Patent CA-2923670-A1 (CA)
Inventor: ROUTIER THIERRY
IPC: F02B53/04
Filed: 2016-03-14
Abstract: This century marks the climax of an old war of propulsions, thermal versus electric, to conquer the means of transportation of the future. On one end, modem electric propulsion is already ahead regarding motor efficiency and specific power for a broad operating range (load-speed map) which would have defeated thermal propulsion if electric energy storage (batteries) had a commensurate level of performance in terms of specific power and specific energy. Unfortunately, the "ultimate" battery technology long promised that will one day allow high subsonic airplanes to cross oceans, and surface vehicles to have distance ranges rivaling with thermal propulsion at similar cost and convenience has yet to be invented. On the other end, thermal propulsion has no such energy storage limitation thanks to the tremendous specific power and energy that hydrocarbon fuels contain: Today, gasoline's specific energy remains over fifty times higher than state-of-the-art lithium batteries. In aerospace turbofan engines, design trend is fan upsize and core downsize to boost engine specific power and efficiency albeit at a rather narrow operating range and for manufacturing and operating costs that only airlines can afford. In more mainstream industries like automotive, thermal propulsion designers keep struggling with modest engine specific power and efficiency when compared to their electrical counterpart. To stand a chance in the long run, mainstream thermal propulsion needs improvement in efficiency and engine specific power, possibly in a broader operating range, at competitive manufacturing and operating costs.  Thermal efficiency gains are anticipated once combustion modes minimizing heat losses such as HCCI  will mature. Specific power will require the thermal engines to be more compact in order to spin faster, to have fewer moving parts for the sake of reliability, to possibly offer life lubrication, but most importantly, to be more dynamically balanced for higher speed operation while mitigating friction losses, noise, vibrations, emissions, and safety risks. In that prospect, rotary machines seem favored over conventional crankshaft-piston engines whose specific power reached a plateau over the last decades.  Increasing rotor speed implies that heat due to internal moving parts friction be kept under acceptable levels. Practically, if sliding vanes are to be used, they must be fully guided by low-friction rollers. The design speed of today's lubricated rollers is impressive. However, for most existing vane rotary designs having roller tracks fixed to the stator, the rotor shaft will never be able to spin as fast as the orbiting vane rollers can because the latter must spin many revolutions per rotor shaft revolution. The present invention proposes a type of vane rotary machine where vane radial inward and outward reciprocal motions are controlled by rollers racing on rotating circular eccentric tracks. High-speed precision bearings installed inside the stator flanges allow these roller tracks to revolve with the rotor in a synchronous marmer. All rollers connecting the vanes to the tracks rotate therefore at quite a lower speed than they would if the tracks were fixed to the stator. As a result, greater rotor speeds, thus higher engine specific power can be achieved, while maintaining satisfactory vane rollers operating life and engine time between overhaul.     Notre siècle marque l'apogée d'une vieille guerre des propulsions, thermique contre électrique, pour s'imposer dans les moyens de transport de l'avenir. D'un coté, la propulsion électrique moderne est kid en tête en termes de rendement et de puissance motrice spécifique sur une large plage de fonctionnement (courbes de charge-régime), ce qui aurait sonné le déclin de la propulsion thermique, si les moyens de stockage d'énergie électrique (batteries) avaient des performances comparables en termes de puissance et d'énergie spécifique. Malheureusement, la batterie "ultime" longtemps annoncée permettant un jour aux avions long courriers de traverser les océans, et aux véhicules de surface d'avoir une autonomie avec des coûts et une commodité comparables à celle de la propulsion thermique reste à inventer. D'un autre coté, le thermique regorge d'autonomie grâce à la puissance et à  l'énergie spécifiques incroyables que les carburants hydrocarbures contiennent : Aujourd'hui, l'énergie spécifique de l'essence ordinaire reste cinquante fois plus élevée que celle des meilleures piles au lithium. La tendance des réacteurs double-flux de l'aéronautique est à l'augmentation du taux de dilution et à la réduction de la taille du groupe turbocompresseur pour une amélioration substantielle du rendement et de la puissance motrice spécifique, en dépit d'une plage de fonctionnement optimum étroite et d'un coût d'opération seulement accessible aux compagnies aériennes. Dans les secteurs de volume, tels que l'automobile, Les ingénieurs thermiques doivent composer avec les rendements et les puissances spécifiques inferieures de leur motorisation comparée à celle de leurs homologues en génie électrique.  Pour rester dans la course, la propulsion thermique de volume doit améliorer rendement et puissance motrice spécifique, idéalement avec une plage de fonctionnement élargie tout en gardant les couts de production et de maintenance compétitifs. Des gains de rendement sont attendus une fois que les nouveaux modes de combustion minimisant les pertes thermiques tels que l'ACCH seront maitrisés.  Pour augmenter leur puissance spécifique, les moteurs thermiques n'auront d'autre choix que de rapetisser pour tourner plus vite, de réduire leur nombre de pièces mobiles pour une fiabilité accrue, d'être idéalement libérés des lubrifications répétitives, mais surtout, ils devront être davantage dynamiquement équilibrés pour pouvoir réduire les frottements, le bruit, les vibrations, la pollution atmosphérique et les risques d'accident à grande vitesse. Dans ce contexte, les machines rotatives semblent avantagées par rapport aux moteurs à pistons conventionnels dont la puissance spécifique stagne depuis les dernières décennies. Tourner plus vite implique que l'échauffement dû aux pertes par frottement des pièces mobiles internes reste à un niveau acceptable. En pratique, si des palettes sont utilisées, elles doivent être guidées par des rouleaux à frottement réduit. La vitesse limite des rouleaux disponibles aujourd'hui est impressionnante. Cependant, pour la plupart des systèmes rotatifs où les cames de roulage sont fixes dans le stator, l'arbre du rotor ne sera jamais capable de tourner aussi vite que les rouleaux des palettes car ces derniers doivent orbiter de plusieurs tours pour chaque tour de l'arbre rotor. La présente invention propose un type de machine rotative à palettes où leur mouvement radial de va-et-vient est contrôlé par des rouleaux guidés par des cames doubles circulaires, rotatives, et excentrées par rapport à l'arbre rotor. Des roulements de précision haute-vitesse permettent de synchroniser ces cames rotatives sur l'arbre rotor. Tous les rouleaux reliant les palettes à  ces cames tournent ainsi bien moins vite que si les cames étaient fixes dans le stator. En conséquence, des vitesses plus élevées sont permises pour l'arbre rotor, ce qui confère a la machine rotative une puissance spécifique accrue tout en maintenant la durabilité des rouleaux et les intervalles de maintenance à des niveaux satisfaisants.