Brevet FR3041035A1 — publié le 20170317

MOTEUR THERMIQUE AVEC ROTOR TRAVERSE PAR LE CHEMIN DE DEPLACEMENT ALTERNATIF EN TRANSLATION D'AU MOINS UN PISTON DOMAINE D'APPLICATION DE L'INVENTION La présente invention a trait au domaine de la motorisation et notamment aux adaptations permettant de réaliser et de faire fonctionner un moteur thermique associant un rotor et un mouvement alternatif de pistons dans les meilleures conditions. DESCRIPTION DE L'ART ANTÉRIEUR Le document W02007118940 décrit un moteur thermique proposant une synthèse entre le moteur classique à quatre temps à mouvement alternatif en translation du piston et le moteur rotatif proposant un piston tournant. Ce moteur est constitué par un rotor ménagé d'alésages accueillant des pistons dont le mouvement alternatif est transformé en mouvement en rotation par un vilebrequin indépendant logé dans ledit rotor et qui transmet en sus de l'arbre moteur qu'il propose ce mouvement au rotor. Ce principe de faire tourner les pistons perpendiculairement à l'axe de leur déplacement en translation évite, contrairement aux moteurs thermiques classiques, les à-coups et les problèmes d'inertie susceptibles de survenir notamment lors des points morts haut ou bas. De plus, en fermant le volume des chambres tournantes au moyen des parois du rotor (l'alésage) du piston, et du stator dans lequel tourne le rotor, les problèmes d'étanchéité inhérents aux moteurs rotatifs sont résolus. Néanmoins, le demandeur a été amené à constater plusieurs points à améliorer comme par exemple : - le nombre de pièces rendant une telle installation coûteuse, 30 - la mise au point requérant un réglage très fin du décalage entre les deux pistons engagés, - l'étanchéité entre les deux pistons et de leur chambre de combustion, - le principe de fonctionnement requiert un compartiment compresseur 35 et un compartiment moteur séparé, - etc... DESCRIPTION DE L'INVENTION 3041035 2 Ce que constatant, le demandeur a mené des recherches visant à solutionner les inconvénients précités. Ces recherches ont abouti à une nouvelle conception de moteur thermique regroupant les avantages des moteurs thermiques classiques 5 et rotatifs sans leurs inconvénients et sans les inconvénients de l'art antérieur ci-dessus décrit. Le moteur thermique de l'invention comprend un stator accueillant un rotor traversé transversalement à son axe de rotation par un chemin débouchant à ses deux extrémités où se déplace dans 10 un mouvement alternatif en translation au moins un piston, dans lequel le mouvement alternatif dudit piston est transformé dans un mouvement de rotation par un vilebrequin indépendant tournant et guidé en rotation dans ledit rotor selon son axe de rotation, ledit vilebrequin étant équipé d'un arbre coaxial à son axe de rotation. 15 Selon l'invention, ce moteur est remarquable en ce que le rotor est réalisé en deux parties identiques assemblées et est mu en mouvement selon la même vitesse et selon un sens inverse au mouvement de rotation dudit vilebrequin, le rotor présente sur au moins un de ses flancs, une couronne 20 dentée coopérant avec le premier étage de transmission d'un pignon intermédiaire à deux étages dont le deuxième étage vient coopérer avec un pignon dit moteur solidaire de l'axe de rotation du vilebrequin. Une telle caractéristique présente de nombreux avantages qui 25 sont décrits ci-après. Les quatre temps du moteur : admission, compression, explosion et échappement se déroulent sur une seule révolution du rotor. Ainsi, lorsque le rotor fait un quart de tour dans le sens des aiguilles d'une montre, le vilebrequin fait un quart de tour dans le sens inverse. L'addition de ces quarts de tour réalise un demi-tour, ce qui est l'angle nécessaire pour que le piston passe du point-mort haut au point-mort bas ou l'inverse. Contrairement au cycle d'un moteur classique où chaque temps moteur nécessite la rotation d'un demi tour de vilebrequin, le moteur de l'invention en inversant les sens de rotation du rotor et du vilebrequin, permet d'obtenir un temps de moteur en faisant seulement un quart de tour. En conséquence, les quatre temps du moteur sont obtenus sur un tour complet de vilebrequin et du rotor. 3041035 3 Le fait d'obtenir les quatre temps du moteur sur un seul étage supprime le besoin d'un transfert vers un autre étage. Cette amélioration entraîne la diminution du volume du moteur et la disparition de la zone de communication entre le compartiment 5 compresseur et le compartiment moteur, zone très difficile à rendre étanche et où se perdait une part de la compression. L'exécution des quatre temps du moteur est donc réalisée sans zone de superposition des temps contrairement aux autres moteurs. Chaque temps est parfaitement décomposé et isolé lors de la 10 rotation, ce qui améliore le rendement moteur. En outre, l'inversion du sens de rotation du vilebrequin par rapport au rotor entraîne un auto équilibrage du moteur, les masses en mouvements opposés annulent les couples de rotation. La réalisation en deux parties identiques du rotor facilite sa 15 fabrication et le montage du moteur. Selon un mode de réalisation, le vilebrequin est équipé d'au moins un maneton entraîné en rotation par une première extrémité d'une bielle dont la deuxième extrémité est articulée au piston. Le mécanisme couronne + pignon, simple, entre rotor et 20 vilebrequin répartit de façon équilibrée et homogène les forces exercées sur les pièces mobiles, piston-bielle et vilebrequin d'un coté, rotor de l'autre, lors du temps moteur, gage de solidité et de fonctionnement harmonieux. Le moteur de l'invention possède ainsi deux possibilités d'arbres moteurs : 25 - sur le vilebrequin, - sur le pignon intermédiaire. Selon une caractéristique préférée, l'arbre moteur est celui du vilebrequin. Selon une caractéristique particulièrement avantageuse de 30 l'invention, ledit arbre moteur est relié à un alternateur ou tout autre moyen susceptible de transformer le mouvement de rotation, en énergie électrique. Selon un mode de réalisation préféré, le moteur de l'invention est symétrique. Il possède un système de transmission de chaque coté 35 du rotor et du vilebrequin ce qui permet une meilleure répartition des forces et du couple moteur sur les différentes pièces en mouvement. 3041035 4 Selon une caractéristique particulièrement avantageuse, deux pistons se déplacent dans le chemin transversal ménagé dans le rotor, le vilebrequin est alors équipé de deux manetons disposés en opposition et relié chacun à la première extrémité d'une bielle dont 5 la deuxième extrémité est articulée à un piston. Les pistons présentent alors une course symétrique. Deux pistons sur quatre sont supprimés en regard des configurations classiques à quatre temps. Ici, les temps du moteur sont réalisés dans un seul compartiment. 10 En effet, en proposant deux pistons se déplaçant aux extrémités d'un même alésage transversal pratiqué dans le rotor, ce moteur a pour avantages de : - proposer deux temps moteurs par révolution du rotor (on compte ainsi, autant de temps par révolution que sur un moteur 15 quatre cylindres quatre temps classique), - d'être auto équilibré car les masses en rotation sont en opposition de phase par rapport au centre de rotation, évitant ainsi tout déséquilibre et vibrations. En addition de la suppression de la zone de transfert permise 20 par la nouvelle configuration du moteur de l'invention, l'étanchéité est optimisée au moyen de : - segments circulaires et concentriques autour de la chemise flottante guidant le mouvement en translation du piston, entre rotor et stator, 25 - segments entre les pistons et chemises. Comme expliqué plus haut, le point faible des moteurs rotatifs est constitué par l'étanchéité des chambres, du fait de la forme complexe des pièces en mouvement. Dans le cas présent, les formes sont toutes cylindriques donc plus faciles à rendre étanches. 30 En outre, la chambre de combustion est dans le moteur de l'invention, rapportée dans la tête du piston ce qui supprime celle-ci au niveau de la zone d'allumage où est implantée la bougie et limite ainsi les pertes de compression qui existaient dans l'art antérieur. 35 Les concepts fondamentaux de l'invention venant d'être exposés ci-dessus dans leur forme la plus élémentaire, d'autres détails et caractéristiques ressortiront plus clairement à la lecture de la description qui suit et en regard des dessins annexés, donnant à 3041035 5 titre d'exemple non limitatif, un mode de réalisation d'un moteur conforme à l'invention. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS La figure 1 est un dessin schématique d'une vue de face en 5 coupe d'un mode de réalisation d'un moteur conforme à l'invention, La figure 2 est un dessin schématique d'une vue de côté en coupe du moteur de la figure 1, Les figures 3a à 3i illustrent le fonctionnement du moteur sur une révolution complète par huitième de tour. 10 DESCRIPTION DES MODES DE RÉALISATION PRÉFÉRÉS Tel qu'illustré sur les dessins des figures 1 et 2, le moteur thermique de l'invention référencé M dans son ensemble comprend un stator 100 accueillant un rotor 200 traversé transversalement à son axe de rotation A par un chemin 210 débouchant à ses deux extrémités 15 où se déplacent, dans un mouvement alternatif en translation, deux pistons 310 et 320. Le mouvement de translation de va et vient symétrique selon les doubles-flèches Fl et F2 desdits pistons est transformé dans un mouvement de rotation selon la flèche F3 par un vilebrequin 400 tournant et guidé en rotation dans ledit rotor 200 20 selon son axe de rotation, ledit vilebrequin 400 étant équipé d'un arbre coaxial 410 à son axe de rotation A. Selon l'invention, ce moteur M est remarquable en ce que ledit vilebrequin 400 et le rotor 200 adoptent la même vitesse de rotation mais un mouvement de rotation en sens inverse comme illustré par les 25 flèches F3 et F4. Selon le mode de réalisation préféré mais non limitatif illustré, le rotor 200 adopte une forme cylindrique usinée le long de son axe de rotation A, d'un alésage 220 permettant l'installation du vilebrequin 400, en partie centrale. 30 Perpendiculairement à l'axe de rotation A est réalisé un autre alésage cylindrique traversant également de part en part le rotor 200 et constituant ledit chemin 210 de déplacement des pistons cylindriques 310 et 320. Comme illustré sur le dessin de la figure 2, le rotor porte, sur 35 deux flancs, une couronne dentée 230 de grand diamètre dont la dentition est disposée à la partie interne de la couronne. Cette couronne 230 coopère avec le premier étage de transmission 510 d'un pignon intermédiaire 500 à deux étages dont le deuxième étage 520 3041035 6 vient coopérer avec un pignon 420 solidaire de l'arbre de rotation 410 du vilebrequin 400. Selon un mode de réalisation non illustré, le rotor porte, sur un seul flanc une couronne dentée de grand diamètre 230. 5 Selon le mode de réalisation illustré, le rotor 200 porte des chemises flottantes 240 et 250 assurant l'étanchéité de la chambre créée entre le piston, les surfaces internes de la chemise Le rotor 200 porte également des segments circulaires d'étanchéité de diamètre plus grand et disposés sur la surface du 10 rotor coaxialement autour de chaque extrémité de l'alésage réservé aux pistons. Selon un mode de réalisation préféré, le rotor 200 est réalisé en deux demi-parties symétriques afin de faciliter le montage de l'équipage mobile. Il est ensuite solidarisé tel qu'illustré. Selon 15 un mode de réalisation préféré, le plan de partition est constitué par le plan de symétrie verticale illustrée par l'axe vertical passant par l'axe des pistons en figure 2. Grâce à cette technique de fabrication, l'équipage mobile composé de deux pistons, les deux bielles, le vilebrequin et les deux chemises flottantes sont montés 20 assemblés dans le rotor. Les deux demi-rotors sont ensuite assemblés et solidarisés afin d'obtenir un ensemble rotor-équipage mobile qui est inséré dans le stator. Cette technique de construction simplifie les opérations de montage de l'équipage mobile dans le rotor sans utilisation d'outils ou de techniques complexes. 25 Selon le mode de réalisation illustré mais non limitatif, le vilebrequin 400 est réalisé d'une seule pièce. Il est constitué par un arbre de rotation portant deux manetons 430 et 440 disposés à cent quatre vingt degrés l'un de l'autre par rapport à l'axe de rotation A l'arbre de rotation 410 se prolonge de part et d'autre de 30 sa partie centrale supportant les manetons. La surface cylindrique de cet arbre de rotation 410 porte des roulements 411 et 412 qui viennent s'interposer à l'intérieur du rotor 200 entre la surface cylindrique interne de l'alésage 220 du rotor 200 et ladite surface cylindrique externe de l'arbre de rotation formant paliers latéraux 35 410 du vilebrequin 400. Comme illustrée, une des extrémités libres de l'arbre de rotation 410 débouche à l'extérieur du rotor 200 et porte ledit pignon 420. 3041035 7 Comme illustré, cet arbre de rotation 410 est en outre aménagé d'un conduit 413 permettant l'alimentation en lubrifiant du chemin de déplacement 210 des pistons 310 et 320. Selon le mode de réalisation illustré mais non limitatif, le 5 pignon intermédiaire 500 comporte deux étages dentés c'est-à-dire deux pignons concentriques 510 et 520 de diamètre différent et un arbre de rotation 530 commun aux deux pignons 510 et 520 et porté par le flasque 130 du stator 100. Afin que le mouvement de rotation du vilebrequin soit transmis au rotor et en sens inverse, le pignon 10 420 solidaire de l'arbre de rotation 410 du vilebrequin vient s'engrener avec le deuxième étage 520 du pignon intermédiaire 500 et le pignon du premier étage 510 vient s'engrener avec la couronne dentée 230 portée par le rotor 200. Le rapport du nombre de dents entre les deux étages 510 et 520 15 est calculé afin que le rotor 200 et le vilebrequin 400 tourne à la même vitesse de façon synchronisée. L'utilisation d'un pignon intermédiaire assure que les mouvements de rotation seront en sens inverse. Selon le mode de réalisation illustré mais non limitatif, les 20 deux pistons 310 et 320 sont montés à l'intérieur du rotor 200 et sont associés chacun à une bielle 330 et 340. Les deux pistons sont diamétralement opposés et unis aux manetons 440 et 430 du vilebrequin 400 par l'intermédiaire desdites bielles 330 et 340. La courbure de la tête des pistons 310 et 320 est égale au rayon de 25 courbure du rotor 200. Elle est évidée d'un certain volume correspondant à la chambre de combustion. Comme expliqué plus haut, une chemise flottante 240 et 250 est installée entre l'alésage 210 du rotor 200 et chaque piston 310 et 320. Ces chemises permettent de simplifier le montage et de 30 conserver l'étanchéité de la chambre de compression notamment en garantissant, par leur mobilité relative selon l'axe de déplacement des pistons, le contact avec le stator 100 du fait de la force centrifuge provoquée par la rotation. Selon le mode de réalisation illustré mais non limitatif, le 35 stator 100 est composé de 3 parties : - le bloc moteur 110 dont la partie centrale est alésée du diamètre du rotor 200, et - les deux flasques 120 et 130 qui ferment le stator. 3041035 8 Le bloc moteur 110 reçoit un orifice d'admission d'air, un filetage pour la bougie d'allumage et un orifice d'évacuation des gaz d'échappement. Ce bloc moteur est traversé par les conduits de refroidissement du moteur. 5 Les flasques ont une forme identique. Ils sont alésés dans la partie centrale pour recevoir l'extrémité de l'arbre de rotation du vilebrequin 410. Selon un mode de réalisation non illustré, le vilebrequin 400 tourne également au moyen de roulements intégrés aux flasques. 10 Les flasques du stator possèdent également un autre alésage qui porte l'arbre 530 du pignon intermédiaire 500. Cet alésage traverse le flasque et permet à une extrémité d'un des deux arbres 530 de sortir à l'extérieur du stator. Il constitue selon le mode de réalisation illustré un arbre moteur possible du moteur M. 15 Lors du montage, le rotor est calé de façon à ce que le piston soit en position point mort haut face à la bougie d'allumage B. Le fonctionnement du moteur M va maintenant être décrit en regard des figures 3a à 3i. Le rotor unique 200 tourne à l'intérieur du stator 100 en 20 utilisant les paliers latéraux 410 du vilebrequin 400 comme arbre de rotation selon l'axe A. Lors de la rotation du rotor 200 (flèche F4), le vilebrequin 400 est animé d'un mouvement de rotation dans le sens inverse (flèche F3) du rotor 200 par l'intermédiaire de l'ensemble pignon moteur 420, 25 pignon intermédiaire 500 et couronne 230. Lorsque le rotor 200 fait un tour complet (figure 3a à figure 3i) dans le sens des aiguilles d'une montre, le vilebrequin 400 réalise également un tour complet dans le sens inverse. Grâce à cette technique, les quatre temps du moteur sont réalisés sur un seul tour 30 de rotor. Ainsi, lorsque les pignons amorcent leur mouvement de translation en va-et-vient (double flèches Fl et F2), le vilebrequin amorce sa rotation dans un sens et le rotor sa rotation dans l'autre sens. Les pistons portés par le rotor passent alternativement dans 35 deux positions différentes sous l'effet conjugué et opposé du rotor et du vilebrequin : - un point mort-haut où le piston est presque en contact avec le stator et illustré par le dessin des figures 3a 3e et 3i, et 3041035 9 - un point mort-bas illustré par le dessin des figures 3c, 3g. Comme illustrés, lors d'une rotation de 360° du rotor 200 dans le stator 100, les pistons passent deux fois en position point mort-haut et deux fois en position point mort-bas. 5 Le montage proposé par le moteur de l'invention retrouve alors les quatre temps de moteur sur un seul tour de rotor. Plus précisément, en suivant le mouvement du piston 310 partant du point mort haut sur le dessin de la figure 3a et arrivant à la position point mort-bas illustrée par le dessin de la figure 3c, une 10 dépression apparaît dans l'espace ainsi créé. En passant de cette position point mort-bas à la position point mort-haut illustrée par le dessin de la figure 3e, la pression augmente dans l'espace créé. En plaçant de façon logique l'orifice d'admission OA et l'orifice 15 d'échappement 0E, la dépression provoque l'aspiration d'air ou de mélange par l'orifice d'admission. En plaçant de façon logique le dispositif d'allumage lorsque le piston est en compression maximum, on provoque l'explosion du mélange ce qui entraîne un mouvement de rotation du rotor et du vilebrequin. 20 Le piston 310 passe alors de la position point mort-haut à la position point mort-bas sous l'effet de la pression des gaz puis de nouveau en position point mort-haut ce qui permet l'évacuation des gaz brûlés par un orifice d'échappement logiquement placé. Ces quatre temps sont réalisés sur une seule rotation de 360°. Un 25 nouveau cycle peut reprendre. Comme le rotor porte deux pistons, deux cycles moteurs complets sont réalisés en même temps. La puissance motrice du moteur peut être prise sur le vilebrequin ou sur l'axe du pignon intermédiaire. 30 On comprend que le moteur, qui vient d'être ci-dessus décrit et représenté, l'a été en vue d'une divulgation plutôt que d'une limitation. Bien entendu, divers aménagements, modifications et améliorations pourront être apportés à l'exemple ci-dessus, sans pour autant sortir du cadre de l'invention. 35 Afin de permettre une meilleure compréhension des dessins, une liste des références avec leurs légendes est ci-après énumérée : M Moteur 100 stator 3041035 200 110 120,130 210 5 220 230 240, 250 310, 320 330, 340 10 400 410 411,412 420 430, 440 15 500 510 520 530 A 20 B OA OE 25 30 35 - 10 - bloc moteur flasques du stator rotor chemin de déplacement des pistons alésage axial couronne dentée chemises flottantes pistons bielles vilebrequin arbre de rotation/paliers latéraux roulements de guidage en rotation pignon moteur manetons pignon intermédiaire premier étage deuxième étage arbre de rotation axe de rotation bougie orifice d'admission orifice d'échappement REVENDICATIONS1. Moteur thermique (M) comprenant un stator (100) accueillant un rotor (200) traversé transversalement à son axe de rotation par un chemin (210) débouchant à ses deux extrémités où se déplace, dans 5 un mouvement alternatif en translation, au moins un piston (310 et 320), dans lequel le mouvement alternatif dudit piston est transformé dans un mouvement de rotation par un vilebrequin (400) indépendant tournant et guidé en rotation dans ledit rotor (200) selon son axe de rotation (A), ledit vilebrequin (400) étant équipé 10 d'un arbre (410) coaxial à son axe de rotation, CARACTÉRISÉ PAR LE FAIT QUE le rotor (200) est réalisé en deux parties identiques assemblées et est mu en mouvement selon la même vitesse et selon un sens inverse (flèche F4) au mouvement de rotation (flèche F3) dudit vilebrequin (400), 15 le rotor (200) présentant sur au moins un de ses flancs, une couronne dentée (230) coopérant avec le premier étage (510) de transmission d'un pignon intermédiaire (500) à deux étages dont le deuxième étage (520) vient coopérer avec un pignon dit moteur (420) solidaire de l'axe de rotation du vilebrequin (400). 20 2. Moteur (M) selon la revendication 1, CARACTÉRISÉ PAR LE FAIT QUE le vilebrequin (400) est équipé d'au moins un maneton (430, 440) entraîné en rotation par une première extrémité d'une bielle (330 et 340) dont la deuxième extrémité est articulée au piston (310 et 320). 25 3. Moteur (M) selon la revendication 1, CARACTÉRISÉ PAR LE FAIT QU'il comprend deux possibilités d'arbres moteurs : - sur le vilebrequin (410), - sur le pignon intermédiaire (530). 4. Moteur (M) selon la revendication 3, CARACTÉRISÉ PAR LE FAIT 30 QUE ledit arbre moteur est relié à un alternateur ou tout autre moyen susceptible de transformer le mouvement de rotation, en énergie électrique. 5. Moteur (M) selon la revendication 1, CARACTÉRISÉ PAR LE FAIT QU'il est symétrique et possède un système de transmission de chaque 35 coté du rotor (200) et du vilebrequin (400). 6. Moteur (M) selon la revendication 1, CARACTÉRISÉ PAR LE FAIT QUE deux pistons (310 et 320) se déplacent dans le chemin transversal (210) ménagé dans le rotor (200), le vilebrequin (400) 3041035 - 12 - étant alors équipé de deux manetons (430 et 440) disposés en opposition et reliés chacun à la première extrémité d'une bielle (330 et 340) dont la deuxième extrémité est articulée à un piston (310 et 320). 10 15 20 25 30 35