FR3034810A1 - Dispositif pour assurer l’etancheite pour les moteurs et pompes a piston rotatif - Google Patents

Abstract

L'étanchéité est un problème majeur pour les moteurs à piston rotatif. La solution présentée consiste à arrondir les pointes du piston et à utiliser des segments arrondis de manière à ce que leur déformation participe à une meilleure étanchéité et à la compensation de leur usure.

Description

1 Le présent document est relatif aux problèmes d'étanchéité rencontrés avec les moteurs rotatifs et les pompes basées sur les mêmes principes de fonctionnement. Pour simplifier l'écriture, on dira moteur, mais il faudra comprendre 5 moteur ou pompe basée sur les mêmes principes de fonctionnement. Ces moteurs rotatifs, par exemple, les moteurs de type Wankel, sont connus pour présenter une insuffisance de l'étanchéité au niveau du piston rotatif. Dans les moteurs à pistons classiques, l'étanchéité entre le piston 10 et le cylindre est assurée par des segments (4 en général). Ils sont réalisés avec un matériau deformable, élastique, sont comprimés pour pouvoir être montés dans des gorges autour du piston. C'est leur élasticité qui les plaque sur la paroi du cylindre pour épouser sa forme, et compense leur usure. Il s'agit de reprendre cette idée, dans le cadre du moteur rotatif. 15 Pour les moteurs rotatifs actuels (avant les transformations qui vont suivre), à chaque pointe du piston, l'intersection de 2 bords est pointue (leurs tangentes fait un angle), et l'arête latérale est rectiligne et verticale. Après certaines transformations que l'on verra, les arêtes seront arrondies, c'est-à-dire que les bords seront raccordés au moyen d'un ou plusieurs arcs de 20 courbes. Dans les dispositifs connus à ce jour, l'étanchéité du piston au niveau de chaque pointe est obtenue par un segment, qui a une forme allongée le long de l'arête, de longueur égale à l'épaisseur e du piston. L'un des 2 cotés longs du segment, à l'extérieur du piston, assure l'étanchéité avec le bloc- 25 moteur, on l'appellera coté extérieur du segment, les 2 petits cotés assurent l'étanchéité avec les parois latérales du bloc-moteur, on les appellera extrémités du segment, et le 2ème coté long, à l'intérieur de la gorge sera appelé coté intérieur. Au niveau de chaque bord incurvé de chaque face du piston se 30 trouve également un segment, incurvé qui suit le bord du piston. Le piston tourne à l'intérieur du bloc moteur. On appelle paroi extérieure de ce bloc-moteur, la paroi en contact avec le coté extérieur des segments portés par les pointes, et parois latérales du bloc-moteur les 2 côtés de ce bloc-moteur, perpendiculaires à delta. 35 Pour donner un exemple, dans la solution retenue pour le moteur Wankel industrialisé par Mazda, le segment est un rectangle plat, logé dans 3034810 2 une gorge le long de l'arête, la longueur est là fois la largeur, et le segment est poussé vers l'extérieur par un cylindre en matériau élastique situé au fond de la gorge, qui exerce une pression sur le segment, vers l'extérieur. Cette solution n'assure pas une étanchéité satisfaisante pour au 5 moins 3 raisons : 1) il n'y a qu'un segment sur l'arête, il est étroit et pointu. Or, il faudrait plutôt un segment large, et de préférence, plusieurs segments côte à côte. 2) Le côté extérieur du segment assure l'étanchéité le long de l'arête, et 10 ses extrémités, l'étanchéité avec les faces latérales du bloc-moteur. Or, il n'y a aucun moyen de compenser l'usure de ces extrémités du segment. 3) Le cylindre en matériau souple a une élasticité qui décroit dans le temps. 15 Le dispositif présenté ici permet d'obtenir une étanchéité plus performante. Le moteur ou pompe dont il est question ici comporte une chambre dans laquelle est disposée au moins un élément mobile en rotation autour d'un axe (A), l'élément mobile comportant aux moins deux extrémités de forme 20 convexe , chaque extrémité étant à l'intersection de deux parois latérales de l'élément mobile, les parois latérales comportant chacune une arête supérieure et une arête inférieure, les extrémités de l'élément mobile étant arrondies de manière à ce que, pour chaque paroi latérale, un joint d'étanchéité unique est disposé le long de l'arête supérieure de la paroi latérale, le long d'une portion 25 de l'extrémité correspondante et le long de l'arête inférieure de la paroi latérale. Avantageusement, l'élément mobile est un piston rotatif. Avantageusement, le moteur ou pompe comporte au moins deux éléments rotatifs auxiliaires formant les éléments mobiles. Avantageusement, le joint est deformable. 30 Avantageusement, le joint comporte des moyens élastiques tels qu'un ressort. Avantageusement, dans une coupe selon un plan de coupe horizontal PH perpendiculaire à l'axe (A) de l'élément qui porte le joint, l'extrémité de l'élément mobile présente une section de forme arrondie. 35 Avantageusement, la forme arrondie de la section de l'extrémité de l'élément mobile diffère selon la hauteur du plan de coupe PH. 3034810 3 Avantageusement, dans une coupe selon un plan de coupe vertical PV contenant l'axe de rotation de l'élément mobile (A), au moins les parties supérieure et inférieure de l'extrémité de l'élément mobile, présentent une forme arrondie.

Avantageusement, dans une coupe selon un plan de coupe horizontal PH perpendiculaire à l'axe (A) de l'élément qui porte le joint, lorsque l'on déplace progressivement ce plan le long de (A), cette coupe subit une rotation fonction du déplacement. L'exemple ci-dessous permettra de mieux comprendre le dispositif.

La figure 17 montre une extrémité de piston avec des segments selon la méthode classique. La figure 18 montre une extrémité de piston arrondie avec un joint d'étanchéité unique. La figure 1 montre une coupe PH du piston principal et les galets 15 d'un moteur à galets avant transformation. La figure 2 est un agrandissement d'une partie de la figure 1 autour d'une des pointes : Ql, au niveau du galet G6. La figure 3 représente le piston vu de face (coupe B), de profil, et de dessus (coupe A) 20 Les figures 4, 5, 6 et 7 représentent le piston avec des pointes tronquées. Les figures 8 à 11 représentent le piston avec des pointes arrondies. La figure 12 reprend la figure 3 avec le même piston dont on a 25 modifié l'arête selon la figure 8. La figure 13 reprend la figure 12, mais l'élargissement est de plus en plus large lorsque le plan de coupe s'éloigne de O. La figure 14 reprend la figure 3 avec le même piston dont on a modifié l'arête dans un plan PV. 30 La figure 15 reprend la figure 3 avec le même piston dont on a modifié l'arête, qui prend une forme hélicoïdale. La figure 16 reprend la vue de gauche de la figure 15, avec la différence venant du fait que l'angle de rotation 0 n'est plus proportionnel à z. La figure 17 montre une extrémité de piston avec des segments 35 selon la méthode classique. 3034 810 4 Dans cette figure et les autres, les segments sont en traits gras. Les dénominations suivent la logique suivante : Pour le segment 511 : S pour segment, le 1er 1 pour coté Q1, le 2ème pour face supérieure, pas de prime (C) pour le côté gauche sur la vue de 5 droite, et inversement. Pour S13' : S pour segment, le 1er 1 pour coté Q1, 3 pour face inférieure, prime (C) pour le côté gauche sur la vue de gauche. L'arête Q1 est droite, parallèle à l'axe delta. Le segment le long de cette arête est 512 et ses segments consécutifs sur la face supérieure sont 10 511 et 511', et S13 et S13' pour la face inférieure. T12 et T13 sont les extrémités supérieure et inférieure de la pointe Q1 (et du segment 512, sur cette figure). La figure 18 montre une extrémité de piston arrondie avec un joint d'étanchéité unique.

Si on compare avec la figure 17, ici, le joint 513+512+523 suit la bordure de la paroi latérale en 513, puis l'extrémité 512, puis revient le long de la bordure de l'autre paroi latérale en S23. Les éléments référencés r sont des ressorts qui contribuent à plaquer le joint sur la surface avec laquelle il doit assurer l'étanchéité.

Cela suppose que l'on ait arrondi les extrémités de l'élément mobile. Les figures suivantes présentent différentes façons complémentaires de réaliser cet arrondi. La figure 1 montre une vue en coupe par un plan horizontal PH d'un moteur à galets tel que décrit dans le brevet : PCT/FR2013/051021, dont les caractéristiques géométriques principales sont : n=6 alvéoles, le rapport r/R de 0.45, r étant le rayon r des galets et R la distance entre l'axe de rotation du piston central et le centre Pi des galets Gi, et le demi angle au centre pour les galets, mu (p) = 550 . 0 est le centre, l'intersection de PH avec delta, Al, A2, ... Ai, ... A6 sont les 6 alvéoles, Gi leurs n galets respectifs, Pi le centre du ième galet, Q1 et Q2 les 2 pointes du piston P, M le carter moteur, Li les n passages d'échappement K1 et K2 les 2 passages d'admission 3034810 5 La figure 2 est un agrandissement d'une partie de la figure 1 autour d'une des pointes : Ql, au niveau du galet G6. La figure 3 représente le piston vu de face (coupe B), de profil, et de dessus (coupe A).

5 La figure 4 reprend la figure 2, mais la pointe a été tronquée au niveau du point de cassure Q1a, et l'arc du galet, modifié en conséquence. Aussi longtemps que le point Qla est le point de contact avec l'arc du galet, ce point de l'arc s'obtient facilement à partie de Q1a, avec des transformations géométriques simples (combinaison de translations et rotations).

10 Les figures 5, 6, et 7 reprennent la figure 4, avec des positions différentes du piston. La figure 8 reprend la figure 4, mais avec un deuxième point de cassure Q1 p, et un segment droit relie les points de cassure. La pointe se termine donc par 3 facettes, qui lui donnent une forme intermédiaire entre la 15 pointe initiale et la troncation précédente. Les figures 9, 10, et 11 reprennent la figure 8, avec des positions différentes du piston. Les points Qla et Qla' sont symétriques ici, ce qui n'est pas une obligation. On voit bien que le contact entre le piston et le galet n'est plus un 20 point, mais une surface tangente, sur laquelle on pourra placer facilement des segments. On peut rajouter d'autres points de cassure pour arrondir davantage. Une autre façon d'obtenir une pointe plus arrondie consiste à tracer 25 une courbe de Bézier de degrés 3 (ou toute autre courbe) avec 4 points de contrôle CO, Cl, C2 t C3, les points CO et C3 étant Qla et Qla', les 2 autres se trouvant sur les axes Q1A-Q et Q1A'-Q, pour obtenir une même tangente aux points Qla et Qla'. L'arc du galet est l'enveloppe de la pointe dans son mouvement 30 relatif par rapport au galet, il peut être obtenu par les techniques classiques d'obtention d'enveloppes de courbes. Le dessin serait proche de ceux des figures 8 à 11, c'est pourquoi il n'est pas utile de le reprendre. Ceci, n'est pas limitatif, on peut utiliser un arc d'ellipse, ou tout autre courbe, de préférence, ayant la même tangente au point de cassure que 35 la courbe initiale. Il ne s'agit là que de méthodes particulières pour arrondir la pointe, parmi d'autres.

3034810 6 La figure 12 reprend la figure 3 avec le même piston dont on a modifié l'arête selon la figure 8. Deux segments ont été placés à la limite de l'élargissement, S12 du côté droit et S12' du côté gauche, sur la vie de gauche. L'élargissement est le même le long de l'arête.

5 La figure 13 reprend la figure 12, mais l'élargissement est de plus en plus large lorsque le plan de coupe s'éloigne de 0 (lorsque z se rapproche de e/2 d'un côté, -e/2 de l'autre). L'arête se trouve ici doublement arrondie. En vue de dessus, la coupe Al est la coupe en z= O. Les extrémités des pointes sont Q1a et Q2a. On a représenté aussi les pointes 10 avant troncation Q1 et Q2. La coupe A2 est une coupe pour une valeur de z comprise entre 0 et -z/2. Les extrémités des pointes sont Q1b et Q2b. Les extrémités du segment S12 sont T11 et T13, de même pour S12'. Les segments consécutifs à S12 sont S11 et S13. Si l'arrondi de S12 atteint 900 en T11 et T13, chacune de ses 2 extrémités se trouve dans le 15 prolongement du segment consécutif, et les 3 segments S12, S11 et S13 peuvent être réunis en 1 seul segment. Au point de raccordement T11 de S12 et S11, la tangente à chacun des segments est la même, ici tout simplement la droite horizontale S11. On peut alors raccorder les segments. On peut obtenir un segment global avec une courbure constante en 20 jouant sur l'arrondi des pointes. De même pour S12', S11' et S13' bien entendu, et l'autre pointe Q2. La figure 14 reprend la figure 3 avec le même piston dont on a modifié l'arête dans un plan PV. Cela a été rendu possible en modifiants les paramètres 25 géométriques, principalement le rapport r/R, et l'angle mu (p) selon les valeurs de z du plan de coupe B2. Il faut rappeler que le moteur à galets est caractérisé par des angles de rotation du piston particuliers, tels que pour chacun de ces angles, les 3 points suivants se retrouvent dans le même voisinage : l'une des arêtes 30 Qi du piston, une des arêtes de l'un des galets, et l'une des 2 extrémités de l'alvéole du galet. Il faut donc que ces conditions soient respectées pour le plan PH pour toute valeur de z. Et dans ces conditions, les alvéoles ne sont plus cylindriques, les galets non plus.

35 La figure 15 reprend la figure 3 avec le même piston que l'on a modifié de telle sorte que dans une coupe selon un plan de coupe horizontal 3034810 7 PH perpendiculaire à l'axe (A) de l'élément qui porte le joint, lorsque l'on déplace progressivement ce plan le long de (A), cette coupe subit une rotation fonction du déplacement. Sur la vue de dessus, on a représenté en pointillé une coupe selon 5 A, donc pour z= O. En z= e/2, la face supérieure est obtenue en faisant pivoter la coupe selon A de cp degrés. Dans un plan de coupe quelconque, la section est obtenue à partir de la section en z= 0 en lui faisant pivoter autour de delta de : 0 = (z/(e/2)) x cp, pour des valeurs de z allant de -e/2 à e/2.

10 La figure 16 reprend la vue de gauche de la figure 15, avec la différence venant du fait que l'angle de rotation 0 n'est plus proportionnel à z, la rotation s'inverse même en z= O. Ici, l'angle : 0 = valeur absolue de (z/(e/2)) x (p. Il s'agit là de cas particuliers non exclusifs destinés à mieux faire 15 comprendre l'invention. Ils ne sont pas limitatifs. Les dispositifs et méthodes présentées sont susceptibles d'améliorer grandement les caractéristiques des moteurs à pistons rotatifs utilisables pour la propulsion des véhicules terrestres, marins, aériens, la production d'énergie, tous les domaines où des moteurs thermiques sont 20 utilisés. Dans le domaine des pompes, ils permettront de remplacer très avantageusement les pompes centrifuges dans de nombreux cas. Bien que l'invention ait été décrite en relation avec un exemple particulier de réalisation, il est bien évident qu'elle n'y est nullement limitée et qu'elle comprend tous les équivalents techniques des moyens décrits ainsi que 25 leurs combinaisons.

Claims (9)

1. REVENDICATIONS1. Moteur ou pompe de type à piston rotatif, comportant une chambre dans laquelle est disposée au moins un élément mobile en rotation 5 autour d'un axe (A), l'élément mobile comportant aux moins deux extrémités de forme convexe, chaque extrémité étant à l'intersection de deux parois latérales de l'élément mobile, les parois latérales comportant chacune une arête supérieure et une arête inférieure, les extrémités de l'élément mobile étant arrondies de manière à ce que, pour chaque paroi latérale, un joint d'étanchéité 10 unique est disposé le long de l'arête supérieure de la paroi latérale, le long d'une portion de l'extrémité correspondante et le long de l'arête inférieure de la paroi latérale.
2. 2. Moteur ou pompe selon la revendication précédente, dans lequel l'élément mobile est un piston rotatif. 15
3. 3. Moteur ou pompe selon la revendication 1, comportant au moins deux éléments rotatifs auxiliaires formant les éléments mobiles.
4. 4. Moteur ou pompe selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le joint est deformable.
5. 5. Moteur ou pompe selon la revendication principale, dans 20 lequel le joint comporte des moyens élastiques tels qu'un ressort.
6. 6. Moteur ou pompe, selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que, dans une coupe selon un plan de coupe horizontal (PH) perpendiculaire à l'axe (A) de l'élément qui porte le joint, l'extrémité de l'élément mobile présente une section de forme arrondie. 25
7. 7. Moteur ou pompe selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la forme arrondie de la section de l'extrémité de l'élément mobile diffère selon la hauteur du plan de coupe (PH).
8. 8. Moteur ou pompe, selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que, dans une coupe selon un 30 plan de coupe vertical (PV) contenant l'axe de rotation de l'élément mobile (A), 3034810 9 au moins les parties supérieure et inférieure de l'extrémité de l'élément mobile, présentent une forme arrondie.
9. 9. Moteur ou pompe, selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que, dans une coupe selon un 5 plan de coupe horizontal (PH) perpendiculaire à l'axe (A) de l'élément qui porte le joint, lorsque l'on déplace progressivement ce plan le long de (A), cette coupe subit une rotation fonction du déplacement.