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Machine à effet volumétrique à rotatif et moteur dérivé d'une telle machine.
L'invention concerne les machines à effet volumétrique à piston rotatif utilisables comme machines réceptrices (pompe ou compresseur) ou comme machine motrices (moteur hydraulique).
L'invention concerne également les moteurs thermiques dérivés de telles machines. Ces moteurs atteignant un taux de compression élevé sont particulièrement adaptés à un allumage par compression.
On connaît dans le domaine des pompes, des pompes à vide, des compresseurs et des moteurs hydrauliques, des machines à effet volumétrique à piston rotatif telles que, notamment, des pompes à palettes. Dans ces machines, le rotor est généralement excentré par rapport à la chambre du stator. Cette asymétrie entraîne une série d'effets mécaniques préjudiciables au bon fonctionnement et à la durée de vie de ces machines : perte mécanique, sollicitation des paliers, usure localisée des différents organes en contact.
Le volume minimum de la chambre étant généralement non-nul, le rapport volumétrique de ces machines connues est toujours limité. Par ailleurs, le volume des chambres dans lesquelles s'exerce l'effet volumétrique est limité par la géométrie des surfaces en contact.
Les moteurs thermiques classiques utilisent un cycle linéaire alternatif, transformé, via un système bielle-manivelle, en mouvement rotatif. Ce système bielle-manivelle, outre son encombrement, est une source d'inconvénients connus : inertie, vibrations, pertes mécaniques, qui influencent défavorablement le rendement mécanique global du moteur.
Les moteurs à piston rotatifs tels que le moteur
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WANKEL éliminent le système bielle-manivelle. Le moteur WANKEL se caractérise par un rotor en forme de came prismatique comportant un alésage à denture intérieure, un arbre excentré entraîné par cette denture intérieure, un stator cylindrique, dont la section, en substance réniforme, est profilée de façon à déterminer, en coopération avec le rotor, des chambres à volume variable.
En dépit de ses avantages intrinsèques, les moteurs du type WANKEL ne sont pas dépourvus d'inconvénients, parmi lesquels on peut citer l'excentricité du rotor et sa course complexe, source également de vibrations. Par ailleurs, la chambre de forme complexe réclame une mise au point délicate.
On a cherché dans la présente invention à résoudre les différents problèmes évoqués ci-dessus en développant une machine à piston rotatif dans laquelle les organes présentent des mouvements relatifs simples et limités, qui soit facile à fabriquer, d'un entretien aisé et qui atteignent des rendements énergétiques et mécaniques élevés.
Un objet de l'invention est une machine volumétrique à fluide comportant un carter enfermant un stator et un piston rotatif comprenant un rotor monté sur un arbre central. Cette'machine est caractérisée en ce que - le stator présente la forme d'un corps creux en cylindre de révolution - le rotor présente la forme d'un second cylindre de révolution, l'axe de ces cylindres de révolution coïncidant avec celui de l'arbre central, le premier et le second cylindre étant en contact à frottement hermétique, - le rotor comporte ménagées dans la face latérale du second cylindre de révolution, n cavités (n valant au moins un) s'étendant en longueur suivant un arc circulaire,
les extrémités longitudinales de ces cavités étant séparées les unes des autres par un arc de la face latérale du cylindre de base du rotor
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- le stator comporte n palettes mobiles, s'étendant dans un plan sécant parallèle à l'axe de l'arbre central ; l'extrémité de chacune de ces n palettes dirigée vers le rotor, dite extrémité d'attaque, présente une forme correspondant à la section transversale des cavités ménagées dans le rotor ; des moyens de rappel solidaires du stator agissant sur ces palettes de façon telle que l'extrémité d'attaque de chacune de ces n palettes s'applique de façon hermétique contre la section de chaque cavité du rotor ; n lumière d'admission et n lumières d'échappement débouchent de façon alternée dans chacun des n cavités.
Les lumières d'admission et les lumières d'échappement sont disposées de préférence sur le stator, de part et d'autre de chaque palette.
Dans une forme de réalisation, l'arbre est apte à être. relié à un organe moteur, de sorte que la machine agit comme une pompe à fluide.
Dans une autre forme de réalisation, chaque lumière d'admission est dotée de moyens de raccordement à un fluide sous pression, de sorte que la machine agit comme un moteur hydraulique.
L'invention a également pour objet une machine volumétrique à fluide comportant un carter enfermant un stator et un piston rotatif comprenant un rotor monté sur un arbre central. Cette machine est caractérisée en ce que - le stator présente la forme d'un corps creux en cylindre de révolution - le rotor présente la forme d'un second cylindre de révolution, l'axe de ces cylindres de révolution coïncidant avec celui de l'arbre central, le rotor et le stator étant en contact à frottement hermétique - le stator comporte, ménagées dans la face latérale du premier cylindre de révolution, n cavités (n valant au moins un) s'étendant en longueur suivant un arc circulaire, les extrémités longitudinales de ces cavités étant séparées les unes des autres par un arc de la face latérale du cylindre
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de base du stator ;
- le rotor comporte n palettes mobiles, s'étendant dans un plan sécant parallèle à l'axe de l'arbre central ; l'extrémité de chacune de ces n palettes dirigée vers le stator, dite extrémité d'attaque, présente une forme correspondant à la section transversale des cavités ménagées dans le stator ; des moyens de rappel solidaires du stator agissent sur ces palettes de façon telle que l'extrémité d'attaque de chacune de ces n palettes s'applique de façon hermétique contre la section de chaque cavité du stator - n lumières d'admission et de n lumières d'échappement débouchent de façon alternée dans chacune des n cavités.
Un autre objet de l'invention est un moteur thermique périodique caractérisé en ce qu'il comporte une machine volumétrique comme décrit ci-dessus dans laquelle le stator comporte - n moyens d'injection d'un fluide combustible disposés, par rapport au sens de rotation du rotor, en aval des n palettes - n moyens d'inflammation d'un mélange [carburant-comburant] sous pression disposés en aval de chaque lumière d'admission, les n lumières d'admission étant reliées chacune à un organe compresseur apte à délivrer un fluide comburant sous pression. suivant un mode de réalisation de ce moteur, les moyens d'inflammation du mélange [carburant-comburant] comprennent des bougies à étincelles.
Suivant un autre mode de réalisation, les moyens d'inflammation du mélange [carburant-comburant] sont réalisés par les conditions de température et de pression de ce mélange.
Dans ce cas, le moteur comporte avantageusement n bougies chauffantes.
De préférence, au moins la surface du rotor et des palettes mobiles du rotor stator est en matériau céramique.
Suivant un mode de réalisation préféré du moteur,
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l'organe de compression est constitué par un compresseur volumétrique comme décrit ci-dessus, monté sur le même arbre que le moteur, le fluide comburant étant délivré dans chacune des n cavités du moteur par une des n cavités correspondantes du compresseur volumétrique, les cycles de fonctionnement du compresseur et du moteur étant décalés dans le temps les uns par rapport aux autres de façon telle que les n cavités du compresseur délivrent le fluide comburant à la pression et au moment adéquats dans les n cavités correspondantes du moteur.
Le décalage dans le temps des cycles respectifs du moteur et du compresseur est réalisé avantageusement par un décalage angulaire (a) des organes respectifs par rapport à l'axe de l'arbre central.
Suivant un mode de réalisation avantageux les rotors respectifs forment un seul élément rotatif.
De préférence, les cavités du compresseur et les cavités du moteur sont mises en communication périodique par l'intermédiaire de lumières axiales.
Le moteur comporte avantageusement n chambres de stockage communiquant en alternance, à la position relative adéquate, avec une lumière d'évacuation du compresseur et avec une lumière d'admission correspondante du moteur.
Les n cavités présentent généralement une section transversale qui peut être sensiblement trapézoïdale ou sensiblement hémicirculaire.
Dans un mode de réalisation avantageux du point de vue de la maintenance, la surface intérieure du stator est composée d'au moins n segments angulaires maintenus par des moyens de positionnement ajustables dans le carter. Dans ce cas, les lumières d'échappement sont de préférence disposées entre les extrémités contiguës des n segments angulaires.
Tant dans son utilisation en machine volumétrique qu'en moteur thermique, la machine suivant l'invention offre une série d'avantages touchant à son fonctionnement simple,
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à son rendement mécanique et à son rendement énergétique élevés.
Tous les organes sont centrés sur le même axe, ce qui résout notamment les problèmes de vibrations et d'équilibrage propres à d'autres machines à piston rotatif.
La forme des chambres délimitées par les cavités permet d'obtenir au départ et à la fin de chaque cycle de compression ou de détente, un volume pratiquement égal à zéro, d'où la possibilité d'atteindre des taux de compression et des rendements beaucoup plus élevés que les machines classiques.
Les lumières de grandes dimensions abaissent les pertes de charge à l'admission et à l'échappement.
La machine utilisée comme moteur thermique permet de recourir à une grande variété de carburants : essence, fuel, huiles combustibles, gaz, alcool etc.
Suivant le mode de réalisation, on évite l'usage de soupapes et de leur dispositif d'actionnement (d'où simplification mécanique et disparition d'une source de dérèglement potentielle).
L'admission de combustible préalable à celle d'air comprimé dans les chambres du moteur permet une injection à relativement basse pression (quelques bars contre une centaine de bars dans le cas d'un moteur Diesel) d'où simplification importante du système d'injection ; on peut aussi obtenir une combustion à charge stratifiée maximale. On a ainsi la possibilité d'augmenter fortement le rapport air/carburant. En conséquence, la production d'imbrûlés est réduite, de même que la pollution.
Par ailleurs, l'usage de matériaux répondant à des techniques avancées tels que les matériaux céramiques permet de résoudre des problèmes qui auraient rendu antérieurement sa réalisation problématique.
D'autres particularités et avantages de l'invention ressortiront de la description ci-après de formes de réalisation particulières, références étant faites
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aux dessins, dans lesquels la Fig. 1 est une vue en perspective, avec arrachement, d'une machine volumétrique suivant l'invention comportant quatre chambres (n=4), la Fig. 2 est une vue en coupe suivant le plan II-II de la machine de la Fig. 1, les Figs. 3,4, 5,6 sont des vues schématiques en coupe, suivant un plan perpendiculaire à l'axe, du fonctionnement d'une machine comportant trois chambres, la Fig. 7 est une vue schématique en coupe suivant un plan perpendiculaire à l'axe d'un moteur à trois chambres suivant l'invention, la Fig. 8 reprend trois diagrammes angulaires des différentes phases d'un cycle moteur (sur un intervalle de 27r/n, la Fig.
9 est une vue en perspective d'une forme de réalisation d'un rotor du moteur, la Fig. 10 est une vue en coupe du stator d'une machine à trois chambres dans son carter, la Fig. 11 est une vue en perspective, avec arrachement, d'une autre forme de réalisation d'une machine à trois chambres suivant l'invention.
La Fig. 1 montre, en perspective, avec arrachement, l'ensemble [rotor-stator] d'une machine volumétrique suivant l'invention.
Le rotor 1 affecte, en substance, la forme d'un cylindre, dont l'axe est centré par rapport à celui de l'arbre 2. Le stator 3 (représenté en pointillé) a la forme d'un cylindre creux ; la surface intérieure de ce cylindre creux est en contact à frottement avec la surface latérale du rotor. Dans la surface latérale du rotor 1 sont ménagées des cavités 4 identiques s'étendant en longueur suivant un arc circulaire.
Le volume délimité par ces cavités 4 est fonction de leur extension axiale (à laquelle on se référera ci-après comme la"largeur"des cavités 4) et de leur profondeur
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(mesurée radialement à partir de la surface du cylindre-enveloppe). Cette profondeur vaut zéro à chaque extrémité longitudinale d'une cavité 4 ; elle varie sur toute la longueur de la cavité en fonction du"relief"du fond 5.
La surface latérale du cylindre du rotor 1, en contact avec la surface intérieure du stator 3, sépare hermétiquement les cavités 4 les unes par rapport aux autres et par rapport à l'atmosphère.
Sur la Fig. 1, quatre cavités 4 sont représentées, mais il ressortira de la description ci-après que le fonctionnement de la machine s'applique quel que soit le nombre de ces cavités 4. Dans la description ci-après, on parlera d'un nombre n de ces cavités 4 (n valant au moins 1).
Les extrémités longitudinales de ces cavités 4 sont séparées les unes des autres par une portion en arc 6 du cylindre de base (ci-après définie comme un "saillant"6).
La surface latérale intérieure du stator 3 comporte un nombre correspondant n de palettes 7 mobiles dans un plan, l'extrémité de chacune de ces palettes 7 dirigée vers l'arbre 2, dite extrémité d'attaque (8) a, comme on le voit mieux à la Fig. 2, une forme correspondant exactement à celle de'la section par un plan sécant parallèle à l'arbre 2 des cavités 4. Des moyens de rappel 9 (représentés de façon symbolique par une flèche) appliquent l'extrémité d'attaque 8 des palettes 7 contre la face latérale du rotor 1 ou contre le fond 5 de chaque cavité 4.
Suivant la position angulaire relative du rotor et du stator, l'extrémité d'attaque 8 de chaque palette 7 s'applique contre un des saillants 6 ou par son pourtour contre le fond 5 d'une cavité 4, partageant celle-ci au cours d'un cycle de 2 1T/n en deux "chambres" hermétiquement séparées 4a et 4b.
Une lumière d'admission 10 et une lumière
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d'éjection 11 débouchent respectivement en aval et en amont de chaque palette 7 (par rapport au sens de rotation du rotor).
Un cycle de fonctionnement de la machine sera décrit plus en détail en se référant aux Figs. 3 à 6, la machine fonctionnant, dans le cas décrit, comme une pompe ou un compresseur à fluide (le rotor 1 étant mis en rotation via l'arbre 2).
La Fig. 3 représente les positions relatives du rotor 1 et du stator 3 au début d'un cycle (t=To). A ce moment, chaque saillant 6 du rotor 1 est disposé en vis-à-vis d'une palette 7, repoussée dans son logement.
Une rotation du rotor 1 amène à la configuration de la Fig. 4 : chaque palette 7 mobile, suivant le relief du fond 5 de la cavité 4 correspondante, détermine dans celle-ci deux chambres distinctes 4a et 4b. La chambre 4a est en communication par la lumière 10 avec le fluide à pomper. La chambre 4b est quant à elle mise en communication avec la lumière d'éjection 11.
Les Figs. 5 et 6 montrent l'évolution progressive, en fonction de la rotation, des volumes respectifs des chambres 4a et 4b, délimitées chacune de part et d'autre de chaque palette mobile 7 par une portion de la cavité 4, la surface intérieure du stator 3 et un saillant 6. Le volume de la chambre 4b passe graduellement d'une valeur maximum (V4b=V4) à une valeur nulle (cfr Fig. 1), cependant que le volume de la chambre 4a passe, sur le même laps de temps, de zéro à V4a=V4. Une soupape ou un système anti-retour (non représentés) sont normalement montés en aval de la lumière d'éjection 10.
Le même principe s'applique au fonctionnement de la machine comme machine motrice. Dans ce cas, chaque lumière d'admission 10 est reliée à une alimentation de fluide sous pression (gaz ou liquide) et la lumière d'éjection 11 à un conduit sous pression atmosphérique ou sous pression réduite.
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La composante tangentielle de la force exercée par le fluide sur les parois de la chambre 4a force le rotor 1 à tourner, cependant que le fluide présent dans le volume 4b est simultanément éjecté vers l'extérieur.
Les lumières 10, 11 peuvent être radiales (comme représenté à la Fig. 1), tangentielles ou disposées d'une autre façon (elles peuvent notamment déboucher parallèlement à l'arbre 2).
Seule la périphérie du rotor joue un rôle actif dans le fonctionnement de la machine. Le noyau 12 du rotor a donc été allégé comme représenté, ce qui permet notamment de diminuer le poids et l'inertie de la machine ; le noyau 12 peut en outre être réalisé en un matériau différent de celui de la périphérie du rotor, ces deux parties étant soumises à des types de sollicitations très différents (résistance aux chocs thermiques et à l'usure pour la périphérie-résistance aux sollicitations mécaniques pour le noyau 12) d'où il résulte une utilisation plus rationnelle des matériaux et donc un prix de revient moindre pour la machine.
On a songé en outre à appliquer le cycle ci-dessus en substituant, à la détente d'un fluide sous pression, la combustion d'un mélange [carburant-comburant] dans chacune des cavités 4.
A la différence d'un moteur à piston rotatif classique, la machine telle que décrite ne présente bien sûr pas de cycle de compression. Pour être utilisable comme moteur, elle doit être combinée avec un dispositif compresseur compatible capable de lui délivrer un mélange [carburant-comburant] sous pression.
La Fig. 7 est une vue en coupe transversale d'un moteur thermique associant sur le même arbre deux ensembles [stator-rotor] à 3 cavités fonctionnant, l'un en "compresseur" (références 100 à 199), l'autre en organe "moteur" (références 200 à 299).
La position du rotor 101 et d'une des palettes
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107 de l'ensemble compresseur 100 est représentée en traits interrompus, le rotor 201 et une des palettes 207 de l'organe moteur 200 en trait plein. Les deux stators 103, 203 confondus, sont représentés seulement partiellement.
Les deux ensembles (compresseur-organe moteur) sont décalés angulairement, de façon à ce que la fin du cycle de compression coïncide avec le début de l'admission dans chaque cavité 204 de l'organe moteur 200.
Cette particularité est montrée à la Fig. 8a, où sont reportées, sur un premier diagramme, les alternances de volumes dans les chambres a, b de chaque cavité 104,204 en fonction des positions angulaires relatives des rotors et stators.
La courbe V104a correspond à l'admission d'air dans une des n chambres 104a du compresseur ; la courbe V104b à la compression jusqu'à une valeur théoriquement infinie d'un volume d'air V=Vl04. Le transfert de cet air comprimé s'effectue à un angle ss situé entre l'angle de décalage a et l'angle 2 r/n (n étant le nombre de chambres du compresseur 100 et de l'organe moteur 200) l'admission de carburant s'effectue dans un intervalle d'angle ss compris entre a et 2 v/n.
Comme on le voit à la Fig. 8, le volume (V204) des cavités 204 de l'organe moteur 200 peut être plus grand que celui (V104) des cavités 104 du compresseur 100.
Le profil des courbes représentées est bien sûr fonction du relief du fond 105,205 des cavités 104,204 dont la profondeur peut être calculée de façon à obtenir l'évolution du volume la plus avantageuse (en prenant en compte les sollicitations mécaniques et cinétiques auxquelles sont soumises les palettes 107,207 mobiles).
La Fig. 8b illustre une forme de réalisation du relief des cavités 104,204 correspondantes du rotor 101 et du rotor 201, développé suivant l'axe x. La profondeur (Ar) par rapport à la surface latérale du cylindre-enveloppe est portée sur l'axe y.
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La Fig. 8c montre grossièrement l'allure de la courbe P=f ( < ), dans le cas d'une combustion spontanée, dans chacune des n chambres 204a du moteur. Cette courbe diffère notablement de la courbe P/v d'un moteur classique.
Le transfert d'air comprimé s'effectue dans l'intervalle d'angle ss (a < ss < 2/n). La combustion commence avec la mise en contact de l'air comprimé à haute pression et du carburant présent dans la chambre 204 (portée à haute température). Cette combustion se prolonge au moins jusqu'à ce que le transfert soit complet (ss = 2 ln). La dilatation des gaz qui s'ensuit engendre un couple tendant à faire pivoter le rotor 201. Le volume V204a étant en phase ascendante, on observe un plateau dans la courbe de pression.
Les cavités 204 étant surdimensionnées par rapport aux cavités 104 du compresseur, la détente des gaz de combustion (pente très accentuée) est poursuivie pratiquement jusqu'à la pression ambiante.
Les palettes 107,207 mobiles ne sont, de préférence, pas disposées strictement dans un plan radial (passant par l'axe central du moteur) mais dans un plan sécant (parallèle à l'axe central du moteur). L'inclinaison de ces palettes 107,207 (dans le sens opposé à la rotation des rotors 101,201) est déterminée par des considérations mécaniques telles que les sollicitations en flexion des palettes 107,207.
Le taux de compression à l'admission sera corrigé d'un facteur tc, défini par le rapport entre le volume de la chambre du compresseur (V104b) au moment du transfert et celui de la chambre du moteur (V204a) à la fin du transfert.
Le transfert peut se faire par la mise en regard de lumières axiales ménagées dans les rotors 101 et 201 via une chicane de transfert 212 ménagée dans le stator commun 103-203.
La forme et la section des chicanes 212 sont aménagées en fonction de paramètres recherchés lors de
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l'injection d'air comprimé. On peut notamment obtenir un mélange homogène par un brassage vigoureux (air + essence) ou, au contraire, une stratification de la combustion (air + fuel). Une lumière axiale se prolongeant par un coude en L permet de prolonger l'injection d'air comprimé sur un intervalle d'angle important.
Dans le cas d'un moteur à allumage spontané, le mélange du carburant et de l'air comprimé dans la chambre 204a portée à haute température a pour conséquence une montée de pression très importante, dont une partie risque de remonter via les chicanes 212 vers les chambres 104 du compresseur.
En conséquence, on a prévu, comme montré aux Figs. 7 et 9, une chambre tampon 213 (représentée en pointillés à la Fig. 7) qui, suivant la rotation des rotors combinés 101-201, est mise en communication, en alternance, via deux chicanes distinctes, avec chaque volume V104b et chaque volume V204a.
En l'absence d'une telle chambre tampon 213, on doit tenir compte d'un certain effet de retour vers les chambres 104b du compresseur 100. Cet effet peut être minimisé en s'assurant, par une géométrie adéquate des cavités 104,204, que le rapport entre les surfaces actives des palettes 107 et 207 est faible au moment de la combustion.
Les rotors 101 et 201 peuvent être réalisés de façon monolithique mais on peut également prévoir deux organes distincts dont le décalage angulaire a peut être ajusté en fonction du régime.
Revenant à la Fig. 7, on peut suivre, en se référant au diagramme de la Fig. 8c, les différentes étapes des n cycles du moteur.
Un injecteur 214 est situé en aval de la palette 207 ; un carburant y est injecté à relativement basse pression : l'irruption par la lumière 210 d'un jet d'air comprimé à haute pression entraîne une réaction de
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combustion localisée au confluent de ces deux composants.
La section de la lumière 210 et sa position sont déterminées à la fois pour stabiliser l'effet de poussée et obtenir une combustion aussi complète que possible.
Les cycles de combustion se produisent simultanément dans les n chambres de combustion 204a, ce qui répartit les sollicitations mécaniques sur l'arbre 2.
L'usage de matériaux céramiques et/ou d'aciers spéciaux permet d'obtenir à la fois une bonne tenue aux sollicitations thermiques (importantes) engendrées dans le moteur et un coefficient de friction réduit entre les surfaces rotor-stator-palettes.
Il est possible, en fonction de la charge auquel le moteur est soumis, de faire varier le nombre de chambres 204a en service. A titre d'exemple, on peut mettre en service la totalité des cavités 204 pour le démarrage du moteur et pour sa montée en régime. Lorsque la puissance demandée diminue, un certain nombre de cavités 204 peuvent ensuite être mises hors-service par un dispositif de régulation approprié.
On notera également que le présent moteur, comme un moteur classique, peut être doté aussi bien d'une alimentation atmosphérique que d'une suralimentation.
La conception très simple du moteur n'exclut pas pour autant une gestion centralisée de différents paramètres (injection, allumage etc), ce qui permet d'en accroître encore le rendement.
La Fig. 10 montre une particularité de construction intéressante d'une machine suivant l'invention.
Le stator 203 est divisé ici en n segments angulaires 217 ajustables de façon fine les uns par rapport aux autres par des mécanismes d'ajustement 218 micrométriques (par exemple à fonctionnement hydraulique) incorporés dans le carter 219.
Le stator 203 peut ainsi être ajusté de façon très précise au diamètre du rotor 201, quelle que soit l'usure relative de ces deux éléments. La liaison entre deux segments 217 est
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réalisée au voisinage des palettes 207 de façon à limiter les problèmes de continuité. Ces liaisons sont de préférence disposées, pour limiter les problèmes d'étanchéité, à l'admission (lorsque la machine fonctionne en compresseur) et à l'échappement (lorsque la machine fonctionne en moteur).
Une particularité avantageuse du moteur tel que décrit réside dans la dissociation des chambres de compression et de combustion. Il est en effet possible, à l'aide d'un dispositif de régulation approprié, de dériver le flux d'air comprimé lorsque le moteur est soumis à un ralentissement. En cas notamment de freinage d'un véhicule équipé du moteur suivant l'invention, on dispose donc d'un frein moteur très puissant, l'air comprimé par le compresseur pouvant être expulsé vers un dispositif d'échappement étranglé ou vers un réservoir sous pression (ce qui permet la récupération d'une partie de l'énergie due au freinage).
La Fig. 11 est une vue en perspective avec arrachement d'un mode de réalisation d'une machine 300 dans lequel on a inversé les particularités respectives du rotor et du stator.
Dans ce cas, les cavités 304 et les saillants 305 sont disposés dans le stator 303.
Les palettes 307 sont logées dans le rotor 301, où elles bénéficient de la force centrifuge, venant en appoint des moyens de rappel 309, pour assurer l'étanchéité du contact rotor-stator.
Dans ce mode de réalisation, tout comme dans les modes de réalisation précédents, l'échappement et/ou l'admission peuvent être placés au choix sur le rotor ou sur le stator.
Il va de soi que dans les modes de réalisation ci-dessus, l'on peut renforcer l'herméticité du contact rotor-stator par l'adjonction de segments d'étanchéité disposés périphériquement de part et d'autre de l'organe
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(rotor ou stator) comportant les cavités 4 et/ou s'étendant axialement sur les saillants 6.
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Machine with rotary volumetric effect and motor derived from such a machine.
The invention relates to machines with a rotary piston volumetric effect that can be used as receiving machines (pump or compressor) or as driving machine (hydraulic motor).
The invention also relates to heat engines derived from such machines. These engines achieving a high compression ratio are particularly suitable for compression ignition.
Known in the field of pumps, vacuum pumps, compressors and hydraulic motors, volumetric rotary piston machines such as, in particular, vane pumps. In these machines, the rotor is generally eccentric with respect to the stator chamber. This asymmetry leads to a series of mechanical effects detrimental to the proper functioning and life of these machines: mechanical loss, bearing stress, localized wear of the various organs in contact.
The minimum volume of the chamber being generally non-zero, the volumetric ratio of these known machines is always limited. Furthermore, the volume of the chambers in which the volumetric effect is exerted is limited by the geometry of the surfaces in contact.
Conventional heat engines use an alternating linear cycle, transformed, via a connecting rod-crank system, into rotary movement. This rod-crank system, in addition to its size, is a source of known drawbacks: inertia, vibrations, mechanical losses, which adversely affect the overall mechanical performance of the engine.
Rotary piston engines such as the engine
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WANKEL eliminate the connecting rod-crank system. The WANKEL motor is characterized by a rotor in the shape of a prismatic cam comprising a bore with internal toothing, an eccentric shaft driven by this internal toothing, a cylindrical stator, the cross section of which, substantially reniform, is profiled so as to determine, in cooperation with the rotor, variable volume chambers.
Despite its intrinsic advantages, engines of the WANKEL type are not without drawbacks, among which we can cite the eccentricity of the rotor and its complex stroke, also a source of vibration. In addition, the chamber of complex shape requires a delicate development.
We sought in the present invention to solve the various problems mentioned above by developing a rotary piston machine in which the members have simple and limited relative movements, which is easy to manufacture, easy to maintain and which reach high energy and mechanical yields.
An object of the invention is a volumetric fluid machine comprising a casing enclosing a stator and a rotary piston comprising a rotor mounted on a central shaft. Ce'machine is characterized in that - the stator has the shape of a hollow body in cylinder of revolution - the rotor has the shape of a second cylinder of revolution, the axis of these cylinders of revolution coinciding with that of l 'central shaft, the first and the second cylinder being in hermetic friction contact, - the rotor comprises formed in the lateral face of the second cylinder of revolution, n cavities (n being at least one) extending in length along a circular arc ,
the longitudinal ends of these cavities being separated from each other by an arc of the lateral face of the base cylinder of the rotor
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- The stator has n movable vanes, extending in a secant plane parallel to the axis of the central shaft; the end of each of these n pallets directed towards the rotor, called the leading end, has a shape corresponding to the cross section of the cavities formed in the rotor; return means integral with the stator acting on these vanes so that the leading end of each of these n vanes is applied hermetically against the section of each cavity of the rotor; n intake and n exhaust ports open alternately in each of the n cavities.
The intake lights and the exhaust lights are preferably arranged on the stator, on either side of each pallet.
In one embodiment, the tree is able to be. connected to a drive member, so that the machine acts as a fluid pump.
In another embodiment, each intake lumen is provided with means for connection to a pressurized fluid, so that the machine acts as a hydraulic motor.
The invention also relates to a volumetric fluid machine comprising a casing enclosing a stator and a rotary piston comprising a rotor mounted on a central shaft. This machine is characterized in that - the stator has the shape of a hollow body in cylinder of revolution - the rotor has the shape of a second cylinder of revolution, the axis of these cylinders of revolution coinciding with that of central shaft, the rotor and the stator being in hermetic friction contact - the stator comprises, formed in the lateral face of the first cylinder of revolution, n cavities (n being at least one) extending in length along a circular arc, the longitudinal ends of these cavities being separated from each other by an arc of the lateral face of the cylinder
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stator base;
- The rotor has n movable vanes, extending in a secant plane parallel to the axis of the central shaft; the end of each of these n pallets directed towards the stator, called the leading end, has a shape corresponding to the cross section of the cavities formed in the stator; return means integral with the stator act on these pallets so that the leading end of each of these n pallets is applied hermetically against the section of each cavity of the stator - n intake and n ports exhaust lights open alternately in each of the n cavities.
Another object of the invention is a periodic heat engine characterized in that it comprises a volumetric machine as described above in which the stator comprises - n means for injecting a combustible fluid arranged, relative to the direction of rotation of the rotor, downstream of the n pallets - n means for igniting a pressurized fuel-oxidizer mixture disposed downstream of each intake port, the n intake ports each being connected to a suitable compressor member to deliver an oxidizing fluid under pressure. according to one embodiment of this engine, the means for igniting the [fuel-oxidizer] mixture include spark plugs.
According to another embodiment, the means for igniting the [fuel-oxidant] mixture are produced by the temperature and pressure conditions of this mixture.
In this case, the engine advantageously comprises n heating plugs.
Preferably, at least the surface of the rotor and of the movable vanes of the stator rotor is made of ceramic material.
According to a preferred embodiment of the engine,
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the compression member is constituted by a positive displacement compressor as described above, mounted on the same shaft as the engine, the oxidizing fluid being supplied in each of the n cavities of the engine by one of the corresponding corresponding cavities of the positive displacement compressor, the cycles of operation of the compressor and of the engine being shifted in time with respect to each other so that the n cavities of the compressor deliver the oxidizing fluid at the appropriate pressure and time into the corresponding n cavities of the engine.
The time shift of the respective cycles of the engine and of the compressor is advantageously achieved by an angular shift (a) of the respective members with respect to the axis of the central shaft.
According to an advantageous embodiment, the respective rotors form a single rotary element.
Preferably, the compressor cavities and the motor cavities are brought into periodic communication by means of axial lights.
The engine advantageously comprises n storage chambers communicating alternately, in the appropriate relative position, with a discharge light from the compressor and with a corresponding intake light from the engine.
The n cavities generally have a cross section which can be substantially trapezoidal or substantially semi-circular.
In an advantageous embodiment from the point of view of maintenance, the internal surface of the stator is composed of at least n angular segments maintained by adjustable positioning means in the casing. In this case, the exhaust ports are preferably arranged between the contiguous ends of the n angular segments.
Both in its use as a volumetric machine and in an internal combustion engine, the machine according to the invention offers a series of advantages relating to its simple operation,
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to its high mechanical efficiency and energy efficiency.
All the members are centered on the same axis, which in particular solves the vibration and balancing problems specific to other rotary piston machines.
The shape of the chambers delimited by the cavities makes it possible to obtain, at the start and at the end of each compression or expansion cycle, a volume practically equal to zero, hence the possibility of achieving much compression rates and yields. higher than conventional machines.
The large lights lower the pressure losses at the intake and at the exhaust.
The machine used as a heat engine makes it possible to use a wide variety of fuels: gasoline, fuel oil, combustible oils, gas, alcohol etc.
According to the embodiment, the use of valves and their actuation device is avoided (hence mechanical simplification and disappearance of a potential source of imbalance).
The admission of fuel prior to that of compressed air in the engine chambers allows injection at relatively low pressure (a few bars against a hundred bars in the case of a diesel engine), hence significant simplification of the system. injection; it is also possible to obtain combustion at maximum stratified charge. There is thus the possibility of greatly increasing the air / fuel ratio. As a result, the production of unburnt materials is reduced, as is pollution.
Furthermore, the use of materials responding to advanced techniques such as ceramic materials makes it possible to solve problems which would have previously made its realization problematic.
Other particularities and advantages of the invention will emerge from the following description of particular embodiments, references being made
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in the drawings, in which FIG. 1 is a perspective view, with parts broken away, of a volumetric machine according to the invention comprising four chambers (n = 4), FIG. 2 is a sectional view along the plane II-II of the machine of FIG. 1, Figs. 3,4, 5,6 are schematic sectional views, along a plane perpendicular to the axis, of the operation of a machine comprising three chambers, FIG. 7 is a schematic sectional view along a plane perpendicular to the axis of a three-chamber engine according to the invention, FIG. 8 shows three angular diagrams of the different phases of an engine cycle (over an interval of 27r / n, FIG.
9 is a perspective view of an embodiment of a motor rotor, FIG. 10 is a sectional view of the stator of a three-chamber machine in its casing, FIG. 11 is a perspective view, with parts broken away, of another embodiment of a three-chamber machine according to the invention.
Fig. 1 shows, in perspective, with cutaway, the assembly [rotor-stator] of a volumetric machine according to the invention.
The rotor 1 essentially takes the form of a cylinder, the axis of which is centered with respect to that of the shaft 2. The stator 3 (shown in dotted lines) has the shape of a hollow cylinder; the inner surface of this hollow cylinder is in frictional contact with the lateral surface of the rotor. In the lateral surface of the rotor 1 are formed identical cavities 4 extending in length along a circular arc.
The volume delimited by these cavities 4 is a function of their axial extension (which will be referred to below as the "width" of the cavities 4) and their depth
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(measured radially from the surface of the cylinder-envelope). This depth is equal to zero at each longitudinal end of a cavity 4; it varies over the entire length of the cavity as a function of the "relief" of the bottom 5.
The lateral surface of the cylinder of the rotor 1, in contact with the internal surface of the stator 3, hermetically separates the cavities 4 from one another and from the atmosphere.
In Fig. 1, four cavities 4 are shown, but it will appear from the description below that the operation of the machine applies regardless of the number of these cavities 4. In the description below, we will speak of a number n of these cavities 4 (n being at least 1).
The longitudinal ends of these cavities 4 are separated from each other by an arc portion 6 of the base cylinder (hereinafter defined as a "protruding" 6).
The internal lateral surface of the stator 3 has a corresponding number n of vanes 7 movable in a plane, the end of each of these vanes 7 directed towards the shaft 2, called the leading end (8) a, as can be seen better in Fig. 2, a shape corresponding exactly to that of the section by a secant plane parallel to the shaft 2 of the cavities 4. Return means 9 (symbolically represented by an arrow) apply the leading end 8 of the pallets 7 against the lateral face of the rotor 1 or against the bottom 5 of each cavity 4.
According to the relative angular position of the rotor and the stator, the leading end 8 of each pallet 7 is applied against one of the projections 6 or by its periphery against the bottom 5 of a cavity 4, sharing the latter during of a cycle of 2 1T / n into two hermetically separated "chambers" 4a and 4b.
An inlet light 10 and a light
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ejection 11 open respectively downstream and upstream of each pallet 7 (relative to the direction of rotation of the rotor).
A machine operating cycle will be described in more detail with reference to Figs. 3 to 6, the machine operating, in the case described, as a pump or a fluid compressor (the rotor 1 being rotated via the shaft 2).
Fig. 3 represents the relative positions of the rotor 1 and the stator 3 at the start of a cycle (t = To). At this time, each projection 6 of the rotor 1 is disposed opposite a pallet 7, pushed back into its housing.
A rotation of the rotor 1 leads to the configuration of FIG. 4: each movable pallet 7, according to the relief of the bottom 5 of the corresponding cavity 4, determines therein two separate chambers 4a and 4b. The chamber 4a is in communication by the light 10 with the fluid to be pumped. The chamber 4b is in turn placed in communication with the ejection light 11.
Figs. 5 and 6 show the progressive evolution, as a function of the rotation, of the respective volumes of the chambers 4a and 4b, each delimited on either side of each movable pallet 7 by a portion of the cavity 4, the internal surface of the stator 3 and a salient 6. The volume of the chamber 4b gradually changes from a maximum value (V4b = V4) to a zero value (cf. Fig. 1), while the volume of the chamber 4a passes, over the same period of time, from zero to V4a = V4. A non-return valve or system (not shown) is normally mounted downstream of the ejection lumen 10.
The same principle applies to the operation of the machine as a motive machine. In this case, each inlet light 10 is connected to a supply of pressurized fluid (gas or liquid) and the ejection light 11 to a duct under atmospheric pressure or under reduced pressure.
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The tangential component of the force exerted by the fluid on the walls of the chamber 4a forces the rotor 1 to rotate, while the fluid present in the volume 4b is simultaneously ejected outward.
The openings 10, 11 can be radial (as shown in FIG. 1), tangential or otherwise arranged (they can in particular open out parallel to the shaft 2).
Only the periphery of the rotor plays an active role in the operation of the machine. The core 12 of the rotor has therefore been lightened as shown, which in particular makes it possible to reduce the weight and the inertia of the machine; the core 12 can also be made of a material different from that of the periphery of the rotor, these two parts being subjected to very different types of stress (resistance to thermal shock and wear for the periphery-resistance to mechanical stress for the core 12) from which it results in a more rational use of the materials and therefore a lower cost price for the machine.
Consideration has also been given to applying the above cycle by substituting, for the expansion of a pressurized fluid, the combustion of a [fuel-oxidant] mixture in each of the cavities 4.
Unlike a conventional rotary piston engine, the machine as described of course does not have a compression cycle. To be usable as an engine, it must be combined with a compatible compressor device capable of delivering it a mixture [fuel-oxidizer] under pressure.
Fig. 7 is a cross-sectional view of a heat engine combining on the same shaft two sets [stator-rotor] with 3 cavities operating, one as a "compressor" (references 100 to 199), the other as a "motor" member "(references 200 to 299).
The position of rotor 101 and one of the paddles
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107 of the compressor assembly 100 is shown in dashed lines, the rotor 201 and one of the vanes 207 of the drive member 200 in solid lines. The two stators 103, 203 combined, are shown only partially.
The two assemblies (compressor-drive member) are angularly offset, so that the end of the compression cycle coincides with the start of admission into each cavity 204 of the drive member 200.
This feature is shown in Fig. 8a, where are plotted, on a first diagram, the alternating volumes in the chambers a, b of each cavity 104, 204 as a function of the relative angular positions of the rotors and stators.
The curve V104a corresponds to the admission of air into one of the n chambers 104a of the compressor; the curve V104b at compression to a theoretically infinite value of an air volume V = Vl04. The transfer of this compressed air takes place at an angle ss located between the offset angle a and the angle 2 r / n (n being the number of chambers of the compressor 100 and of the drive member 200) the intake of fuel takes place in an angle interval ss between a and 2 v / n.
As seen in Fig. 8, the volume (V204) of the cavities 204 of the drive member 200 may be greater than that (V104) of the cavities 104 of the compressor 100.
The profile of the curves shown is of course a function of the relief of the bottom 105.205 of the cavities 104.204, the depth of which can be calculated so as to obtain the most advantageous change in volume (taking into account the mechanical and kinetic stresses to which the pallets are subjected 107,207 mobiles).
Fig. 8b illustrates an embodiment of the relief of the corresponding cavities 104, 204 of the rotor 101 and of the rotor 201, developed along the axis x. The depth (Ar) relative to the lateral surface of the cylinder-envelope is carried on the y axis.
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Fig. 8c roughly shows the shape of the curve P = f (<), in the case of spontaneous combustion, in each of the n chambers 204a of the engine. This curve differs significantly from the P / v curve of a conventional engine.
The compressed air transfer takes place in the angle interval ss (a <ss <2 / n). Combustion begins with the contact of the high pressure compressed air and the fuel present in the chamber 204 (brought to high temperature). This combustion continues at least until the transfer is complete (ss = 2 ln). The gas expansion which follows generates a torque tending to rotate the rotor 201. The volume V204a being in the ascending phase, a plateau is observed in the pressure curve.
The cavities 204 being oversized with respect to the cavities 104 of the compressor, the expansion of the combustion gases (very steep slope) is continued practically until ambient pressure.
The movable pallets 107, 207 are preferably not arranged strictly in a radial plane (passing through the central axis of the engine) but in a secant plane (parallel to the central axis of the engine). The inclination of these pallets 107,207 (in the opposite direction to the rotation of the rotors 101,201) is determined by mechanical considerations such as the flexural stresses of the pallets 107,207.
The compression ratio at the intake will be corrected by a factor tc, defined by the ratio between the volume of the compressor chamber (V104b) at the time of transfer and that of the engine chamber (V204a) at the end of the transfer .
The transfer can be carried out by placing axial lights in the rotors 101 and 201 opposite via a transfer baffle 212 formed in the common stator 103-203.
The shape and section of the baffles 212 are arranged according to parameters sought during
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injection of compressed air. One can in particular obtain a homogeneous mixture by vigorous stirring (air + gasoline) or, on the contrary, a stratification of the combustion (air + fuel). An axial lumen extending by an L-shaped bend makes it possible to extend the injection of compressed air over a large angle interval.
In the case of a spontaneous ignition engine, the mixture of fuel and compressed air in the chamber 204a brought to high temperature results in a very significant pressure rise, some of which is likely to rise via the baffles 212 towards the compressor chambers 104.
Accordingly, provision has been made, as shown in Figs. 7 and 9, a buffer chamber 213 (shown in dotted lines in FIG. 7) which, according to the rotation of the combined rotors 101-201, is placed in communication, alternately, via two separate baffles, with each volume V104b and each volume V204a.
In the absence of such a buffer chamber 213, account must be taken of a certain return effect towards the chambers 104b of the compressor 100. This effect can be minimized by ensuring, by an adequate geometry of the cavities 104, 204, that the ratio between the active surfaces of the pallets 107 and 207 is low at the time of combustion.
The rotors 101 and 201 can be produced in a monolithic manner, but two separate members can also be provided, the angular offset a of which can be adjusted according to the speed.
Returning to FIG. 7, we can follow, referring to the diagram in FIG. 8c, the different stages of the n engine cycles.
An injector 214 is located downstream of the pallet 207; a fuel is injected therein at relatively low pressure: the burst by the light 210 of a jet of compressed air at high pressure causes a reaction of
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localized combustion at the confluence of these two components.
The section of the light 210 and its position are determined both to stabilize the thrust effect and to obtain combustion as complete as possible.
The combustion cycles occur simultaneously in the n combustion chambers 204a, which distributes the mechanical stresses on the shaft 2.
The use of ceramic materials and / or special steels makes it possible to obtain both good resistance to the (high) thermal stresses generated in the motor and a reduced coefficient of friction between the rotor-stator-pallet surfaces.
It is possible, depending on the load to which the engine is subjected, to vary the number of chambers 204a in service. For example, all of the cavities 204 can be put into service for starting the engine and for revving it. When the requested power decreases, a certain number of cavities 204 can then be put out of service by an appropriate regulating device.
It will also be noted that the present engine, like a conventional engine, can be provided with both an atmospheric supply and a supercharging.
The very simple design of the engine does not preclude centralized management of different parameters (injection, ignition, etc.), which further improves performance.
Fig. 10 shows an interesting construction feature of a machine according to the invention.
The stator 203 is divided here into n angular segments 217 which can be finely adjusted with respect to each other by micrometric adjustment mechanisms 218 (for example with hydraulic operation) incorporated in the casing 219.
The stator 203 can thus be very precisely adjusted to the diameter of the rotor 201, whatever the relative wear of these two elements. The link between two segments 217 is
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carried out in the vicinity of the pallets 207 so as to limit the problems of continuity. These connections are preferably arranged, to limit the sealing problems, at the intake (when the machine operates as a compressor) and at the exhaust (when the machine operates as an engine).
An advantageous feature of the engine as described lies in the dissociation of the compression and combustion chambers. It is indeed possible, with the aid of an appropriate regulation device, to divert the flow of compressed air when the engine is subjected to a deceleration. In particular in the event of braking of a vehicle equipped with the engine according to the invention, there is therefore a very powerful engine brake, the air compressed by the compressor being able to be expelled towards a throttled exhaust device or towards a tank under pressure (which allows the recovery of part of the energy due to braking).
Fig. 11 is a cutaway perspective view of an embodiment of a machine 300 in which the respective features of the rotor and the stator have been reversed.
In this case, the cavities 304 and the projections 305 are arranged in the stator 303.
The pallets 307 are housed in the rotor 301, where they benefit from centrifugal force, in addition to the return means 309, to seal the rotor-stator contact.
In this embodiment, as in the previous embodiments, the exhaust and / or the intake can be placed as desired on the rotor or on the stator.
It goes without saying that in the above embodiments, the hermeticity of the rotor-stator contact can be reinforced by the addition of sealing segments disposed peripherally on either side of the member.
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(rotor or stator) comprising the cavities 4 and / or extending axially on the projections 6.