s) du piston (22i), augmentant ainsi le rapport volumétrique de compression (illustration par la flèche bi-pointes : courte). Selon des modes particuliers de réalisation de l'invention, les figures 7 et 8 sont des schémas cinématiques qui illustrent un mécanisme de positionnement angulaire des vilebrequins (31, 32, 33 et 34) par engrenages (70 et 71). La figure 7 présente un schéma cinématique comprenant un seul vilebrequin (31) et 2 attelages mobiles : supérieur (bielle supérieure (41s) et satellite supérieur (51s)) et attelage mobile inférieur (bielle inférieure (41i) et satellite inférieur (51i)), tandis que la figure 8 représente les 4 vilebrequins (31, 32, 33 et 34), mais sans les attelages mobiles. Dans la figure 7, les satellites (ici 51s et 51i) sont représentés sans engrener pour des raisons de clarté, car la figure 7 est le schéma d'une coupe brisé qui rassemble la coupe de l'axe moteur (Z) et la coupe d'un vilebrequin (31). Ces deux coupes n'étant pas coplanaires. la roue (70), de position angulaire fixée, engrène avec les 4 pignon-secteurs (71), chacun solidaire d'un vilebrequin (31, - 12 - 32, 33 et 34), ce qui fixe les axes manetons (61, 62, 63 et 64) des vilebrequins. C'est la position angulaire de la roue (70) qui détermine le rapport volumétrique de compression. Selon des modes particuliers de réalisation de l'invention, la figure 9 est un schéma cinématique qui illustre un mécanisme de positionnement angulaire des vilebrequins, par manivelles, roue-manivelles et bielles. Chaque vilebrequin (31, 32, 33 et 34) est positionné angulairement, par sa manivelle (81), via 4 biellettes (82), par une roue-manivelles (80) elle-même positionnée angulairement. Le réglage de l'angle de la roue-manivelles (80), fixe le rapport volumétrique de compression. Une autre position possible du mécanisme de positionnement, imposée pour un autre angle de la roue-manivelles (80), fixant un taux de compression différent (et plus faible) est représentée en traits pointillés. La figure 10 est un graphique qui représente l'angle (en degrés) des rotors supérieur (courbes (S)) et inférieur (courbes (I)), en fonction de l'angle (en degrés) de l'arbre moteur. Les courbes (S) et (I) � ondulent � ce qui provoque des resserrement et écartement verticaux, qui correspondent à l'écartement et au rapprochement des pistons c'est le fonctionnement en � chat et souris �. Selon l'invention, la variation du rapport volumétrique de compression est indiquée par la légère fluctuation de ces courbes (S) et (I), par les courbes en pointillés ou trait fin, autour des courbes en trait continu épais. La longue flèche indique un taux de compression faible, tandis que la flèche courte indique un taux de compression élevé. Les figures 11, 12 et 13 représentent un moteur pré- dimensionné et simplifié, selon des modes particuliers de réalisation de l'invention. La chambre de travail est toroïdale, les pistons étant à section circulaire. Les - 13 - paliers et roulements ne sont pas représentés sauf 3 roulements des rotors (20i et 20s). Le mécanisme de positionnement angulaire des vilebrequins (31) est du type à engrenage avec roue (70) et pignon-secteur (71). • La figure 11 est une coupe brisée, selon un plan contenant l'axe Z et passant par un axe de vilebrequin (31) (à gauche) et les satellites :53s et 53i) d'un même attelage mobile (à droite). On retrouve entre autres sur cette figure 15, le demi-carter supérieur (1s), les pignons moteurs supérieur (Ils) et inférieur (Ili), solidaires de l'arbre moteur (10), deux bielles, supérieure (43s) et inférieure (43i) et deux satellites, supérieur (53s) et inférieur (53i). • La figure 12 est une vue isométrique, sans le demi- carter supérieur (Is) de la figure 15, découvrant les 8 pistons dans la chambre de travai=_ toroïdale, ainsi que les attelages mobiles, couronne et pignon moteur. • La figure 13 est une coupe selon un plan perpendiculaire à l'axe Z et passant par les satellites inférieurs. Cette figure est à rapprocher des figures 1, 2, 3 et 4. Le plan de coupe ici fait à peine figurer les manetons de vilebrequins. On retrouve entre autres, notamment, le rotor inférieur (20i), le demi-carter inférieur (li), ces 4 bons vieux satellites inférieurs qui engrènent entre la couronne inférieure (29i) et le pignon moteur inférieur (Ili). Selon des modes particuliers de réalisation de l'invention, la figure 14 représente, un vilebrequin (31) sur l'unique maneton duquel, pivotent deux attelages mobiles, un supérieur composé d'une bielle supérieure (41s) et d'un satellite supérieur (51s) pivotant, un attelage mobile inférieur composé d'une bielle inférieure (41i) et d'un satellite inférieur (51i) pivotant.35 - 14 - Selon des modes particuliers de réalisation de l'invention ou selon l'art antérieur, la figure 15 représente une bielle, avec son extrémité porte-bielle (45) s'articulant autour d'un maneton de vilebrequin ou autour d'un axe fixe, et son extrémité de bielle (46) où pivote le satellite. Selon des modes particuliers de réalisation de l'invention, la figure 16 représente un vilebrequin (31), disposant de son unique maneton (61), maneton en configuration englobé par l'extrémité porte-bielle de la bielle. Selon des modes particuliers de réalisation de l'invention, la figure 17 représente un vilebrequin (31), disposant de son unique maneton (61), en deux parties physiquement disjointes mais coaxiales (61), maneton en configuration englobant l'axe extrémité porte-bielle de la bielle. REVENDICATIONS1) Moteur thermique rotatif à combustion interne comprenant : • deux ensembles rotors (20s et 20i) coaxiaux, tournant de manière � chat et souris � selon un axe moteur (Z), dit axe (Z), dans une chambre de travail de révolution selon l'axe (Z) et étant annulaire, chaque ensemble rotor comprenant : o quatre pistons (21, 22, 23 et 24), et o une couronne (29) • au moins un attelage mobile pour chaque ensemble rotor comprenant, o une bielle (41, 42, 43, 44,...), qui pivote par l'une de ses extrémités porte-bielle 15 (45) autour d'un axe porte-bielle (61, 62, 63, 64,_), d'axe parallèle à l'axe (Z) o un pignon satellite (El, 52, 53, 54, ...) , qui tourne avec une excentricité selon un axe parallèle à l'axe (Z) et monté tournant à 20 l'autre extrémité de la bielle (46), engrenant avec la couronne (29), moteur dans lequel chaque ensemble rctor fait tourner ses quatre pistons, dans la chambre de travail, les huit pistons (21s, 21i, 22s, 22i, 23s, 23i, 24s et 24i) délimitant huit 25 volumes de travail dans lesquels le fluide subit successivement l'admission (I), la compression (II), le réchauffement par explosion ou combustion (II/III), la détente (III) et l'échappement (IV), chaque ensemble rotor entraînant via sa couronne (29s et 29i), par l'engrènement 30 intermédiaire des pignons satellites (51s, 51i, 52s, 52i, 53s, 53i, 54s, 54i,...), un arbre moteur (10) central, solidaire d'un pignon moteur (Ils et Ili) qui engrène avec les pignons satellites, 35 moteur caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour faire varier la position de l'axe porte-bielle (61, 62, 63, 64,...), 10- 16 - dans le plan perpendiculaire à l'axe moteur (Z), variation de position comprenant une composante radiale selon l'axe moteur (Z), variations de positions en symétr_e de révolution selon l'axe moteur (Z) pour les différents axes porte-bielles, avec pour effet de faire varier le taux de compression du moteur. 2) Moteur selon la revendication 1), caractérisé en ce que les moyens pour faire varier la position angulaire de l'axe porte-bielle comportent pour chaque attelage mobile : un vilebrequin (31, 32, 33, 34,...) pour faire tourner la position de son maneton (61, 62, 63 et 64,...) autour de l'axe du vilebrequin qui est parallèle à l'axe (Z), sur chaque maneton pivote une paire de bielles supérieure et inférieure (41s, 41i, 42s, 42i, 43s, 43i, 44s, 44i,...), chaque vilebrequin déterminant ainsi la position dans un plan perpendiculaire à l'axe (Z), des axes porte-bielle (45) de la bielle supérieure et de la bielle inférieure, avec pour effet principal un mouvement radial des axes porte-bielles (45) selon l'axe moteur (Z) ; - des moyens de positionnement angulaire de chaque vilebrequin pour l'orienter. 3) Moteur, selon la revendication 2), caractérisé en ce que les moyens de positionnement angulaire des vilebrequins sont réalisés par un mécanisme de positionnement à roue et pignons qui comporte : - un pignon-secteur (71), d'axe parallèle à l'axe (Z), solidaire de chaque vilebrequin pour assurer son entraînement, sur lequel engrène : - une roue (70), d'axe l'axe moteur (Z), dont l'angle de rotation selon son axe, fixe le taux de compression du moteur 4) Moteur, selon la revendication 2), caractérisé en ce que 35 les moyens de positionnement angulaire des vilebrequins sont- 17 - réalisés par un mécanisme de positionnement par manivelles, roue-manivelles et biellettes qui comporte : une manivelle (81), solidaire de claque vilebrequin pour assurer son entraînement, à l'extrémité de laquelle pivote : une biellette (82), dont l'autre extrémité pivote sur une roue-manivelles (80), d'axe l'axe moteur (Z), comportant autant de manivelles aux pivots desquelles pivotent les biellettes (82), roue-manivelles (80) dont l'angle de rotation selon son axe fixe le taux de compression du moteur.